Fundamentos de física teórica Aminta Mendoza Of. 352 Edif. Física y Matemáticas [email protected] Atención a estudiantes 10 a 12 am Miércoles y jueves.

Fundamentos de física teórica

Aminta MendozaOf. 352 Edif. Física y Matemáticas

[email protected]

Atención a estudiantes10 a 12 am

Miércoles y jueves

mailto:[email protected]

4 sesiones de parcial. (20% cada uno) 80%

Talleres y cuaderno 20%

Cuál es la primera tarea?

Hacer una lista de los términos que hoy escuchen por primera vez, o de los cuales no tengan claro su significado.

Hacer un glosario para la próxima clase!

Qué es la física?

Qué palabras vienen a su mente?

Qué es la física?

CienciaMideCalculaAnalizaNaturalezaInvestigaObjetivaMatemáticasObjetivaModeloTeorías

Qué es la ciencia?

Qué es ciencia:

Para el científico:a.Proceso para descubrir propiedades de la naturalezab.El conjunto de conocimiento que resulta del proceso.

Para la gente del común:La autoridad que provee información , la cual pueden usar para mejorar sus condiciones de vida

Qué es la ciencia?

Método científico

Es un proceso en el cual las ideas se desarrollan y chequean es desordenado y mucho más interesante que una descripción cerrada de hacer ciencia

Qué es la ciencia?

La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).

LA CIENCIA ES MUY LOGICA PERO NO PUEDE TENER UNA DIRECCION DE ACCION PREDEFINIDA!!

EJEMPLOPregunta: Desde qué altura debo soltar un objeto para que tarde un segundo en llegar al suelo?

Hipótesis: Si los libros no se equivocan….. Uso la ecuación

22

19.8

2 como y t=1s

entonces

mh gt g

sh

Qué es la ciencia?


Pregunta: Desde qué altura debo soltar un objeto para que tarde un segundo en llegar al suelo?

Hipótesis: Si los libros no se equivocan….. Uso la ecuación

Paso a medir este resultado:

22

19.8

24.9

como y t=1s

entonces

mh gt g

sh m


Paso a medir este resultado: utilizo los siguientes objetos:

Qué es la ciencia?



Qué es la ciencia?



Mientras el objeto no sea plano la hipótesis funciona!!!

Qué es la ciencia?



Bueno, si esta lleno de un gas que pese menos que el aire tampoco… o es un problema de densidad?

Qué es la ciencia?

La densidad es una cantidad que mide la cantidad de materia que está contenida en un volumen dado…

Cómo es la densidad de los gases?está fuertemente afectada por la presión y la temperatura. La ley de

los gases ideales describe matemáticamente la relación entre estas tres magnitudes:

donde R es la constante universal de los gases ideales, P es la

presión del gas, m su masa molar, y T la temperatura absoluta.Podríamos soltar un globo y ver cómo cambia su volumen a medida

que sube por los cielos… cómo variará el volumen?

o en otras palabras: mP

VP nRTRT

Qué es la ciencia?

Como la presión atmosférica disminuye a mayor altura, y la presión interna y la externa son iguales observaríamos lo que sigue:

Menor h mayor h

Si medimos cómo cambia el volumen del globo a cada altura tendremos información sobre cómo es la presión externa e interna del globo!

Usando podríamos construir el incremento en la presión obteniendo la siguiente gráfica.

VP nRT

Qué es la ciencia?

Podríamos hacer estas medidas alrededor del mundo obteniendo las curvas isobáricas y haciendo un mapa como este,

Hemos encontrado resultados muy interesantes… aunque recordemos que partimos de una pregunta simple: Desde qué altura debo soltar un objeto para que tarde un segundo en llegar al suelo?

Qué es la ciencia?

Recordemos que:La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos

experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).

La restricción en la interpretación de los resultados surge de la necesidad de explicar de manera autoconsistente múltiples fenómenos. La contradicción entre teorías o modelos, entre evidencia o teoría o entre diferentes fuentes de evidencia deben ser examinados y explicados.

