Paseo hacia la Física Cuántica

1. FÍSICA
CLÁSICA
MECÁNICA
CLÁSICA
DINÁMICA
ESTÁTICA
CINEMÁTICA
MECÁNICA
ONDULATORIA
ÓPTICA
ACÚSTICA
ELECTROMAGNETISMO
ELECTRICIDAD
MAGNESTISMO
TERMODINÁMICA
MODERNA
NUCLEAR
ATÓMICA
DE LAS PARTICULAS
ELEMENTALES
RELATIVISTA
MECÁNICA CUÁNTICA Preparado por: Carlos Stay M.
PASEO HACIA LA FÍSICA CUÁNTICA

2. Isaac Newton
(1642 – 1727)

5. ALHAZEN (965-1040)
LA ÓPTICA

9. TIPOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍACICLO DE LA ELECTRICIDAD
ELECTRICIDAD
ECUADOR

11. El flujo de
corriente
A través de
la bobina
Ley de
Lorentz

14. Falta poco para
cumplir este sueño

22. Albert
Einstein
1879 Nace en Ulm-Alemania, de origen Judío.
1900 Diploma de Profesor en Matemáticas y Física.
1901 Adquiere la nacionalidad Suiza.
1902 Entra a Ofic. Federal de Patentes en Berna-Suiza.
1903 Se casa con Mileva Maric, con quien tiene 2 hijos.
1904 Doctor con la Tesis: Una nueva determinación de las
dimensiones moleculares.
1905 Publica los artículos: Efecto fotoeléctrico, el movimiento
browniano, la Teoría de la Relatividad Especial y
Equivalencia masa-energía.
1908 Profesor Titular en la Universidad de Berna.
1910 Nace su hijo Eduard, se mudan a Praga, Profesor de
Física Teórica, debió adoptar nacionalidad austríaca.
1913 miembro Academia Prusiana de Ciencias, reside en Berlín.
1915 Presenta la Teoría de la Relatividad General.
1919 se divorcia de Mileva y se casa con su prima Elsa.
1921 recibe Premio Nobel de Física.
1932 abandona Alemania, exilio en Francia, Bélgica, R.Unido.
1933 migra a USA, Profesor en Inst. Advanced Study-Princeton.
1940 nacionalidad USA.
1955 Fallece en hospital de Princeton, cerebro guardado y
cenizas al rio Delaware.
Efecto
Fotoeléctrico
Un punto de vista heurístico sobre la
producción y transformación de la luz
Plantea descripción matemática de este fenómeno y en la
que la emisión de electrones era producida por la absorción
de cuantos de luz que más tarde serían llamados fotones.
Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1 electrón + energía cinética del electrón emitido.
donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia mínima de los fotones para que se dé el
efecto fotoeléctrico, Φ es la función de trabajo, o mínima energía necesaria para llevar un electrón del nivel de Fermi
al exterior del material y Ek es la máxima energía cinética de los electrones que se observa experimentalmente.
Esta explicación provoca
el Nobel de Física en
1921
El movimiento browniano es el movimiento aleatorio que se observa en las partículas que se hallan
en un medio fluido (líquido o gas), como resultado de choques contra las moléculas de dicho fluido.
explicó con todo detalle cómo el movimiento que Brown había observado era el resultado de las
micropartículas siendo movidas por moléculas de agua individuales. Esta explicación sirvió como
prueba convincente de que existen los átomos y moléculas.
la primera parte consiste en la formulación de una
ecuación de difusión de partículas brownianas
La segunda parte de la teoría de Einstein se refiere a la
constante de difusión en cantidades físicamente medibles. Este
resultado permite la determinación experimental del número
de Avogadro y por lo tanto el tamaño de las moléculas.
En un estado de equilibrio dinámico, se tiene:
Einstein
Constante Boltzmann
Stokes

23. reformuló el principio de simultaneidad, introducido por Galileo Galilei siglos
antes, por el que las leyes de la física deben ser invariantes para todos los
observadores que se mueven a velocidades constantes entre ello.
Dos sucesos simultáneos en el S.R.1. pueden no
serlo en el S.R.2 (observadora en la Tierra). La
simultaneidad no es un concepto absoluto,
depende del estado de movimiento del observador.
Postulados de la Teoría de la Relatividad Especial (1905)
Primer POSTULADO: Las Leyes fundamentales de toda la Física
(la Mecánica y el Electromagnetismo) son las mismas en todos
los sistemas de referencia inerciales (en reposo o en MRU).
300,000 Km/s
Velocidad de la luz en el vacío.
Es constante y no es superada
por nada.
Sugiere que mientras más nos
acercamos a la Velocidad de la
luz, el tiempo pasa más despacio
y el espacio se contrae.

