Breve e incompleta reseña histórica del nacimiento de la Mecánica Cuántica
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Taller de Ciencia para jóvenes. Lunes 25 de julio del 2011, 10:30 horas
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Breve e incompleta reseña histórica del nacimiento de la Mecánica Cuántica. Taller de Ciencia para jóvenes. Lunes 25 de julio del 2011, 10:30 horas. Objetivos. Repasar algunos conceptos de Física Explicar en qué consistió la revolución cuántica - PowerPoint PPT Presentation
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Taller de Ciencia para jóvenes. Lunes 25 de julio del 2011, 10:30 horas
• Repasar algunos conceptos de Física
• Explicar en qué consistió la revolución cuántica
• Explicar algunos conceptos básicos de la mecánica cuántica y analizar la dificultad de su interpretación
• Analizar en algunos casos particulares cómo surgen los conceptos científicos y señalar la relación de la ciencia con la tecnología
1900-1928
La mayor aventura del pensamiento de la
historia de la humanidad
Construir una teoría, realizar un
experimento, encontrar algún
hecho, que destruya y modifique
profundamente los conocimientos
anteriores, tomados la mayor
parte de las veces como dogmas.
Construir una teoría, realizar un experimento, encontrar algún hecho, que destruya y modifique profundamente los conocimientos anteriores, tomados la mayor parte de las veces como dogmas.
Por tanto, para entender la profundidad y la fuerza de una revolución científica, debemos entender y valorar esos conocimientos previos.Debemos comprender porque esos conocimientos fueron elevados a la categoría de dogma.
El hombre tiene un origen divino, fue creado por dios
versus
El hombre es un animal como cualquier otro.
Desciende del mono
El inconsciente controla el comportamiento.Los recuerdos y pensamientos inconscientes, especialmente los sexuales y los agresivos, norman nuestro comportamiento y son la causa de las neurosis.El inconsciente se forma, se alimenta de nuestras experiencias y recuerdos desde el vientre materno.El comportamiento de los individuos está íntimamente ligado a su desarrollo sexual
Argumentaba que los humanos
nacen "polimórficamente
perversos", en el sentido de que
una gran variedad de objetos
pueden ser una fuente de placer
Conforme las personas van desarrollándose,
van fijándose sobre diferentes objetos
específicos en distintas etapas: la etapa oral
(ejemplificada por el placer de los bebés en
la lactancia); la etapa anal (ejemplificada por
el placer de los niños al controlar sus
defecaciones); y luego la etapa fálica.
Propuso entonces que llega un momento en que
los niños pasan a una fase donde se fijan en el
progenitor de sexo opuesto (complejo de Edipo) y
desarrolló un modelo que explica la forma en que
encaja este patrón en el desarrollo de la dinámica
de la mente. Cada fase es una progresión hacia la
madurez sexual, caracterizada por un fuerte yo y la
habilidad para retardar la necesidad de
gratificaciones.
Tratemos de sumergirnos en la Física de los finales del sigo XIX…..
Es el análisis general de la naturaleza, para entender el funcionamiento del Universo.
La Física observa los fenomenos de la naturaleza y trata de encontrar los patrones y los principios que relacionan dichos fenómenos.
¿De qué están hechas las cosas? ¿Qué es la materia?
¿Qué es la luz?
¿Cómo interaccionan la luz y la materia?
¿Todo efecto tiene una causa?
¿Dado un efecto, cuál es la causa?
Había un sentimiento subyacente que ya todo estaba esencialmente explicado.Se pensaba que aún había cosas que resolver, pero eran detalles, lo fundamental ya estaba hecho.La Física había explicado todo, pero a la vez había perdido su interés.
• Mecánica (y todas sus derivaciones)– Continuidad. Invención y aplicación del
cálculo diferencial e integral y del análisis matemático
– Concepto de partícula• Electromagnetismo• Óptica• Termodinámica. Teoría cinética de los
gases
William Thomson Kelvin (Lord Kelvin):Dos pequeñas nubes en el horizonte
• El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley
•La catástrofe ultravioleta de la ley de Rayleigh-Jeans . El problema del cuerpo negro
Tratemos de sumergirnos en la Física de los finales del sigo XIX…..para ello empecemos con
La Mecánica
Primera Ley (1609): Todos los planetas se desplazan alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas, estando el Sol situado en uno de los focos.