Hacer preguntas es una parte fundamental de hacer ciencia e ir buscando respuestas ayuda a conformar lo que es un campo.

Qué es la ciencia?

Algunas respuestas cuando son verificadas hacen surgir nuevas respuestas. Elproceso científico continua refinando ambos: la teoría o el modelo y las preguntas que se hagan se van examinando. Las interrelaciones con otros fenómenos son escenciales porque el proceso es desordenado, y pueden haber puntos de partida falsos e interpretaciones erróneas, conduciendo a veces a la ciencia a un callejón cerrado durante un tiempo.

Los científicos pueden ser francos hacerca de los fiteos y partida dela investigación explicando las inconsistencias, y es lo que confiere mucha de la autoridad delos resultados.

Qué es la ciencia?

Sería un gran error negar las observaciones que salen de lo esperado o conocido… ello entorpecería el conocimiento del fenómeno

Muchas de las ciencias buscan explicar observaciones de la naturaleza desarrollando evidencias de como sucedió la situación análogamente a cómo un detective reconstruye un crimen.

El Big Bang habría sucedido antes de la existencia del hombre pero podemos medir las evidencias actuales y reconstruir el proceso!!!

Qué es la ciencia?

Programas de computación que simulan la progresión de un sistema sobre un tiempo son herramientas importantes en la ciencia y pueden ser herramientas muy importantes para predecir comportamientos futuros.

La historia que se desarrolla debe ser consistente con todo lo que se conoce sobre el sistema en cuestion y con todos los procesos que ocurren en el sistema.

Qué es la ciencia?

Geociencias, el clima, arstrofísica cosmologia y biologia evolutiva todos usan un importante edificacion historica sobre la construcción de sus teorías.

Las teorías y los modelos se reconstruyen en el tiempo basados en datos que requieren mucho tiempo de procesamiento y tiempo antes de ser aceptados mediante explicaciones cientificas o herramientas para un dominio dado.

Esto contrasta con la descripción del método científico, el cual reduce el edificio de una teoría continua e iterativa a la idea que uno hace y chequea hipótesis, el uso de un punto de referencia teorico amplio dentro del cual cada hipótesis debe ser verificada y que se logra el refinamiento por cada chequeo generalmente falta en los textos.

Qué es la ciencia?

Las teorías científicas aun cuando generalmente aceptadas después de muchos chequeos y refinamientos son aun incompletas, estas puede ser con seguridad aplicado en un dominio limitado, o en un rango de condiciones o limitaciones en las cuales ha sido chequeada ó verificada.

La verdad es completamente una noción. Tenemos que enfatizar que la incompletez de la teoría, lo cual no compromete la estabilidad en el tiempo en que ha sido bien establecida y entendida en ciencia, una noción bien importante que a menudo no se explicita.

LA CIENCIA NO TIENE LA VERDAD ABSOLUTA, PROPONE TEORIAS QUE SE CUMPLEN SOLO A ESCALAS BIEN DEFINIDAS Y SE BASA EN MODELOS ACTUALES A SU TIEMPO, PERO SIEMPRE ES SUSCEPTIBLE DE SER MEJORADA

Qué es la ciencia?

Clasificación de las ciencias

Ciencias formales:Estudian ideasDemuestran con base en principios lógicos o matemáticosNo confirman experimentalmente.

Ciencias empírica:El conocimiento proviene de fenómenos observables y capaces de ser evaluados por otros investigadores que trabajen bajo las mismas condicionesEstudian hechos naturales o socialesComprueban mediante la observación y la experimentación.Crean hipótesisFormulan teorías o leyes.

Ciencias naturales

Ciencias sociales

Las matemátic

as, la estadística

Ciencias naturales

Geología

Física

Química

Biología

Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.

Astrofísica

http://es.wikipedia.org/wiki/Astronom%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Objeto_astron%C3%B3mico

Ciencias naturales

Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.Biología: se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su origen, su evolución y sus propiedades.

