UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZAN FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS EAP INGENIERIA INDUSTRIAL FISICA MODERNA VICTOR CABRERA ABANTO.

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZAN FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS EAP INGENIERIA INDUSTRIAL FISICA MODERNA VICTOR CABRERA ABANTO

2 ALGUNAS COSAS ENTORNO A LA FISICA MODERNA FISICA MODERNA

3 “ESTUDIA LOS FENOMENOS QUE PRODUCE LA CONSTANCIA DE LA VELOCIDAD DE LA LUZ Y ORDENES DEL TAMAÑO DE DEL ATOMO” FISICA MODERNA ¿QUÉ ESTUDIA LA FISICA MODERNA?

4 FISICA MODERNA  SIGLO XX  MAX PLANCK Y SUS CUANTOS DE ENERGIA: COMO PARTICULAS INDIVISIBLES, POR LO TANTO NO SON CONTINUAS.  LA DUALIDAD DE LA LUZ.  RELATIVIDAD  DESCUBRIMIENTOS DE OTRAS GALAXIAS.  SUPERCONDUCTIVIDAD, EL NUCLEO ATOMICO, NUEVAS TECNOLOGIAS: TV, RADAR, FIBRA OPTICA, EL ORDENADOR, … ALGUNOS HITOS

5  TEMAS DE LA RELACION ENTRE LAS FUERZAS QUE RIGEN LA NATURALEZA: “GRAVEDAD, ELECTROMAGNETISMO, ENERGIA NUCLEAR FUERTE Y NUCLEAR DEBIL” COMPRENDER Y LOGRAR UNA TEORIA DE LA UNIFICACION Y ASI ENTENDER EL UNIVERSO Y SUS PARTICULAS. FISICA MODERNA ¿QUÉ ESTUDIA LA FISICA MODERNA?

6 CONCEPTOS PREVIOS DE LA FISICA CLASICA  CONSERVACION DEL MOMENTO LINEAL  CONSERVACION DEL MOMENTO ANGULAR  CONSERVACION DE LA ENERGIA  CAMPOS LEYES DE CONSERVACION

7 CONCEPTOS PREVIOS DE LA FISICA CLASICA  MOVIMIENTO ARMONICO SIMPLE  MOVIMIENTO ARMONICO AMORTIGUADO  MOVIMIENTO ARMONICO FORZADO  PENDULOS OSCILACIONES

8 ONDAS MECANICAS  ¿QUÉ ES UNA ONDA MECANICA?  ELEMENTOS DE UNA ONDA MECANICA  TIPOS DE ONDAS MECANICA  APLICACIONES CONCEPTOS PREVIOS DE LA FISICA CLASICA

9 ONDAS ELECTROMAGNETICAS  ¿QUÉ ES UNA ONDA ELECTROMAGNETICA?  TEORIADE LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS  ESPECTRO DE LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS CONCEPTOS PREVIOS DE LA FISICA CLASICA

10 LA LUZ  FENOMENOS ONDULATORIOS DE LA LUZ  FENOMENOS CORPUSCULARES DE LA LUZ  MEDICIONES DE LA VELOCIDAD DE LA LUZ CONCEPTOS PREVIOS DE LA FISICA CLASICA

11  VACIO FISICO  EL ESPEJO DEL ESPACIO-TIEMPO  LA MEDIDA DEL ESPACIO-TIEMPO  MATERIA Y ESPACIO-TIEMPO. ESPACIO Y TIEMPO CONCEPTOS PREVIOS DE LA FISICA CLASICA

12 RELATIVIDAD CLASICA  LIMITES DEL SENTIDO COMUN  PRINCIPIO CLASICO DE LA RELATIVIDAD  INVARIANCIA DE LA CONSERVACION DEL MOMENTO LINEAL  INVARIANZA DE LAS LEYES DE NEWTON CONCEPTOS PREVIOS DE LA FISICA CLASICA

13 PERCEPCION DEL MUNDO NATURAL CUANDO PERCIBIMOS NUESTRO MUNDO TRIDIMENSIONAL AFIRMAMOS CONTIENE OBJETOS, EVENTOS, … ¿CÓMO SE ENCADENAN ESTOS CON EL TIEMPO? … ¿CÓMO FUNCIONA LA CAUSALIDAD …? POR EL MOMENTO PODEMOS AFIRMAR:

14 ESPACIO NATURAL EL MUNDO NATURAL ESTA CONTENIDO DENTRO DE UN CONTINUO “TETRADIMENSIONAL” LLAMADO ESPACIO-TIEMPO… ¿ SERA VALIDO POR SIEMPRE?