24. Postulados de la Teoría de la Relatividad Especial (1905)
Segundo POSTULADO: La Luz se propaga en el espacio
con una velocidad c independiente del movimiento de
la fuente emisora y/o del observador. La rapidez de la
luz medida por todos los observadores es constante.
Este segundo axioma, revolucionario, va más allá de las consecuencias
previstas por Lorentz o Poincaré que simplemente relataban un
mecanismo para explicar el acortamiento de uno de los brazos del
experimento de Michelson y Morley. Este postulado implica que si un
destello de luz se lanza al cruzarse dos observadores en movimiento
relativo, ambos verán alejarse la luz produciendo un círculo perfecto con
cada uno de ellos en el centro. Si a ambos lados de los observadores se
pusiera un detector, ninguno de los observadores se pondría de acuerdo
en qué detector se activó primero (se pierden los conceptos de tiempo
absoluto y simultaneidad). La teoría recibió el nombre de «teoría
especial de la relatividad» o «teoría restringida de la relatividad»
Apariencia del espacio-tiempo a lo
largo de una línea de universo de un
observador acelerado.
La dirección vertical indica el tiempo, la
horizontal indica la distancia espacial,
la línea punteada es la trayectoria del
observador en el espacio tiempo. El
cuarto inferior representa el conjunto de
sucesos pasados visibles al
observador. Los puntos pueden
representar cualquier tipo de sucesos
en el espacio tiempo.
La pendiente de la línea de universo o
trayectoria de la vertical da la velocidad
relativa del observador.
Transformación de Galileo
El fenómeno de contracción de la
longitud Minkowski
Transformación de Lorentz
Factor de Lorentz: Velocidad de la luz desde la Tierra a la Luna, situada a más de 380.000 km.
Ecuaciones Poincaré / Einstein
Axioma
Principio

25. Equivalencia masa-energía (1905)
La variación de masa de un objeto que emite una energía L, es:
donde V era la notación de la velocidad de la luz usada por Einstein en 1905.
Fórmula de Transformación relativista de la masa
Esta expresión es muy útil, pues nos permite
encontrar la expresión para las distintas energías
de un cuerpo desde un punto de vista relativista.

26. Teoría de la Relatividad General (1915)
El resultado de cualquier experimento no gravitacional
en un laboratorio desplazándose en un sistema de
referencia inercial es independiente de la velocidad del
laboratorio o de su localización en el espacio-tiempo.
Las propiedades de un sistema no inercial son
las mismas que un sistema inercial cuando
existe un cierto campo gravitatorio

27. Para cada punto del espacio-tiempo, la ecuación de campo de Einstein describe
cómo el espacio-tiempo se curva por la materia y tiene la forma de una igualdad
local entre un tensor de curvatura para el punto y un tensor que describe la
distribución de materia alrededor del punto:
Teoría de la Relatividad General (1915)

28. Teoría de la Relatividad General (1915)

29. Teoría de la Relatividad General (1915)
Propiedades geométricas del espacio-
tiempoModelo del espacio-tiempo de Minkowski:
donde t es la coordenada temporal medida por un cierto observador, y x, y, z las
coordenadas cartesianas espaciales medidas por el mismo observador.
donde M es la banda lorentziana y g en un Tensor Métrico.
Ecuación del Tensor energía-impulso:
expresa que el contenido material determina la curvatura del espacio-tiempo.
Cosmología Física
Radiación de fondo de microondas

31. ESPÍN
Representación artística de 2 objetos, con
espín 5/2 y 2, respectivamente.
es una propiedad física de las partículas
elementales por el cual tienen un momento
angular intrínseco de valor fijo. El espín fue
introducido en 1925 por Ralph Kronig e,
independientemente, por George Uhlenbeck y
Samuel Goudsmit. La otra propiedad
intrínseca de las partículas elementales es la
carga eléctrica.
El espín proporciona una medida del
momento angular intrínseco de toda
partícula.
El espín de una partícula siempre es
un múltiplo entero de entre 2.