Geología

Física

Química

Biología

Astrofísica



http://es.wikipedia.org/wiki/Biolog%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Seres_vivos

Ciencias naturales

Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.Biología: se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su origen, su evolución y sus propiedades.Física: se ocupa del estudio de las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía, teniendo en cuenta sus interacciones.

Geología

Física

Química

Biología

Astrofísica





http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica

http://es.wikipedia.org/wiki/Espacio

http://es.wikipedia.org/wiki/Tiempo

http://es.wikipedia.org/wiki/Materia

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

Ciencias naturales

Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.Biología: se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su origen, su evolución y sus propiedades.Física: se ocupa del estudio de las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía, teniendo en cuenta sus interacciones.Geología: se ocupa del estudio de la forma interior del globo terrestre, la materia que lo compone, su mecanismo de formación, los cambios o alteraciones que ésta ha experimentado desde su origen, y la textura y estructura que tiene en el actual estado.

Geología

Física

Química

Biología

AstrofísicaIntrusión de rocas ígneas





http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica

http://es.wikipedia.org/wiki/Espacio

http://es.wikipedia.org/wiki/Tiempo


http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Geolog%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Tierra


Ciencias naturales

Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.Biología: se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su origen, su evolución y sus propiedades.Física: se ocupa del estudio de las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía, teniendo en cuenta sus interacciones. Geología: se ocupa del estudio de la forma interior del globo terrestre, la materia que lo compone, su mecanismo de formación, los cambios o alteraciones que ésta ha experimentado desde su origen, y la textura y estructura que tiene en el actual estado. Química: se ocupa del estudio de la composición, la estructura y las propiedades de la materia, así como de los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas.

Geología

Física

Química

Biología

Astrofísica



División de la Física

Física Clásica:Mecánica

Termología y termodinámicaHidrostática e Hidrodinámica

Ondas (Acústica)Óptica

Electromagnetismo

Física Moderna:Física AtómicaFísica Nuclear

Física de Partículas Física del estado sólido

Astrofísica* Nanotecnología

•Mecánica•Electrodinámica•Cuántica •Estadística •Relatividad•Termodinámica•Matemática

Física

AcústicaAstrofísica Astronomía-AstrofísicaBiofísicaFísica de la complejidadComputación cuánticaCuántica Electromagnetismo EspintrónicaEstadística Estado sólido Física AtómicaFísica del caosFísica del Medio ambienteFísica de satélites y comunicaciones

Física de los MesonesFísica AeronáuticaFísica ForenseFísica MatemáticaFísica Médica Física NuclearFísico QuímicaGeofísicaHistoria y Epistemología Mecánica y cinemáticaNanomateriales y NanotecnologíaNeurofísica Optica y Fotónica RelatividadTeoría de CampoTeoría de la Unificación Teoría de partículas Termodinámica

Fuerzas y energía son indistinguibles (especulativo) Los Q son

responsables por la aparición de Fuerzas fuertes, débiles y la electromagnéticas

El universo crece desde la escala atómica a la cósmica en milésimas

de segundo

Se desacoplan las fuerzas débiles y las electromagnéticas

Aparecen protones y neutrones, electrones,

Emerge la primera luz del Big-Bang

Primera supernova y elementos pesados

Presente

Formación de estrellas y galaxias

Desacoplamiento materia-radiación

Era de las partículas

Electrodébil y era del quark

Era de la gran unificacion (GUT) e inflación cósmica

Supercuerdas/era supergravedad

Era dominada por la radiación Era dominada por la materiaTiempo Hoy dia

10-4

3 s

300

s

300.

000

años

1 bi

llón

años

13 b

illon

es a

ños

10-1

0 s

10-3

4 s

Big-Bang

p

pn

e

n

p

pnn Hueco

negro

Q

QQ

zw

Q

?

Nuestro Universo

Los objetos no se separan porque hay particula fundamentales que interactúan con las demás.

Una interacción es un intercambio de algo.

? Pero que intercambian las partículas?Intercambian un tipo especial de partículas! Llamadas partículas de fuerza (Bosones intermediarios).

Una analogía burda de interacción:Dos jugadores de tenis intercambian la pelota de tenis

Una analogía burda de interacción:Dos jugadores de tenis intercambian la pelota de tenis

Qué hace que las partículas estén juntas?