15 Y… ¿QUÉ ES EL ESPACIO- TIEMPO? ANTES, … TENEMOS QUE DEFINIR ALGUNAS COSITAS, POR EJEMPLO EL VACIO FISICO, LUEGO DEFINIMOS EL ESPACIO-TIEMPO

16 SENTIDO COMUN DEL VACIO VOLUMEN DE ESPACIO DONDE NO EXISTE NADA, ABSOLUTAMENTE NADA.

17 EXPERIMENTO PARA VERIFICAR EL CONTENIDO DEL VACIO IMAGINAR UNA ESFERA CERRADA CON REFLEXION INTERNA TOTAL, EXTRAEMOS TODA LA MATERIA QUE EXISTE DENTRO, CON LA ULTIMA TECNOLOGIA, DEJAMOS UN PEQUEÑO AGUJERO y LO SELLAMOS CON UN MATERIAL TRANSPARENTE, ENTONCES TENEMOS UN VACIO AL ESTILO “SENTIDO COMUN”.

18 … la iluminamos, para ver que hay dentro EXPERIMENTO PARA VERIFICAR EL CONTENIDO DEL VACIO

19 Como las luz no puede escapar, gran parte se queda dentro, porque la salida es pequeña EXPERIMENTO PARA VERIFICAR EL CONTENIDO DEL VACIO

20 SI SEGUIMOS EL COLOR DEL INTERIOR VA CAMBIANDO HACIA EL AZUL, SIGNO DE AUMENTO DE TEMPERATURA ¡¡ LA TEMPERATURA AUMENTA!! EXPERIMENTO PARA VERIFICAR EL CONTENIDO DEL VACIO

21 EN EL INTERIOR, DEBIDO A LA COLISION DE DOS FOTONES, SE MOSTRARAN DOS ELECTRONES UNO POSITIVO Y EL OTRO NEGATIVO. QUE PODRIAMOS REPRESENTARLO ASI ¡¡EL VACIO YA NO ESTA VACIO!! ¿DE DONDE SALIERON? EXPERIMENTO PARA VERIFICAR EL CONTENIDO DEL VACIO

22  ESTOS DOS ELECTRONES PERTENECEN A LA FAMILIA DE LOS FERMIONES. (Q y L), SON PROFUNDAMENTE DISTINTOS ENTRE SI, PERO MUY PARECIDOS.  EL FOTON ES UN BOSON QUE EN ESTADO DE REPOSO DEJA DE EXISTIR.

23 ¿DE DONDE SALIERON LOS ELECTRONES?  DEBIERON ESTAR EN EL VACÍO, PERO EN ESTADO VIRTUAL, FUERON TRAÍDOS A UNA EXISTENCIA DETECTABLE POR LA COLISIÓN DE LOS DOS FOTONES.  ENTONCES EL VACÍO ES UN ESTADO DEL ESPACIO-TIEMPO, QUE NO CONTIENE PARTÍCULAS DETECTABLES, SIN EMBARGO ALGUNA ESPECIE DE ACCIÓN APLICADA AL ESTADO DE VACÍO, APARECEN DOS ELECTRONES EN UN “ESTADO CORPUSCULAR”.

24 Estado virtual Estado detectable ESTOS ELECTRONES SON PARECIDOS, PERO OPUESTOS, EL PROCESO CONTINUA Y SEGUIRÁN APARECIENDO LOS PARES E+ Y E-, DE TAL MANERA QUE ELLOS TAMBIÉN PUEDEN COLISIONAR. ANIQUILAMIENTO DE MATERIA Y ANTIMATERIA EXPERIMENTO PARA VERIFICAR EL CONTENIDO DEL VACIO

25 La luz sigue ingresando y colisionando entre sí, con los electrones, la aparición de otras partículas es evidente, como los muones (+,-) (radiactivos) La temperatura es ALTA, aparecen otras partículas, (PIONES), SIGUE SUBIENDO LA TEMPERATURA Y APARECEN LOS pares protón y antiprotón, neutrón y antineutrón, es decir elementos que constituyen los núcleos atómicos. EXPERIMENTO PARA VERIFICAR EL CONTENIDO DEL VACIO

26 ¿DE DONDE VINIERON? DE ESTADOS VIRTUALES EN EL VACIO ENTONCES ¿ESTUVO VACIO EL VACIO? NO, TIENE UN SURTIDO DE INIMAGINABLE DE PARTICULAS A UNA TEMPERATURA DEFINIDA EXPERIMENTO PARA VERIFICAR EL CONTENIDO DEL VACIO