Segunda Ley (1609): El radio vector que une el planeta y el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales.
Tercera Ley (1618) : Para cualquier planeta, el
cuadrado de su período orbital (tiempo que tarda
en dar una vuelta alrededor del Sol) es directamente
proporcional al cubo de la distancia media con el Sol.
2 3
Es decir,
donde, es el periodo orbital, la distancia media
del planeta con el Sol y la constante de
proporcionalidad.
P Kr
P r
K
Sir Isaac NewtonPhilosophiae Naturalis Principia Mathematica
1687
1. Todo cuerpo mantiene su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que se le apliquen.
2. La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional al producto de su masa y su aceleración.
3. Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo.
La fuerza que actúa sobre un
cuerpo es directamente
proporcional al producto de
su masa y su aceleración:
F ma
1
2
La fuerza que ejerce una partícula puntual con masa
sobre otra con masa es directamente proporcional al
producto de las masas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa:
m
m
1 212 122
12
11 2 2
ˆ
ˆdonde es el vector unitario que va de la partícula 1 a
la 2, y donde es la constante de gravitación universal,
siendo su valor 6,67 × 10 Nm /kg .
mmF G u
du
G
m Md
2
mMF G
d
Usando las leyes de la mecánica y la
ley de la gravitación universal, Newton
pudo derivar las leyes de Kepler.
¡Un gran logro!
•Las leyes de Kepler
•La estática y las construcciones
•La mecánica de los fluidos, de los
sólidos, etc.
•La explicación de algunas propiedades
termodinámicas de los gases
Nada más y nada menos, que la revolución industrial se sustentó en la mecánica de Newton
Es totalmente
causal
"Nous devons envisager l'état présent de l'univers comme l'effet de son état antérieur et comme la cause de celui qui va suivre. Une intelligence qui, pour un instant donné, connaîtrait toutes les forces dont la nature est animée et la situation respective des êtres qui la composent, si d'ailleurs elle était assez vaste pour soumettre ces données à l'analyse, embrasserait dans la même formule les mouvements des plus grands corps de l'univers et ceux du plus léger atome; rien ne serait incertain pour elle, et l'avenir, comme le passé, serait présent à ses yeux. " Laplace
Denme las fuerzas que rigen el Universo y las condiciones actuales de él y todo podrá ser dicho, del pasado, el presente y el futuro
Su reinado, de más de 200 años, era indiscutible y su poder avasallador
Cuando Laplace publicó su “Mecánica celeste”, Napoleón lo llamó y al verlo le dijo enojado: Explica usted todo el sistema del mundo, da usted todas las leyes de la creación y en todo su libro no habla una sola vez de la existencia de diosLaplace le respondió: Señor, no tenía yo la necesidad de esa hipótesis (je n'avais pas besoin de cette hypothèse).
Urbain Jean Joseph Le Verrier y John Couch Adams
Observando discrepancias entre la órbita de
Urano y las predicciones teóricas de la
Mecánica de Newton, se pensó que debería
existir un octavo planeta. Le Verrier pasó años
haciendo los cálculos y el 18 de septiembre de
1846, escribió a Johann Gottfried Galle del
Observatoire de Berlin y el 23 septiembre Galle
apunta su telescopio al lugar calculado y
descubre Neptuno a 8 minutes
Es totalmente causal,
no sólo eso, es
totalmente
DETERMINISTA
Dar (la posición) como una función
de (el tiempo):
De ahí deducimos las velocidad , la
energía, la cantidad de movimiento, etc.
x
t
x t
v t
0 0
0
20
La fuerza es igual a cero
La posición está dada a todo tiempo como:
La velocidad está dada a todo tiempo como:
1La energía es siempre
2
t
x t x v t
t
v t v
E mv
0Si el cuerpo está en reposo, 0,
su posición se mantiene fija,
su velocidad es cero,
su energía es cero.
v
0 0
0
20
La fuerza es igual a cero
La posición está dada a todo tiempo como:
La velocidad está dada a todo tiempo como:
1La energía es siempre
2
t x t x v t
t v t v
E mv
Tanto la posición, como la velocidad,
como la energía, son variables continuas
que pueden tomar cualquier valor desde
0 hasta de manera continua.