InteracciónInteracción Partículas interc.Partículas interc. Quienes sienten la fuerza?Quienes sienten la fuerza?

FuerteGluon (g) Quarks y gluones

Electromagnetica Foton () Toda particula cargada

DébilW y Z Quarks, leptones, fotones, W, Z

Gravitacional Graviton (?) Todas

Gravitacional

Débil

Electromagnética

Fuerte

Gravitacional

Electrodébil

Fuerte

Gravitacional

Débil

Eléctrica

Magnética

Fuerte

70´s

Maxwell1850

Salam Glashow Weinberg

Teoría de la unificación

Única interacciónSupergravedad

?

Interacción gravitacional

Proceso típico: Atracción

Nunca se satura (Ej: Huecos negros)

Objetos: Objetos con masa

Alcance: Infinito

Constante :G = 6.67428X10-11 m3/Kg.s2


El Modelo Estándar no incluye la gravedad porque no se sabe cómo hacerlo.

No afecta el modelo estándard, porque los efectos de la gravedad son minúsculos en comparación con los de fuerte, electomagnética, y las interacciones débiles.

Las personas han especulado que la mediación de las interacciones gravitacionales de partículas es el graviton - pero aún no ha sido observado.


De acuerdo con Newton, la ley que gobierna las interacción de la gravedad es expresada matemáticamente como:

G= 6.67428X10-11 m3/Kg.s2

Esta masa se llama masa gravitacional, la cual es a la gravitación lo que la carga eléctrica es al electromagnetismo. La diferencia entre la masa inercial y la gravitacional se verá más adelante.

1 22

mmF G r

r

x

y

r

r


Por lo tanto la gravitación sería una acción a distancia: una masa actúa directamente e instantáneamente sobre otra masa aunque no estén en contacto directo. Para Newton esto trajo dudas sobre este comportamiento “fantasmal” y sugirió que la interacción era transmitida por algún medio material (el éter).


Por lo tanto la gravitación sería una acción a distancia: una masa actúa directamente e instantáneamente sobre otra masa aunque no estén en contacto directo. Para Newton esto trajo dudas sobre este comportamiento “fantasmal” y sugirió que la interacción era transmitida por algún medio material (el éter).


El punto de vista moderno es que la gravitación actúa localmente mediante campos: una masa en un punto produce un campo y este campo actúa sobre cualquier masa que este en contacto con él. Este campo sería el medio material pensado por Newton.

Ésta teoría tiene la ventaja de conducir a la teoría dela relatividad en la cual los efectos de la gravitación se propagan a una velocidad finita. Acción a distancia instantánea no tiene sentido en una teoría relativística debido a la ausencia de tiempo absoluto: lo que es propagación instantánea en un punto de referencia no es instantáneo en otro punto de referencia.


“Es inconcebible que la materia inanimada sin la mediación de algo más que no sea material opere y afecte otra

materia sin un contacto mutuo… La gravedad debe ser innata inherente y esencial a la materia de tal manera que

pensar que un cuerpo actúe sobre otro a una distancia mediante un vacio sin la mediación de algo mas sería

ABSURDO”

A pesar de que la formulación de newton sugiere acción a distancia Newton consideró que no era correcto


Actualmente las observaciones fundamentales se consideran como campos locales, la interacción de dos partículas ampliamente separadas es considerada como una acción por contacto de una partícula con el campo originado por la acción por contacto del campo con la segunda partícula.

Por que debemos preferir campos a acción a distancia? La respuesta es muy importante: nosotros necesitamos campos para poder garantizar la ley de conservación de energía y momentum.

Masa – gravitón - masa

Interacción fuerte

Objetos: nucleón-nucleón y nucleón-mesón

Nucleon – meson – nucleon

Quark – gluones – quark

Radio del núcleo: 10-13 cm

NO PUTUAL!!

Radio del átomo: 10-8 cm

La interacción fuerte mantiene juntos los quarks en los neutrones y protones.