27 PODEMOS EXPONER UN OBJETO CON UNA DISTRIBUCIÓN DE CARGAS ANTE UNA PLACA DE COBRE PULIDA Y CONECTADA A TIERRA. VEREMOS COMO UNA IMAGEN INVERTIDA DE LA DISTRIBUCIÓN DE CARGA. - - -- + + + - - - + ++ - - - + + + - - -- + + + - - - + ++ - - - + + + EL OBJETO Y SU IMAGEN OPTICA ESPEJO ESPACIO - TIEMPO

28 LA DISTRIBUCION ESTA INVERTIDA EN SIGNO ELECTRICO, ES DECIR EL ESPACIO- TIEMPO SE COMPORTA COMO UN ESPEJO PERFECTO, LAS PROPIEDADES ESTA FIELMENTE CONTENIDA EN SU IMAGEN. - - -- + + + - - - + ++ - - - + + + - - -- + + + - - - + ++ - - - + + + EL OBJETO Y SU IMAGEN OPTICA

29 ESPEJO ESPACIO - TIEMPO AL PARECER COMPORTA COMO UN ESPEJO PERFECTO, Y NO IMPORTA QUIEN ES LA IMAGEN Y EL OBJETO. A PESAR DE ESO UN OBSERVADOR EN ESTADO REAL DIRA QUE EL REFLEJO ES LA ANTIMATERIA. NO SE HA DETERMINADO QUE LA PROPIEDAD VIDA NO ES REFLEJADA EN EL ESPACIO-TIEMPO, SINO LA AUSENCIA DE VIDA.

30 ESPEJO ESPACIO - TIEMPO ¿ ES POSIBLE ALGUN IMPACTO ENTRE LA PARTICULA Y LA ANTIPARTICULA? ¡SI!, EN ESE CASO SE DESVANECEN COMPLETAMENTE Y SURGIRIA FOTONES O PIONES. LAS PROPIEDADES DE LA NATURALEZA SON REFLEJADAS EN EL ESPACIO-TIEMPO, ESTAS REFLEXIONES SON LA ANTIMATERIA.

31 MEDIDA DEL ESPACIO TIEMPO  LA MEDICION DE LA MASA, TIEMPO, FUERZA, MOMENTO LINEAL, CARGA ELECTRICA Y OTROS, SE PUEDEN EXPRESAR MEDIANTE LOS INTERVALOS DE TIEMPO Y ESPACIOS.  LOS CIENTIFICOS DIVIDEN EN PEQUEÑOS INTERVALOS HASTA EL INFINITESIMAL.  ESTO HACE PENSAR QUE EL ESPACIO ES UN CONTINUO Y LAS MATEMATICAS SERIAN MAS SIMPLES SI EXISTIERAN UN INTERVALO MAS PEQUEÑO PERO FINITO.  NO SE HA CONSTRUIDO NINGUNA TEORÍA COHERENTE DE LA FISICA SOBRE LA BASE DE UNA ESTRUCTURA NO CONTINUA DISCRETA DEL ESPACIO-TIEMPO.

32 MATERIA ESPACIO-TIEMPO CLASICAMENTE CONSIDERAMOS A LA MATERIA CONTENIDA EN EL ESPACIO, SIN EMBARGO LA FISICA MODERNA POSTULA: 1.-LA MATERIA ES PROPIEDAD DEL ESPACIO TIEMPO. 2.-LAS FUERZAS SON MANIFESTACIONES DE ALGUNAS CURVATURAS PARTICULARES EN EL ESPACIO-TIEMPO Y QUE PRODUCEN ACELERACIONES, SON MODELOS QUE POSIBLEMENTE PROVIENEN DE SUTUACIONES COMPLEJAS EN LA CUAL LA CURVATURA PRODUCE LA MASA. EL CONTINUO TETRA-DIMENSIONAL SON ESTRUCTURAS GEOMETRICAS INTRINSECAS, DE LEYES GEOMETRICAS ES EL MODELO IDEAL DEL MUNDO REAL A NUESTRO ALREDEDOR EN EL ESPACIO Y EN EL TIEMPO, CON TODO LO QUE TIENE, INCLUYENDO SU COMPORTAMIENTO TOTAL, EL DESPLIEGUE DE TODOS LOS EVENTOS QUE EN EL TIENEN LUGAR.

33 ESPACIO-TIEMPO ES UN CONTINUO (PUEDE SER DISCRETO), QUE SE COMPORTA COMO UN ESPEJO PERFECTO, QUE SUMINISTRA UNA IMAGEN COMPLETA PERO INVERTIDA DE CADA PARTICULA EN EL UNIVERSO. PUEDE SER PASIVO O CAUSA DE TODOS LOS FENOMENOS FISICOS POR Y A TRAVES DE SU PROPIA GEOMETRIA INTRINSECA.