0 0
0
20
La fuerza es igual a cero
La posición está dada a todo tiempo como:
La velocidad está dada a todo tiempo como:
1La energía es siempre
2
t x t x v t
t v t v
E mv
20 0
0
2
La fuerza es constante
La posición está dada a todo tiempo como:
1
2La velocidad está dada a todo tiempo como:
1La energía es
2
t
x t x v t at
t
v t v at
E mv t
Tanto la posición, como la velocidad,
como la energía, son variables continuas
que pueden tomar cualquier valor desde
0 hasta de manera continua.
20 0
0
2
La fuerza es constante
1La posición está dada a todo tiempo como:
2La velocidad está dada a todo tiempo como:
1La energía es
2
t x t x v t at
t v t v at
E mv t
F kx
max
La posición está dada a todo tiempo como:
cos 2
donde la frecuencia está dada como
1 1
2
donde es el periodo.
t
x t x ft
f
kf
m T
T
max
2 2 2max
La velocidad está dada a todo tiempo como:
2 sin 2
La energía es:
1 1 1
2 2 2
t
x t fx ft
E t mv t kx t kx
Tanto la posición, como la velocidad,
como la energía, son variables continuas
que pueden tomar cualquier valor desde
0 hasta de manera continua.
max
max
2 2 2max
La fuerza es
La posición está dada a todo tiempo como: cos 2
La velocidad está dada a todo tiempo como: 2 sin 2
1 1 1La energía es:
2 2 2
kx
t x t x ft
t v t fx ft
E t mv t kx t kx
2
En este caso la fuerza es la de la
ley de la gravitación de Newton:
Resultan las leyes de Kepler.
La posición como función del tiempo
La velocidad como función del tiempo
La energía
mMF G
r
2
En este caso la fuerza es la de la ley de la gravitación de Newton:
mMF G
r
Tanto la posición, como la velocidad,
como la energía, son variables continuas
que pueden tomar cualquier valor desde
0 hasta de manera continua.
Dar (la posición) como una función
de (el tiempo):
De ahí deducimos las velocidad , la
energía, la cantidad de movimiento, etc.
x
t
x t
v t
Todas las variables dinámicas (posición, tiempo, velocidad, cantidad de movimiento, energía, energía cinética, energía potencial, momento angular) son reales, es decir; todas las variables dinámicas son continuas.
•Está basada en el concepto de continuidad. Las cantidades físicas son variables continuas
El espacio (la posición)
El tiempoLa energíaLa cantidad de movimientoEtc.
• Un cuerpo puedes estar a 1 cm. de una marca
• Pero también puede estar en cualquier posición, tan cercana como queramos, a dicha marca• Puede estar a 1.1 cm• Puede estar a 1.01 cm• Puede estar a 1.0000001 cm• Puede estar a
1.000000000000000000000000000001 cm
Un cuerpo girando puede ocupar cualquier orbita
Una partícula en movimiento puede tener cualquier energía
1 joule1.1 joule1.01 joule1.000000001 joule1.0000000000000000000000000000001 joule1.00000000000000000000000000000000000000000000001 joule
• Mecánica (y todas sus derivaciones)– Continuidad. Invención y aplicación del
cálculo diferencial e integral y del análisis matemático
– Concepto de partícula• Electromagnetismo• Óptica• Termodinámica. Teoría cinética de los
gases
William Thomson Kelvin (Lord Kelvin):Dos pequeñas nubes en el horizonte
• El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley
•La catástrofe ultravioleta de la ley de Rayleigh-Jeans . El problema del cuerpo negro
¿Qué es una onda?
Una onda es una perturbación
de alguna propiedad de un
medio, la perturbación se
propaga a través del espacio
transportando energía.
•El medio perturbado puede ser de
naturaleza diversa, como el aire, agua,
un trozo de metal, etc.•Las propiedades que sufren la
perturbación pueden ser también
variadas, por ejemplo, densidad, presión,
campo eléctrico, campo magnético.
Una onda es una perturbación de alguna propiedad de un medio, la cual se
propaga a través del espacio transportando energía.
