La Revolución Cuántica

Presentación del tema: "La Revolución Cuántica"— Transcripción de la presentación:

1 La Revolución Cuántica

2 Francisco Soto Eguibar
La Revolución Cuántica Francisco Soto Eguibar Grupo de Óptica Cuántica Coordinación de Óptica Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica INAOE

3 La mayor aventura del pensamiento de la historia de la humanidad
La Mecánica Cuántica La mayor aventura del pensamiento de la historia de la humanidad

4 La física a finales del siglo XIX
Tratemos de sumergirnos en la Física de los finales del sigo XIX….. para ello continuemos con algunas de las preguntas fundamentales… ¿Qué es la luz?

5 ¿Qué es la luz?

6 La luz es una onda Huygens, 1678

7 La luz es una onda Huygens, 1678 Veamos rápidamente qué es una onda

8 Ondas 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 aire, agua, metal, etc. Las propiedades que sufren la perturbación pueden ser también variadas; por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico, campo magnético.

9 Ondas Una onda es un patrón de movimiento que puede transportar energía sin transportar agua con ella

10 Ondas

11 Ondas

12 Ondas

13 Ondas

14 Características de una onda
Desplazamiento Distancia

15 Características de una onda
La frecuencia: El número de veces que oscila por segundo

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17 La energía en una onda

18 ¿Qué es la luz?

19 La luz son partículas Newton, 1704

20 La luz son partículas Newton, 1704 ¿Qué es una partícula?

21 Particulas Las partículas son pelotas

22 La luz son partículas

23 Ondas versus Partículas
Una partícula está localizada en el espacio y tiene propiedades físicas discretas, tales como la masa

24 Ondas versus Partículas
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

25 Ondas versus Partículas
Las ondas se superponen y pasan unas a través de las otras, mientras que las partículas colisionan y rebotan alejándose unas de otras Ese oscuro objeto del deseo. Maria Schneider->Carole Bouquet y Ángela Molina

26 Ondas versus Partículas
Son cosas totalmente diferentes No sólo son diferentes, son contradictorias: Un objeto es onda o es partícula

27 La luz: Ondas vs Partículas
¿Cuál es la teoría correcta? Aquella que esté de acuerdo con las observaciones experimentales, la que concuerde con los hechos

28 Reflexión

29 Refracción

30 Doble refracción ó birrefringencia

31 La luz: Ondas vs Partículas
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”

32 La luz: Ondas vs Partículas
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

33 La luz: Ondas vs Partículas
Pero aún había mucho por descubrir, nuevos fenómenos que nadie imaginaba…..

34 La difracción y la interferencia de la luz
Thomas Young,

35

36 El experimento de Young

37 El experimento de la doble rendija con partículas

38 El experimento de la doble rendija con partículas

39 El experimento de la doble rendija con partículas
La teoría corpuscular de la luz está en contradicción con la experiencia. La teoría corpuscular de la luz no puede explicar el experimento de la doble rendija de Young

40 La interferencia

41 El experimento de Young

42 La luz: Ondas vs Partículas
La discusión sobre si la luz son ondas o son partículas revivió. No sólo revivió, sino que agarró una fuerza tremenda.

43 Punto brillante de Poisson. 1818

44 La luz: Ondas vs Partículas
La discusión sobre si la luz son ondas o son partículas revivió. 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 era una onda.

45 La luz: Ondas vs Partículas
La reflexión. Las dos teorías La refracción. Las dos teorías La doble refracción. Las dos teorías La interferencia. Sólo la ondulatoria

46 La difracción

47 La luz: Ondas vs Partículas
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

48 Los fenómenos eléctricos
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

49 Los fenómenos magnéticos
Los imanes. Los griegos Tiene dos polos Los polos iguales se rechazan, los diferentes de atraen La brujula

50 Los fenómenos eléctricos y magnéticos
Durante la primera mitad del siglo XIX se estudiaron los fenómenos electromagnéticos. Gian Domenico Romagnosi, Oersted, Ampere, Henry, Faraday, Maxwell

51 En 1864, James Clerk Maxwell reflexionaba y entonces oyo una voz y ….

52

53 ¿Por qué?

54 La teoría electromagnética
En 1864, James Clerk Maxwell unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos, en la teoría electromagnética, mediante la formulación de sus famosas Ecuaciones de Maxwell

55 La teoría electromagnética
Quedó clarísimo que los fenómenos eléctricos y magnéticos son diferentes manifestaciones de una misma cosa, los fenómenos electromagnéticos

56 Las ecuaciones de Maxwell equivalen a una ecuación de onda
¡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 ….

57 !La luz es una onda electromagnética!
Y se hizo la luz ….. !La luz es una onda electromagnética!

58 ¿Será cierto?

59 La teoría electromagnética
Era tan “oscuro” que Hemholtz, en 1881, 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

60 Los trabajos de Hertz 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. VHF (Very high frequency) is the radio frequency range from 30 MHz to 300 MHz. Ultra high frequency (UHF) designates a range of electromagnetic waves with frequencies between 300 MHz and 3 GHz (3,000 MHz). Also known as the decimetre band or decimetre wave as the wavelengths range from one to ten decimetres (10 cm to 1 metre).

61 ¡Irónicamente descubrió también el Efecto Fotoeléctrico!
Los trabajos de Hertz 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. ¡Irónicamente descubrió también el Efecto Fotoeléctrico! VHF (Very high frequency) is the radio frequency range from 30 MHz to 300 MHz. Ultra high frequency (UHF) designates a range of electromagnetic waves with frequencies between 300 MHz and 3 GHz (3,000 MHz). Also known as the decimetre band or decimetre wave as the wavelengths range from one to ten decimetres (10 cm to 1 metre).