34 FÍSICA CLÁSICA DEBIENDO ESTUDIARSE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA, MOMENTO LINEAL Y MOMENTO ANGULAR

35 FÍSICA CLÁSICA MECANICA CLASICA GALILEO G.------ CINEMATICA ---- TIEMPO NEWTON ------------ CAUSAS -------C. INFIN COMO EN EL MUNDO MICRO NO FUNCIONA, OBLIGA A DESARROLLAR NUEVAS HERRAMIENTAS: LA TEORIA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL Y LA MECANICA CUANTICA.

36 F. CLASICA CONSERVACIÓN DEL NUMERO TOTAL DE NUCLEONES EN UNA REACCION NUCLEAR, NUMERO DE LEPTONES Y BARIONES. SE CONSIDERA QUE EL SISTEMA ORTOGONAL SE USA COMO “marco de referencia” LAS COORDENADAS X, Y y Z SON INDEPENDIENTES ENTRE SI.

37 F. CLASICA LA MASA INERCIAL ESTA RELACIONADO CON LA FUERZA, ES MEDIDA DE OPOSICION QUE UN CUERPO EXPERIMENTA PARA SER ACELERADO. LA MASA INERCIAL ES CONSTANTE Y UNIVERSAL INDEPENDIENTE DE EFECTOS EXTERIORES, FUERZA, TEMPERATURA O VELOCIDAD.

38 Conservación del momento lineal “PARA UN SISTEMA DE PARTICULAS EL MOMENTO LINEAL TOTAL DEL SISTEMA PERMANECE CONSTANTE.” L. DE CONSERVACION

39 CONSERVACION DEL MOMENTO ANGULAR PARA UN SISTEMA DE MUCHAS FUERZAS Y MUCHOS CUERPOS, CUANDO LAS FUERZAS INTERNAS SE CANCELAN, EL TORQUE ES:

40 CONSERVACION DE LA ENERGIA PARA TRABAJO REALIZADOS POR FUERZAS CONSERVATIVAS Y NO CONSERVATIVAS: W ab (conservativo)+W ab (no conservativo)= K b -K a

41 RELATIVIDAD CLASICA PRINCIPIO CLASICO DE LA RELATIVIDAD “TODAS LAS LEYES DE LA MECANICA DEBEN SER LOS MISMOS PARA TODOS LAS OBSERVACIONES QUE MUEVEN LOS UNOS RESPECTO A LAS OTRAS A VELOCIDAD CONSTANTE” M(x 1,y 1,z 1,t 1 ) M(x 2,y 2,z 2, t 2 ) r1r1 r2r2 S1S1 S2S2

42 RELATIVIDAD CLASICA M(x 1,y 1,z 1,t 1 ) M(x 2,y 2,z 2, t 2 ) r1r1 r2r2 S1S1 S2S2 vtx2x2 x1x1

43 Respecto a la velocidad: v 1 es la velocidad del evento M medido por S 1 Como ambos miden la misma aceleración, entonces la aceleración es un invariante, en consecuencia la fuerza también lo es. v 2 es la velocidad del evento M medido por S 2 u son velocidades instantanea

44 LA VELOCIDAD DE LA LUZ DE LA TEORIA ELECTROMAGNETICA TENEMOS “S 1 ” VE QUE LA LUZ DESPLAZA CON UNA RAPIDEZ: C+V EVENTO (LUZ) S1S1 S2S2 C V

45 LA VELOCIDAD DE LA LUZ DE LA TEORIA ELECTROMAGNETICA TENEMOS LAS ONDAS SE PROPAGAN EN EL VACIO, CON UNA RAPIDEZ DE C, NO NECESITA UN MEDIO. LA LEYES DE LA ELECTRICIDAD Y DEL MAGNETISMO TOMARIAN UNA FORMA SIMPLE EN UN MARCO DE REFERENCIA EN REPOSO CON RESPECTO AL ETER. LAS LEYES ELECTROMAGNETICAS ¿DEBEN MODIFICARSE EN CUALQUIER MARCO DE REFERENCIA QUE SE MOVIERA RESPECTO AL DE REFERENCIA DEL ETER?