Una onda es un patrón de movimiento que puede transportar energía sin transportar agua con ella
Longitud de la onda Amplitud de la onday
Distancia
Des
pla
zam
ien
to
El número de veces que oscila por segundo
Por otro lado, …
¿Qué es una partícula?
• Posición x• Masa m• Energía E• Momentum p = mv
Las partículas son pelotas
• Una partícula está localizada en el espacio y tiene propiedades físicas discretas, tales como la masa
• Una onda está inherentemente extendida sobre una región del espacio de varias longitudes de onda y puede tener amplitudes en un rango continuo de valores
• Las ondas se superponen y pasan unas a través de las otras, mientras que las partículas colisionan y rebotan alejándose unas de otras
•Son cosas totalmente
diferentes
•No sólo son diferentes, son
contradictorias: Un objeto es
onda o es partícula
¿Cuál es la teoría correcta?
Aquella que esté de acuerdo con
las observaciones experimentales,
la que concuerde con los hechos
•La reflexiónAmbas teorías podían explicarla
•La refracciónAmbas teorías podían explicarla
•La doble refracciónLa explicación de la teoría ondulatoria era muy complicada, poco convincente. Muy “ad-hoc”
Dados los hechos expuestos, y por
la enorme influencia de Newton, la
teoría corpuscular fue aceptada y
dejo de ser cuestionada durante
todo el siglo XVIII.
Pero aún había mucho por
descubrir, nuevos fenómenos
que nadie imaginaba.
Primero …..
•La teoría corpuscular de la luz está en contradicción con esta experiencia.
•La teoría corpuscular de la luz no puede explicar el experimento de la doble rendija de Young
La discusión sobre si la luz son
ondas o son partículas revivió.
No sólo revivió, sino que agarró
una fuerza tremenda.
Sin embargo, en los primeros 50 años del siglo XIX y gracias a los trabajos, tanto teóricos como experimentales, de mucha gente (Young, Fresnel, Arago, Airy, Fizeau) se llegó a la conclusión de que la luz es una onda.
La discusión sobre si la luz son ondas o son partículas revivió.
•La reflexión. Las dos teorías
•La refracción. Las dos teorías
•La doble refracción. Las dos
teorías
•La interferencia. Sólo la ondulatoria
•La reflexión. Las dos teorías
•La refracción. Las dos teorías
•La doble refracción. Las dos teorías
•La interferencia. Sólo la ondulatoria
•La difracción. Sólo la ondulatoria
Pero aún había mucho por
descubrir, nuevos fenómenos
que nadie imaginaba.
Segundo …..
• Hay cargas eléctricas. Los griegos
• Hay dos tipos de cargas eléctricas. Franklin las llamó positivas y negativas
• Las cargas de signo distinto se atraen, las del mismo signo se repelen. La ley de Coulomb (1784)
• Generación de cargas eléctricas por fricción
Los imanes. Los griegos• Tiene dos polos• Los polos iguales se rechazan, los diferentes de atraen
La brujula
En 1864, James Clerk Maxwell unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos, en la teoría electromagnética, mediante la formulación de sus famosas Ecuaciones de Maxwell
tE
cJ
cB
tB
cE
B
E
14
1
0
4
Quedó clarísimo que los
fenómenos eléctricos y
magnéticos son diferentes
manifestaciones de una
misma cosa, los fenómenos
electromagnéticos
¡Ah! Pues lo increíble es, que
estudiando sus ecuaciones, Maxwell
se dio cuenta que equivalían a una
ecuación de ONDA.
Que esa onda electromagnética
viajaba a la misma velocidad que la
velocidad de la luz ….
Y se hizo la luz …..
La luz es una onda electromagnética …
Era tan “oscuro” que Hemholtz, en 1871, le encargo a Heinrich Hertz clarificar sus estudios, pero sobre todo demostrar que las “ondas electromagnéticas” de la teoría de Maxwell se propagaban a la velocidad de la luz
Hacía 1888 Hertz había construido aparatos para generar y detectar ondas electromagnéticas (ondas VHF y UHF).
Explicó la reflexión, la refracción, la polarización, la interferencia y la velocidad de las ondas electromagnéticas.
Hacía 1888 Hertz había construido aparatos para generar y detectar ondas electromagnéticas (ondas VHF y UHF).
