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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.
Es decir,
P  Kr
2
3
donde, P es el periodo orbital, r la distancia media
del planeta con el Sol y K la constante de
proporcionalidad.
Sir Isaac Newton
Philosophiae 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
La fuerza que ejerce una partícula puntual con masa m1
sobre otra con masa m2 es directamente proporcional al
producto de las masas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa:
m1m2
F12  G 2 uˆ12
d
donde uˆ12 es el vector unitario que va de la partícula 1 a
la 2, y donde G es la constante de gravitación universal,
siendo su valor 6,67 × 1011 Nm 2 /kg 2 .
m
d
mM
F G 2
d
M
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
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
"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
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 dios
Laplace 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 x (la posición) como una función
de t (el tiempo):
x t 
De ahí deducimos las velocidad v  t  , la
energía, la cantidad de movimiento, etc.
 La fuerza es igual a cero
 La posición está dada a todo tiempo t como:
x  t   x0  v0t
 La velocidad está dada a todo tiempo t como:
v  t   v0
1 2
 La energía es siempre E  mv0
2
 La fuerza es igual a cero
 La posición está dada a todo tiempo t como:
x  t   x0  v0t
 La velocidad está dada a todo tiempo t como: v  t   v0
1 2
 La energía es siempre E  mv0
2
Si el cuerpo está en reposo, v0  0,
su posición se mantiene fija,
su velocidad es cero,
su energía es cero.
 La fuerza es igual a cero
 La posición está dada a todo tiempo t como:
x  t   x0  v0t
 La velocidad está dada a todo tiempo t como: v  t   v0
1 2
 La energía es siempre E  mv0
2
Tanto la posición, como la velocidad,
como la energía, son variables continuas
que pueden tomar cualquier valor desde
0 hasta  de manera continua.
 La fuerza es constante
 La posición está dada a todo tiempo t como:
1 2
x  t   x0  v0t  at
2
 La velocidad está dada a todo tiempo t como:
v  t   v0  at
1 2
 La energía es E  mv  t 
2
 La fuerza es constante
1 2
 La posición está dada a todo tiempo t como: x  t   x0  v0t  at
2
 La velocidad está dada a todo tiempo t como: v  t   v0  at
1 2
 La energía es E  mv  t 
2
Tanto la posición, como la velocidad,
como la energía, son variables continuas
que pueden tomar cualquier valor desde
0 hasta  de manera continua.
F  kx
La posición está dada a todo tiempo t como:
x  t   xmax cos  2 ft 
donde la frecuencia f está dada como
1 k
1
f 

2 m T
donde T es el periodo.
La velocidad está dada a todo tiempo t como:
x  t   2 fxmax sin  2 ft 
La energía es:
1 2
1 2
1 2
E  t   mv  t   kx  t   kxmax
2
2
2
 La fuerza es  kx
 La posición está dada a todo tiempo t como: x  t   xmax cos  2 ft 
 La velocidad está dada a todo tiempo t como: v  t   2 fxmax sin  2 ft 
1
1
1 2
 La energía es: E  t   mv 2  t   kx 2  t   kxmax
2
2
2
Tanto la posición, como la velocidad,
como la energía, son variables continuas
que pueden tomar cualquier valor desde
0 hasta  de manera continua.
En este caso la fuerza es la de la
ley de la gravitación de Newton:
mM
F G 2
r
Resultan las leyes de Kepler.
 La posición como función del tiempo
 La velocidad como función del tiempo
 La energía
En este caso la fuerza es la de la ley de la gravitación de Newton:
mM
F G 2
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 x (la posición) como una función
de t (el tiempo):
x t 
De ahí deducimos las velocidad v  t  , la
energía, la cantidad de movimiento, etc.
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 tiempo
La energía
La cantidad de movimiento
Etc.
•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 joule
1.1 joule
1.01 joule
1.000000001 joule
1.0000000000000000000000000000001 joule
1.00000000000000000000000000000000000000000000001 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.
Una onda es una perturbación de alguna propiedad de un medio, la cual 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 un patrón de movimiento que puede
transportar energía sin transportar agua con ella
Desplazamiento
Distancia
  Longitud de la onda
y  Amplitud de la onda
El número de veces que oscila
por segundo
Por otro lado, …
¿Qué es una partícula?
Las partículas son pelotas
•
•
•
•
Posición x
Masa m
Energía E
Momentum p = mv

 

        

        








•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 reflexión
Ambas teorías podían explicarla
•La refracción
Ambas teorías podían explicarla
•La doble refracción
La 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.
La discusión sobre si la luz son ondas o son partículas revivió.
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 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

  E  4

B  0


1 B
 E  
c t

 4  1 E
 B 
J
c
c t
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
La luz está caracterizada por una frecuencia y una
longitud de onda, que determinan su color:   c
•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.
•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.
Alexander
Stepanovich
Popov
“I do not think that the wireless waves
I have discovered will have any
practical application”
Guglielmo
Marconi
Nikola
Tesla
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 local
Sólo influyen los eventos cercanos
Pero aún había mucho por
descubrir, nuevos fenómenos
que nadie imaginaba.
Tercero …..