46 INVARIANTES: La conservación del momento lineal La conservación del momento angular Las leyes de newton La conservación de la energía …

47 EL EXPERIMENTO DE MICHELSON MORLEY

48 A - Fuente de luz monocromática B - Espejo semirreflectante C – Espejos D - Diferencia de camino EL TIEMPO DE VIAJE DE IDA Y VUELTA ES MUY PEQUEÑA (10 -12 SEG) TAL VALOR SE PODIA MEDIR USANDO EL INTERFEROMETRO DE MM. EL EXPERIMENTO DE MICHELSON MORLEY

49  SE COMPONE DE UNA LENTE SEMIPLATEADA, QUE DIVIDE LA LUZ MONOCROMÁTICA EN DOS HACES DE LUZ QUE VIAJAN EN UN DETERMINADO ÁNGULO EL UNO RESPECTO AL OTRO.  AL ABANDONAR LA DIVISIÓN, CADA HAZ SE REFLEJA VARIAS VECES ENTRE UNOS DETERMINADOS ESPEJOS.  FINALMENTE SE VUELVEN A UNIR, CREANDO UN PATRÓN DE INTERFERENCIA QUE DEPENDE DE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN LOS DOS BRAZOS DEL INTERFERÓMETRO. CUALQUIER DIFERENCIA EN ESTA VELOCIDAD PROVOCADA POR LA DIFERENTE DIRECCIÓN DE MOVIMIENTO DE LA LUZ CON RESPECTO AL MOVIMIENTO DEL ÉTER SERÍA DETECTADA.

50 EL EXPERIMENTO DE MICHELSON MORLEY

51 TIEMPO TOTAL DE IDA Y VUELTA DE M1-M-M1 TIEMPO TOTAL DE IDA Y VUELTA DE M2-M-M2 EL TIEMPO PARALELO ES MA YOR QUE EL TIEMPO PERPENDICULAR

52 EL EXPERIMENTO DE MICHELSON MORLEY LOS TIEMPOS RESULTARON SER IGUALES ¿EXISTE EL ETER? ¿RECHAZAMOS LA COMPOSICION GALILEANA? ¿ACEPTAMOS LA VELOCIDAD DE LA LUZ ES LA MISMA PARA AMBOS OBSERVADORES INERCIALES S1 Y S2? ¿CÓMO SERA LAS ECUACIONES DE TRANSFORMACIÓN PARA DIFERENTES OBSERVADORES?

53 X1X1 X2X2 Y1Y1 Z1Z1 Y2Y2 Z2Z2 M r1r1 r2r2 v

54 SOLUCION VELOCIDAD DEL ETER ERA NULA RECHAZAR LA COMPOSICIÓN DE VELOCIDADES ACEPTAR QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ ES LA MISMA PARA AMBOS SISTEMAS DE REFERENCIA ES DECIR LOS TIEMPOS PARA AMBOS OBSERVADORES ERAN DIFERENTES LORENTZ PLANTEÓ LAS SIGUIENTES ECUACIONES:

55 Al resolver obtenemos: Reemplazando en las ecuaciones anteriores:

56 Estas son las ecuaciones de transformación que mide el observador s 2. Note que todas las componentes de la velocidad quedan afectadas por la velocidad v 1x. Cuando β= (v/c)  0, tenemos las ecuaciones de transformación clásica

57 CONSECUENCIA DE LAS TRANSFORMACIONES DE LORENTZ DILATACION DE LOS INTERVALOS TEMPORALES Un marco de referencia en movimiento, con respecto al marco inercial de la barra parece ser mas corta. Significa que los relojes en movimiento marchan mas despacio que los estacionarios CONTRACCION DE LA LONGITUD

58 CONSECUENCIAS DEL EXPERIMENTO DE MM Al medir con un interferómetro el comportamiento del eter, determinaron que los tiempos de recorrido de dos haces de luz, tanto en forma paralela y transversal al movimiento de la tierra (eter), eran iguales. Se esperaba encontrar diferencia de tiempos (interferencia de fase de 0.40), porque el calculo del tiempo paralelo debería ser mayor al tiempo transversal. Sin embargo el experimento arrojaba que los tiempos eran iguales.

59 POSTULADOS 1. LAS LEYES DE LA FISICA SON LAS MISMAS EN TODOS LOS SISTEMAS DE REFERENCIA INERCIAL. 2.LA RAPIDEZ DE LA LUZ EN EL VACIO ES DE 3X10 8 m/s EN TODOS LOS SISTEMAS DE REFERENCIA INERCIAL. ESTO ES EL VALOR MEDIDO DE C ES INDEPENDIENTE DEL MOVIMIENTO DEL OBSERVADOR ES DEL MOVIMIENTO DE LA FUENTE DE LA LUZ ES LA MISMA PARA TODOS, LOS OBSERVADORES QUE SE ENCUENTRAN EN UN SISTEMA INERCIAL.