Introducción a la Física Moderna: De Newton al LHC José Miguel No Pablo Roig.

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1 Introducción a la Física Moderna: De Newton al LHC José Miguel No Pablo Roig

2 El mundo antes del siglo XX  Ley de la gravitación: F = 0  Velocidad constante Inercia 1. Los cimientos de la física Isaac Newton Finales del Siglo XVII 3. Acción Reacción F = m a 2. Fuerza  aceleración (variación de la velocidad) F  Leyes del movimiento:

3 El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la física Principio de Relatividad : Propiedades (simetrías) que determinan para qué observadores las leyes de la Física son iguales. Estudio de cómo se transforman en otros casos… Observador Sistema de Referencia X Y Z “Las leyes Físicas son las mismas para un observador en reposo y otro moviéndose con velocidad constante con respecto a él” Tiovivo, Ascensor,… Sistemas acelerados:

4 El mundo antes del siglo XX Sistemas de Referencia: ¿ Cómo mide desplazamientos, tiempos, velocidades, cada uno de nosotros? Los cimientos de la física X Y Z ¿ Cómo pasamos de uno a otro? X Y Z X´ Y´ Z´ V ¿Cómo ven distintos observadores un mismo fenómeno? Galileo

5 El mundo antes del siglo XX Diferencia entre el tiempo y el espacio 2 metros 1 metro El espacio es relativo Los cimientos de la física

6 El mundo antes del siglo XX Diferencia entre el tiempo y el espacio El tiempo NO es relativo ¡ A las 5! Los cimientos de la física

7 El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la física James C. Maxwell Mediados del Siglo XIX  Leyes de la electricidad N S N S NS N S  Leyes de la electricidad y el magnetismo: · Leyes del ElectroMagnetismo: NS Ley de Coulomb Velocidad de la luz Las cargas eléctricas en movimiento “ven” el campo magnético!! Las corrientes eléctricas producen campo magnético!! Ecuaciones de Maxwell:

8 El mundo antes del siglo XX ¿Qué es la luz? Diferencia entre Partícula y Onda: LocalizadaDeslocalizada Los cimientos de la física

9 El mundo antes del siglo XX ¿Cómo se diferencia entre Partícula y Onda? Así es la LUZ Los cimientos de la física ¿Qué es la luz?

10 El mundo antes del siglo XX ¿Dónde se propaga la luz? ¡La luz no necesita un medio para propagarse! ¿Cómo puede ser? Es una onda electromagnética Los cimientos de la física (Luego hablaremos del “Eter”) Las ondas normalmente necesitan un medio “soporte”.

11 El mundo antes del siglo XX ¿Qué diferencia los colores? Tienen diferente FRECUENCIA  Los cimientos de la física

12 El mundo antes del siglo XX ¿Y si oscila más rápido que el azul o más lento que el rojo? Los cimientos de la física

13 El mundo antes del siglo XX Lord Kelvin, 1901 “La física es un conjunto perfectamente armonioso y en lo esencial acabado, en el que sólo veo dos pequeñas nubes oscuras” Radiación del cuerpo negro Existencia del éter

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15 H. A. Lorentz A. Einstein H. Minkowski H. Poincaré G. F. Fitzgerald

16 La revolución del siglo XX Einstein (1905): Relatividad Especial Problemas con la teoría de Maxwell Constancia de la velocidad de la luz Todos los observadores miden la misma velocidad para la luz ¿Qué significa esto? 60 km/h 40 km/h El coche azul ve pasar al rojo a 20 km/h El coche azul ve pasar al rojo a 100 km/h 40 km/h c c ¡En ambos casos el coche azul ve pasar la luz a c!

17 La revolución del siglo XX Una de las primeras consecuencias de la Relatividad Especial es que nada puede moverse más rápido que la luz c 300.000 km/s Bueno… 299.792 km /s

18 La constancia de “c” es algo muy extraño… X Y Z X´ Y´ Z´ V ¡El tiempo depende del observador! Lorentz- Einstein Galileo

19 La revolución del siglo XX ¡Paradoja de los gemelos! …y esto está comprobado.

20 La revolución del siglo XX Energía Masa Energía Nuclear 20% de la energía producida en España Un electrón y un positrón se aniquilan y producen energía (radiación)

21 La revolución del siglo XX Newton: Tiempo inmutable – Einstein: Tiempo relativo E=mc 2 Energía y masa deben jugar el mismo papel Einstein (1916): Relatividad General El espacio-tiempo es curvo La energía curva el espacio-tiempo y los cuerpos se mueven según esta curvatura Ecuaciones de Einstein: Geometría del Espacio-TiempoEnergía

22 La revolución del siglo XX Newton: 575´´ por siglo Observación: 532´´ por siglo Relatividad General: ¡¡532´´ por siglo!!