Es muy fuerte, es como si los quarks estuvieran super-glued unos con otros! Asi que las partículas que los unen se llaman gluones.

Esta fuerza es inusual en el sentido de que se vuelve más fuerte a medida que intenta separa los quarks

Interacción fuerte


Nucleon – meson – nucleon

Quark – gluones – quark


NO PUTUAL!!


Interacción fuerte

Origen Adrones (neut y prot)


Alcance: 10-13 cm

Constante : 1

La diferencia es de 100000 veces mas grande el Átomo que el núcleo!!

Si el nucleo midiera 1 cm, entoncesEl átomo mediría 100.000 cm Es decir 1000 metros o 1 kilómetro



Interacción electromagnética

Proceso: la producción de fotones

Leptones: electrones

Electrón – foton - electrón

Objetos: con carga eléctrica

Alcance: Infinito

Duración del proceso 10 -10 s

Constante: 8.99X109 Nm2/C2

La interacción electromagnética es la razón por la cual los átomos se mantienen juntos en las moléculas.

La partícula que media la I nteracción electromagnética es el fotón.

Luz visible, rayos x, ondas de radio son ejemplos de fotones con diferentes energías







Toda carga eléctrica generaUn campo eléctrico1 2

2

q qF k r

r

12

qE k r

r

+

+

-






Alcance: Infinito



Una carga se coloca en un estado vacío no excitado, la carga excita el éter cercano a ella creando vórtices en este punto. Los vórtices excitan vórtices que giran, cada uno está en equilibrio con sus vecinos, es decir hay una cosa que rota y es una medida del campo eléctrico en ese punto.

x

y

1q






Alcance: Infinito



Cuando se coloca q2 a una distancia r de la primera ella detecta el nivel de excitación de los vórtices locales y siente una fuerza correspondiente.

x

y

r

r

1q






Alcance: Infinito



La fuerza es proporcional a la carga q2 en el lugar y a la cantidad de rotación o campo eléctrico en este punto. Las propiedades mecánicas del éter determinarían cómo se da la rotación, lo cual se da por la inercia de los vórtices y el tamaño, y se ajustan de manera que se de la ley de coulomb.

x

y

r

r

1q






Alcance: Infinito



Introdujo campos locales como cantidades continuas definidas en todos los puntos del espacio. Si un objeto experimenta una fuerza, debe haber algo en ese lugar. Además supuso los vórtices como locales en el espacio y en el tiempo.

x

y

r

r

1q

0

1ˆ

S

E n dA Q






Alcance: Infinito



0

0 0 0

1ˆ

ˆ 0

ˆ

ˆ

S

S

C S

C S

E n dA Q

B n dA

dE dl B n dA

dt

dB dl I E n dA

dt

( )magF qv B r

Producto vectorial!

-

Interacción débil

Proceso: decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad

El neutron desintegraba en protón y emitía electrones

Objetos: neutrones

Fuerzas 10 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así ésta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias

1896 Bequerel:En los isótopos radiactivos:•Los electrones salían del núcleo del orden de MeV•El espectro era un continuo•Debía haber una tercera partícula para cumplir los

234 23491 92Pa U + Electrones (beta) cerca de c

+-

Interacción débil



Objetos: neutrones


Neutrón electrón

Protón

Chadwuick descubre el neutrón.El electrón surge de la transformación de un neutrón en protón!!!!!

1 partícula se conserva en 2!!!Problema: Teoremas de conservación de energía y momento


Interacción débil



Objetos: neutrones


Neutrón electrón

Neutrino

Protón

Chadwuick descubre el neutrón.El electrón surge de la transformación de un neutrón en protón!!!!!

1 partícula se conserva en 2!!!Problema: Teoremas de conservación de energía y momento


e

n

p

e

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d

d

du

u

u

g

gg

g

cc

Big Bangbosonescarga eléctricaCienciaespectroFotónfuerzagluóngravitónhipótesisisótopo

leptonesmodeloneutrinoneutronesPresiónQuarkSistema de ReferenciatemperaturateoríaVórtices

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