32. 1897
1995

35. Física cuántica es la rama de la física que estudia el campo
de lo que no se ve, es decir los fenómenos no medibles
desde el punto de vista de la totalidad de sus posibilidades.
Su objeto de estudio es el comportamiento de dimensiones
mínimas de la materia como el átomo y las partículas que lo
componen, la imposibilidad de su localización e
indeterminismo de dichas partículas.
El vacío es una idea, un concepto que no existe en sí mismo.
Y la materia no es predecible ni estática, ni el átomo es una
realidad permanente, ni es una cosa estática sino una
posibilidad, una tendencia. El vacío es sólo conceptual y
representa infinitas posibilidades.
Los seres humanos somos parte y estamos inmersos en esa
cuántica ya que también estamos formados por átomos con
inmensas posibilidades, siendo el pensamiento una realidad
que nosotros mismos creamos en el universo, y éste una
energía, el universo está formado de millares de energías y
todos estamos conectados por ellas.
También llamada mecánica cuántica, la física cuántica
surgió a instancias del físico alemán Max Planck (premio
nobel de física) a mediados del siglo XX para dar respuesta a
problemas que la física clásica no tenía resueltos.
La física cuántica introdujo el concepto de cuantización de
la energía de los cuerpos negros, contraria al de energía
infinita que proponía la física convencional. Asimismo
demostró la dualidad corpúsculo-onda por la cual la materia
puede tener propiedades ondulatorias y de partículas.

37. Funciones de onda del electrón en un átomo de hidrógeno a diferentes niveles de energía. La mecánica cuántica
no puede predecir la ubicación exacta de una partícula en el espacio, solo la probabilidad de encontrarla en
diferentes lugares. Las áreas más brillantes representan una mayor probabilidad de encontrar el electrón.
la teoría cuántica solo permite normalmente cálculos probabilísticos o estadísticos de las características
observadas de las partículas elementales, entendidos en términos de funciones de onda.
Esquema de una función de onda mono electrónica u orbital en tres dimensiones.
ecuación de Schrödinger

38. INICIOS DE LA FÍSICA CUÁNTICA
Radiación emitida por un cuerpo negro a una temperatura de 1500 K en función
de la frecuencia
CATÁSTROFE ULTRAVIOLETA
Modelo de un átomo de Ernest Rutherford. Propuso un núcleo con protones
(en negro en el centro) y con electrones (en rojo) girando alrededor de este.
Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al
átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10-10s, toda la energía del átomo
se habría radiado, con la consiguiente caída de los electrones sobre el núcleo.​ Se trata, por
tanto de un modelo físicamente inestable, desde el punto de vista de la física clásica.

39. Max Planck define a h como el cuanto elemental de acción
cuanto de acción acción de un proceso físico
(el producto de la energía implicada
y el tiempo empleado)
solo podía tomar valores discretos,
es decir, múltiplos enteros de h.
h = 6,62607015 x 10-34 J.s
Constante de Planck
Ley de Planck o
Relación Planck-Einstein
la energía de un fotón E es proporcional a su frecuencia f
Constante de Planck Reducida
o Constante de Dirac
En términos de frecuencia angular
la energía de un fotón con frecuencia angular w, donde w =2pf
Einstein 1905
Max Planck
Paul Dirac

40. Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula,
en la cual se puede ver cómo un mismo
fenómeno puede tener 2 percepciones distintas.
Longitud de onda en una sinusoide
representada por la letra griega λ (lambda)
Louis de Broglie
Tesis Doctoral de 1924
Dualidad Onda-Partícula
Erwin Schrödinger
Una función de onda que satisface la ecuación no relativista de Schrödinger
con V = 0. Es decir, corresponde a una partícula viajando libremente a
través del espacio libre. Este gráfico es la parte real de la función de onda.
Paul Dirac usó la Ecuación General y formuló:

41. En mecánica cuántica, la relación de indeterminación de
Heisenberg o principio de incertidumbre establece la
imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas
observables y complementarias sean conocidas con precisión
arbitraria. Sucintamente, afirma que no se puede determinar,
en términos de la física cuántica, simultáneamente y con
precisión arbitraria, ciertos pares de variables físicas, como son,
la posición y el momento lineal (cantidad de movimiento) de
un objeto dado. En otras palabras, cuanta mayor certeza se
busca en determinar la posición de una partícula, menos se
conoce su momento lineal y, por tanto, su masa y velocidad.
Este principio fue enunciado por el físico teórico alemán
Werner Heisenberg en 1927.
Lo que el principio de indeterminación sugiere es que las
propiedades de la partícula se encuentran en estado de
superposición y por tanto tienen atribuidos a la vez diferentes
valores de posición y de momento lineal. En la intervención, a
la hora de medir, obligamos a una de las magnitudes a tomar
un valor, colapsando su función de onda, y dándonos así un
resultado preciso para esta, por lo que aumenta
irremediablemente la indeterminación en la otra medida.
Gráfico del Principio de
Indeterminación de Heisenberg
Enunciado Matemático:
Las medidas del objeto observable sufrirán desviación estándar Δx de la posición y el
momento Δp. Verifican entonces el principio de indeterminación que se expresa
matemáticamente como:
Una de las formas alternativas del principio de indeterminación más conocida es la
indeterminación tiempo-energía que puede escribirse como:
Werner Heisenberg

42. Niels Bohr con Albert Einstein en
casa de Paul Ehrenfesten (dic/1925).
Populares Debates
Bohr-Einstein
Max Born
+
Niels Bohr
Heinsenberg
Interpretación de Copenhague

43. • Los cálculos indican que (para suerte de todos nosotros), desde el principio existió una
partícula extra de materia por cada mil millones de pares de materia y antimateria. La poética
asimetría fundamental del universo sigue siendo tema de investigación.
• Por increíble que parezca, los plátanos liberan un positrón cada 75 minutos. Un positrón es el
equivalente en antimateria de un electrón. Esto ocurre porque los plátanos contienen
pequeñas cantidades de potasio -40, un isotopo natural del potasio que ocasionalmente
escupe positrones al echarse a perder. Otra fuente de potasio -40 es el cuerpo humano.
• El acelerador de partículas Tevatrón creó 15 nanogramos, y el de CERN apenas 1 nanogramo.
El laboratorio DESY de Alemania ha producido apenas 2 nanogramos. Es toda la antimateria
producida por humanos. La antimateria es capaz de liberar grandes cantidades de energía; 1
solo gramo puede producir una explosión comparable a la de una bomba atómica.
• Los investigadores han logrado aislar la antimateria en dispositivos llamados trampas de
Penning, que son trampas iónicas parecidas a pequeños aceleradores, dentro de los cuales las
partículas pueden permanecer en movimiento mientras los campos eléctricos impiden que
choquen contra las paredes. Salvo el antihidrógeno, que no posee carga eléctrica. El campo
magnético terrestre también funciona como una gran trampa. Los antiprotones que quedan
presos ahí llegan a zonas conocidas como cinturones de radiación de Van Allen.
• Los neutrinos –partículas que casi no tienen materia y rara vez interactúan con ella– no tienen
carga; los científicos creen que los neutrinos podrían ser fermiones de Majorana, partículas
hipotéticas que llevan su propia antipartícula con ellas. Pero hallarlos podría explicar la
fundamental asimetría universal entre materia y antimateria.
• El proyecto ACE del CERN estudia la antimateria como un potencial candidato para la terapia
contra el cáncer. Los médicos han observado cómo responden los tumores a los rayos de
partículas, las cuales liberan su energía sólo cuando se necesita.
• El problema de la asimetría entre materia y antimateria implica que aún pueden existir restos
del Big Bang. El espectrómetro Alpha Magnetic es un detector de partículas colocado en la
Estación Espacial Internacional, y se encarga de buscar precisamente dichos restos.
• Dado que una pequeña cantidad de antimateria es capaz de producir grandes cantidades de
energía, la propulsión de vehículos impulsados por ella es hipotéticamente posible.
DATOS DE LA ANTIMATERIA
La antimateria cae constantemente a la Tierra en forma de rayos cósmicos y
partículas de energía; dichas “lluvias” caen en rangos 1<a<100 x m2. Parece
haber evidencia de producción de antimateria en las tormentas eléctricas.