62 La luz es una onda electromagnética

63 La luz es una onda electromagnética
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

64 La luz es una onda electromagnética

65 La luz es una onda electromagnética
La luz visible va de 0.4 a 0.7 micras Por ejemplo, el color verde corresponde a una longitud de onda de micras y una frecuencia de 6.14x1014 Hertz

66 La luz es una onda electromagnética
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 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.

67 Nuestro ojo no ve más que cierto tipo de luz
Luz visible Infrarrojo Ultravioleta Rayos X Rayos Gama Microondas Ondas de radio

68 ¿Por qué sólo vemos eso?

69 El espectro de la luz

70 Paréntesis: El científico y el ingeniero
Heinrich Hertz “I do not think that the wireless waves I have discovered will have any practical application”

71 Paréntesis: El científico y el ingeniero
Alexander Stepanovich Popov Heinrich Hertz Nikola Tesla Guglielmo Marconi “I do not think that the wireless waves I have discovered will have any practical application”

72 La luz es una onda electromagnética
Todo cuadraba perfectamente. La teoría electromagnética era capaz de explicar las leyes de la óptica: La reflexión, la refracción, la interferencia, la difracción, etc.

73 La luz: Ondas vs Partículas
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

74 ¿Cuál es el medio que vibra? ¿En qué medio se propaga la luz?

75 ¿Cuál es el medio que vibra? ¿En qué medio se propaga la luz?
En el éter… La luz era una onda electromagnética que se propagaba en el éter, que a su vez llenaba todo el espacio.

76 La física a finales del siglo XIX
Tratemos de sumergirnos en la Física de los finales del sigo XIX….. para ello continuemos con algunas de las preguntas fundamentales… ¿Qué es la luz?

77 La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter
¿Qué es la luz? La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter

78 La física a finales del siglo XIX
Tratemos de sumergirnos en la Física de los finales del sigo XIX….. para ello empecemos con algunas de las preguntas fundamentales… ¿Cómo es el mundo? Newton y Maxwell nos han explicado todo

79 La física a finales del siglo XIX

80 La física a finales del siglo XIX
Mecánica Electromagnetismo Óptica Termodinámica Teoría cinética de los gases

81 El concepto del mundo al final del siglo XIX
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 Laplace went in state to beg Napoleon to accept a copy of his work, and the following account of the interview is well authenticated, and so characteristic of all the parties concerned that I quote it in full. Someone had told Napoleon that the book contained no mention of the name of God; Napoleon, who was fond of putting embarrassing questions, received it with the remark, "M. Laplace, they tell me you have written this large book on the system of the universe, and have never even mentioned its Creator." Laplace, who, though the most supple of politicians, was as stiff as a martyr on every point of his philosophy, drew himself up and answered bluntly, "Je n'avais pas besoin de cette hypothèse-là (I did not need to make such an assumption)." Napoleon, greatly amused, told this reply to Lagrange, who exclaimed, "Ah! c'est une belle hypothèse; ça explique beaucoup de choses (Ah! that is a beautiful assumption; it explains many things)." Sacado del artículo sobre Laplace en la Wikipideia

82 La física a finales del siglo XIX
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.

83 La física a finales del siglo XIX
The Munich physics professor Philipp von Jolly advised Planck 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, but only to understand the known fundamentals of the field, and so began his studies in 1874 at the University of Munich. Wikipedia

84 La física a finales del siglo XIX
Cita de Albert Abraham Michelson: Las leyes fundamentales y los hechos más importantes de la física han sido todos descubiertos, y están tan firmemente establecidos que la posibilidad que alguna vez sean suplantados como consecuencia de nuevos descubrimientos es extremadamente remota The more important fundamental laws and facts of physical science have all been discovered, and these are so firmly established that the possibility of their ever being supplanted in consequence of new discoveries is exceedingly remote.

85 La física a finales del siglo XIX
Cita de Albert Abraham Michelson: …..las verdades futuras de la física tienen que ser buscadas en la sexta cifra decimal “…nuestros descubrimientos futuros deben ser buscados en la sexta cifra decimal” Cita de Albert Abraham Michelson: ....the future truths of physical science are to be looked for in the sixth place of decimals. "...Many instances might be cited, but these will suffice to justify the statement that "our future discoveries must be looked for in the sixth place of decimals." Light Waves and Their Uses. By Albert A. Michelson. Published by The University of Chicago Press, 1903, pp

86 La física a finales del siglo XIX
William Thomson Kelvin (Lord Kelvin): Dos pequeñas nubes en el horizonte El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley El problema del cuerpo negro Dos nubes aun hacen sombra en la reputación de Lord Kelvin. Peter A. Schulz Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 29, n. 4, p , (2007)

87 La física a finales del siglo XIX
There are more things in Heaven and Earth, Horatio, than are dreamt of in your philosophy ― William Shakespeare, Hamlet Hay más cosas en el Cielo y en la Tierra, Horacio, que sueños en tu filosofía

88 La física a finales del siglo XIX
Tratemos de sumergirnos en la Física de los finales del sigo XIX….. para ello continuemos con algunas de las preguntas fundamentales… ¿Qué es la luz?

89 La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter
¿Qué es la luz? La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter

90 La luz: Ondas vs Partículas
Pero aún había mucho por descubrir, nuevos fenómenos que nadie imaginaba…..