Explicó la reflexión, la refracción, la polarización, la interferencia y la velocidad de las ondas electromagnéticas.
¡Descubrió también el
Efecto Fotoeléctrico!
•La longitud de la onda (ó la frecuencia) determina el color de la luz
•La amplitud de la onda es la intensidad de la luz
•La dirección de oscilación de los campos determina la polarización
La luz está caracterizada
por una frecuencia y una
longitud de onda,
que determinan su color:
c
La luz está caracterizada por una frecuencia y una
longitud de onda, que determinan su color: c
•La luz visible va de 0.4 a 0.7 micras
Por ejemplo, el color verde corresponde a una longitud de onda de 0.4680 micras y una frecuencia de 6.14x1014 Hertz
• El radio AM va de 153 KHz a 26.1 MHz.De 1960 metros a 11.5 metros.
• El radio FM va de 87.5 MHz a 108.0 MHz.De 3.43 metros a 2.78 metros.
• La Tele va de 7 MHz a 1002 MHz.De 42.8 metros a 0.3 metros.
La luz está caracterizada por una frecuencia y una
longitud de onda, que determinan su color: c
•Luz visible• Infrarrojo
• Ultravioleta
• Rayos X
• Rayos Gama
• Microondas
• Ondas de radio
Todo cuadraba perfectamente:
La teoría electromagnética era
capaz de explicar las leyes de la
óptica: La reflexión, la refracción,
la interferencia, la difracción, etc.
•La reflexión. Las dos teorías
•La refracción. Las dos teorías
•La doble refracción. Las dos teorías
•La interferencia. Sólo la ondulatoria
•La difracción. Sólo la ondulatoria
•La luz es una onda
electromagnética
En el eter…La luz era una onda electromagnética
que se propagaba en el éter, que a su
vez llenaba todo el espacio.
Todo cuadraba perfectamente:
La teoría electromagnética era capaz
de explicar las leyes de la óptica: La
reflexión, la refracción, la interferencia,
la difracción, etc.
La luz era una onda electromagnética
que se propagaba en el eter.
“I do not think that the wireless waves I have discovered will have any practical application”
Alexander Stepanovich Popov
Nikola Tesla
Guglielmo Marconi
Hacía 1888 Hertz había construido aparatos para generar y detectar ondas electromagnéticas (ondas VHF y UHF).
Explicó la reflexión, la refracción, la polarización, la interferencia y la velocidad de las ondas electromagnéticas.
La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter.
• Mecánica (y todas sus derivaciones)– Continuidad. Invención y aplicación del cálculo
diferencial e integral y del análisis matemático– Concepto de partícula
• Electromagnetismo.- La teoría ondulatoria de la luz.
• Óptica• Termodinámica• Teoría cinética de los gases
William Thomson Kelvin (Lord Kelvin):Dos pequeñas nubes en el horizonte
• El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley
•La catástrofe ultravioleta de la ley de Rayleigh-Jeans . El problema del cuerpo negro
Planck was extremely gifted when it came to music: he took singing lessons and played the piano, organ and cello, and composed songs and operas. However, instead of music he chose to study physics.Munich physics professor Philipp von Jolly advised him against going into physics, saying, "in this field, almost everything is already discovered, and all that remains is to fill a few holes." Planck replied that he did not wish to discover new things, only to understand the known fundamentals of the field, and began his studies in 1874 at the University of Munich. Under Jolly's supervision, Planck performed the only experiments of his scientific career, studying the diffusion of hydrogen through heated platinum, but soon transferred to theoretical physics.
En Munich, el profesor de Física Philipp von Jolly, le advirtió que no se metiera a Física, diciendo, “en este campo, casi todo ha sido descubierto, y todo lo que falta es llenar algunos agujeros”.Planck respondió que no quería descubrir nuevas cosas, que sólo quería entender los fundamentos ya conocidos del campo, y empezó sus estudios en 1874 en la Universidad de Munich.
• Realista y materialista.El mundo existe, independientemente del observador: “Ahí está”
• El mundo es causal.Es más, es determinista (Laplace)
• El mundo es localSólo influyen los eventos cercanos
Pero aún había mucho por
descubrir, nuevos fenómenos
que nadie imaginaba.
Tercero …..