44. Teoría de Cuerdas
Jöel Scherk John Schwarz
¿Cómo son las interacciones en el mundo
subatómico?: líneas espacio-tiempo como las
partículas subatómicas en el modelo estándar
(izquierda) o cuerda cerrada sin extremos y en forma
de círculo como afirma la teoría de cuerdas (derecha).
1.Materia.
2.Estructura molecular.
3.Átomos.
4.Electrones.
5.Quarks (protones y neutrones).
6.Cuerdas.
Teoría de Supercuerdas
Teoría de Cuerdas
Tipos
Dimensiones
Espaciales
Detalles
Bosónica 26
Solo bosones, no fermiones, significa solo fuerzas, no materia, con cuerdas abiertas
y cerradas; mayor defecto: una partícula con masa imaginaria llamada taquión
I 10
Supersimetría entre fuerza y materia, con cuerdas abiertas y cerradas, libre de
taquiones, grupo de simetría SO(32)
IIA 10
Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de
taquiones, fermiones sin masa que giran a ambas direcciones
IIB 10
Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de
taquiones. fermiones sin masa que giran en una sola dirección
HO 10
Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de
taquiones, heterótica, difieren entre cuerdas de movimiento derecho e izquierdo,
grupo de simetría es SO(32)
HE 10
Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de
taquiones, heterótica, difieren entre cuerdas de movimiento derecho e izquierdo,
grupo de simetría E8×E8
Representación visual de una
variedad de Calabi-Yau. Se
postula que las dimensiones
extras de la teoría de
supercuerdas tienen esta forma.

45. En este diagrama de Feynman, un electrón y un
positrón se aniquilan, produciendo un fotón
(representado por la onda sinusoidal azul) que
se convierte en un par quark-antiquark,
después de lo cual el antiquark irradia un gluón
representado por la hélice verde).
• La consistencia, la sofisticación y la belleza nunca son suficientes en
la investigación científica.
• La teoría de cuerdas es sospechosa (de pseudociencia). Parece
científica porque aborda un problema abierto que es a la vez
importante y difícil, el de construir una teoría cuántica de la
gravitación. Pero la teoría postula que el espacio físico tiene seis o
siete dimensiones, en lugar de tres, simplemente para asegurarse
consistencia matemática. Puesto que estas dimensiones extra son
inobservables, y puesto que la teoría se ha resistido a la confirmación
experimental durante más de tres décadas, parece ciencia ficción o,
al menos, ciencia fallida.
• La física de partículas está inflada con sofisticadas teorías
matemáticas que postulan la existencia de entidades extrañas que no
interactúan de forma apreciable, o para nada en absoluto, con la
materia ordinaria, y como consecuencia, quedan a salvo al ser
indetectables. Puesto que estas teorías se encuentran en
discrepancia con el conjunto de la Física, y violan el requerimiento de
falsacionismo, pueden calificarse de pseudocientíficas, incluso
aunque lleven pululando un cuarto de siglo y se sigan publicando en
las revistas científicas más prestigiosas.
Mario Bunge, 2006.
Mario Bunge
Richard Feynman
Si de verdad crees
haber entendido la
mecánica cuántica?
Es que en realidad,
no has entendido la
mecánica cuántica

46. TEORÍA DE LA MECÁNICA CUÁNTICA INCOMPLETA
ELEMENTO CONSTITUCIONAL DE LA TEORÍA
OPERACIÓN DE MEDIDA MEDIDA
CÓMO
DISTINGUIRLAS?
EL MUNDO DE LO MEDIBLE EL MUNDO DEL QUE MIDE
PARADOJA DEL
GATO DE
SCHRÖDINGER
PARADOJA DEL AMIGO DE WIGNER
TENEMOS 2 DESCRIPCIONES
DIFERENTES DEL MISMO
SISTEMA SEGÚN SEA EL
OBSERVADOR
CATÁSTROFE DE VON NEUMANN
EL UNIVERSO REQUIERE DE
CONCIENCIA PARA EXISTIR
EL FALLO MORTAL DE LA
MECÁNICA CUÁNTICA