23 La revolución del siglo XX Si el espacio es curvo… ¡la luz también debe desviarse por acción de la gravedad! Eclipse en 1919 Se confirma el efecto Einstein se convierte en una estrella mundial

24 La revolución del siglo XX

25 Y numerosas aplicaciones… Satélites GPS

26 La revolución del siglo XX Materia y radiación en el universo Forma del universo Pero de pronto, una sorpresa… Hubble (1929) “Todo se aleja de nosotros” Posibilidad 1: Somos el centro Posibilidad 2: ¡Todos se alejan de todos! Expansión del universo Big Bang

27 A. Einstein N. Bohr W. HeisenbergP. A. M. Dirac E. Schrödinger M. Planck

28 Radiación del cuerpo negro classical arguments (Argumentos clásicos) Catástrofe UV (Empírica)

29 Circuitos impresos (Si) Diodo Transistor Materiales semiconductores: revolución tecnológica actual MICROELECTRÓNICA Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX Walter H. Schottky

30 LED’s RGB Azul (GaN)U.V (Si) Ventajas: Bajo consumo y alta eficiencia OPTOELECTRÓNICA Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX Tubos fluorescentes Iluminación: Conseguir luz blanca Sustitución de bombillas y tubos fluorescentes Iluminación de ciudades Láseres Investigación Códigos de barras Metrología Telecomunicaciones Medicina

31 Células solares Investigación espacial Energías renovables Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX

32 Física actual ¿Materia oscura? ¿¿Energía oscura?? ¡No sabemos qué es el 96% del universo! SEMINARIO LUNES 10: Frontiers in Physics: Particle Physics and Cosmology

33 Física actual ¿Qué es la masa? Newton Einstein “Los cuánticos” La masa es una propiedad de las partículas Peter Higgs Pero ahora pensamos otra cosa… La masa es un efecto de la interacción con una partícula… EL BOSÓN DE HIGGS Nadie lo ha visto todavía… SEMINARIO LUNES 10: Frontiers in Physics: Particle Physics and Cosmology

34 Física actual 27 km de longitud Detectores gigantescos SEMINARIO LUNES 10: Frontiers in Physics: Particle Physics and Cosmology

35 Física actual Instalaciones subterráneas Millones de partículas producidas ¡La relatividad en funcionamiento! SEMINARIO LUNES 10: Frontiers in Physics: Particle Physics and Cosmology

36 Física actual El experimento más caro de la historia (6000 millones de euros) ¡Y se ha puesto en marcha en 09/08 (09/09)! La máquina más grande del mundo (27 km de longitud – 8,5 km de diámetro) Temperaturas extremadamente bajas (1.9 K = - 271ºC) SEMINARIO LUNES 10: Frontiers in Physics: Particle Physics and Cosmology

37 Física actual SEMINARIO LUNES 10: Frontiers in Physics: Particle Physics and Cosmology

38 SKIPPED SLIDES http://www.phys.unsw.edu.au/einsteinlight/jw/text_module1.htm http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/index.html

39 Efecto fotoeléctrico Longitud de onda asociada a partículas  h/(mv) Einstein, 1905 De Broglie, 1925 Ecuación de Schrödinger 1928 También Heisenberg, Dirac, Bohr, Von Neumann, …

40 Relación de indeterminación de Heisenberg 1927 El átomo de hidrógeno Gran precisión: Teoría Cuántica de Campos Dirac, Fock, Pauli, Tomonaga, Schwinger, Feynman, Dyson, …

41 La revolución del siglo XX Teoría cuántica de la luz La luz está formada por partículas: FOTÓN La luz presenta comportamientos ONDULATORIOS DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO

42 La revolución del siglo XX Teoría cuántica de la materia Búsqueda de fenómenos ONDULATORIOS en partículas Louis de Broglie Difracción de electrones Microscopio electrónico ¿DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO?

43 La revolución del siglo XX Comportamiento cuántico Luz y materia se comportan como partículas: LOCALIZACIÓN Luz y materia se comportan como ondas: DESLOCALIZACIÓN INTERACCIÓN SUPERPOSICIÓN

44 El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la Física: James C. Maxwell · Leyes del Electro-Magnetismo Mediados del siglo XIX NS

45 El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la Física: James C. Maxwell · Leyes de la Electricidad Mediados del siglo XIX

46 El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la Física: James C. Maxwell · Leyes de la Electricidad Mediados del siglo XIX

47 El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la Física: James C. Maxwell · Leyes de la Electricidad y el Magnetismo Mediados del siglo XIX NSNS

48 Semáforos Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX

49 Iluminación: Conseguir luz blanca Sustitución de bombillas y tubos fluorescentes Iluminación de ciudades Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX

50 Láseres Dimensiones realmente pequeñas Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX Investigación Códigos de barras Metrología Telecomunicaciones Medicina

51 Física actual …nadie sabe cómo unir Relatividad General y Física Cuántica

52 El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la Física: ¿ Cómo pueden interaccionar dos objetos sin tocarse?

53 El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la Física: ¿ Cómo pueden interaccionar dos objetos sin tocarse?

54 Física actual Ordenadores Cuánticos: ¿Quién conseguirá ser el dueño del mundo primero?