La física cuántica describe el comportamiento de la materia y la radiación a escalas subatómicas. Introduce conceptos como la dualidad onda-partícula, la cuantización de la energía, y el carácter probabilístico de las predicciones físicas debido al principio de incertidumbre de Heisenberg. Rompe con la visión determinista de la física clásica y plantea límites fundamentales a lo que se puede conocer de la naturaleza a pequeñas escalas.

1. Desvelando el
Universo
Del microcosmos al
macrocosmos

2. UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES
Desvelando el Universo
(del microcosmos al macrocosmos)
Tema 3: Física Cuántica
Antonio López Maroto
Departamento de Física Teórica I
(20 de marzo de 2012)

3. Tema 0: Introducción PROGRAMA
Tema 1: La visión del mundo previa al siglo XX Curso 2012
Tema 2: Relatividad Especial
Tema 3: Física Cuántica
Tema 4: Gravitación y Cosmología
Tema 5: Física atómica y nuclear
Tema 6: Física de partículas
Actividad Complementaria : “El mundo de las partículas y los
aceleradores”
Tema 7: Historia de la Astronomía y Astronomía básica
Tema 8: Los instrumentos del astrónomo
Tema 9: El trabajo del astrónomo profesional
Tema 10: El Sistema Solar
Actividad Complementaria : “Visita al Observatorio UCM
Tema 11: Las estrellas
Tema 12: El medio interestelar y la Vía Láctea
Tema 13: Las galaxias
Tema 14: Cosmología observacional

4. Las limitaciones de la Física Clásica
FÍSICA CLÁSICA
Relatividad Especial
Velocidades pequeñas v << c
Tamaños grandes Física Cuántica
Campos gravitatorios débiles Relatividad General

5. 1m Un paseo por el microcosmos
Escala humana

6. 0.1 m = 10 cm
Tamaño típico de un hoja
106 o una mano

7. 0.01 m = 1 cm
106
Tamaño típico de
un insecto

8. 0.001 m = 1 milímetro
Tamaño típico del ojo de un
insecto

9. 0,000.1 m = 0.1 milímetros

10. 0,000.01 m = 10 micras
Tamaño típico de
un linfocito

11. 0,000.001 m = 1 micra
Tamaño típico de un
cromosoma

12. 0,000.000.1 m =0.1 micras
Detalle de un cromosoma

13. 0,000.000.01 m = 100 angstrom
Tamaño típico del grosor
de una molécula de DNA

14. 0,000.000.001 m = 10 angstrom = 1 nanómetro
Tamaño típico de una
molécula
Escala de la
nanotecnología

15. 0,000.000.000.1 m = 1 angstrom
Tamaño típico de un
átomo

16. 0,000.000.000.01 m = 0,1 angstrom

17. 0,000.000.000.001 m = 1 picómetro

18. 0,000.000.000.000.1 m = 0,1 picómetro

19. 0,000.000.000.000.01 m = 10 fermi
Tamaño típico de un
núcleo atómico

20. 0,000.000.000.000.001 m = 1 fermi
Tamaño típico de un
nucleón

21. 0,000.000.000.000.000.1 m = 0,1 fermi

23. La Física Clásica: materia y luz
Mecánica de Newton
Materia (partículas)
Electromagnetismo de Maxwell
Luz (ondas)

24. El electromagnetismo de Maxwell
- Describe los campos eléctricos y
magnéticos producidos por cargas y
corrientes.
- Predice la existencia de ondas
electromagnéticas

25. Ondas: propiedades

26. Ondas electromagnéticas: espectro

27. Ondas electromagnéticas: espectro

28. Ondas: interferencia

29. Ondas: interferencia

30. El determinismo de la Física Clásica
Newton y Maxwell enunciaron de forma matemática precisa
las leyes de la mecánica clásica, el electromagnetismo y la
gravitación.
Esta leyes permitían predecir el movimiento de los cuerpos, y
la evolución de los campos electromagnéticos de forma
causal y determinista.

31. El determinismo de la Física Clásica
Este hecho llevó a Laplace a afirmar que si una mente superior
conociera exactamente las posiciones y velocidades de todas
las partículas que constituyen el Universo, y tuviera una
capacidad de cálculo suficiente, podría alcanzar a saber con
toda precisión cada detalle de la evolución futura del Universo.

32. Luz y materia: ¿ondas o partículas?
Materia
Luz

33. La Mecánica Cuántica
a) Propiedades corpusculares de la radiación
a) Propiedades corpusculares de la radiación
b) Propiedades ondulatorias de la materia
b) Propiedades ondulatorias de la materia
c) Principio de indeterminación de Heisenberg
c) Principio de indeterminación de Heisenberg
d) Interpretación probabilística de la función de onda
d) Interpretación probabilística de la función de onda
e) Relatividad y teoría cuántica: el vacío cuántico
e) Relatividad y teoría cuántica: el vacío cuántico
Planck Bohr Heisenberg Schrödinger Dirac

34. La radiación del cuerpo negro: Planck (1900)
Cuantos de energía
Planck

35. El efecto fotoeléctrico: Einstein (1905)
Einstein

37. El modelo atómico de Bohr (1916)
Bohr

38. El modelo atómico de Bohr (1916)
Bohr
Ondas de
materia:
de Broglie

39. El modelo atómico de Bohr

40. El experimento de la doble rendija
http://www.youtube.com/watch?v=atYFsSksGa0&feature=fvwrel

41. La dualidad onda-partícula
Según la mecánica cuántica no hay diferencias fundamentales
entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como
ondas y viceversa”. (Stephen Hawking, 2001)

42. La ecuación de Schrödinger (1925)
E. Schrödinger
Toda la información sobre el sistema físico está
contenida en la función de onda ψ

43. La interpretación probabilística de la Mecánica Cuántica
¡La posición de la partícula está esencialmente indeterminada!

44. Mecánica Clásica vs. Mecánica Cuántica
Trayectoria
clásica
Función de
onda
cuántica

45. El principio de indeterminación de Heisenberg (1927)
W. Heisenberg

46. Partícula en una caja: función de onda

47. El efecto túnel

48. Átomo de hidrógeno: función de onda
Solamente existen
soluciones para valores
discretos de la energía
y del momento angular
n = 0, 1, 2, 3... l = s, p, d, f

49. El gato de Schrödinger
Mientras la caja no se
abra (si no se realiza una
medida), el gato
permanece en un estado
superposición de vivo y
muerto
Sólo cuando se abre la
caja (se realiza la medida),
el sistema decide si el
gato está vivo o muerto

50. El gato de Schrödinger: múltiples universos

51. M. Born
A. Einstein
Dios no juega a los dados con el Universo
(Albert Einstein)
"Tú crees en un Dios que juega a los dados y yo creo en una ley y
un orden completos en un mundo que existe objetivamente”

52. Relatividad y Mecánica Cuántica
Equivalencia masa-energía
Principio de indeterminación
El vacío está poblado de
pares partícula-antipartícula que
se crean y aniquilan continuamente

53. Física Cuántica: conclusiones
A pequeñas escalas no hay diferencias fundamentales
entre partículas y ondas. Las partículas pueden
comportarse como ondas y viceversa
La energía y otras magnitudes físicas están cuantizadas
Las magnitudes físicas sólo pueden determinarse
probabilísticamente
Existe una limitación fundamental a la información que
podemos conocer de la Naturaleza: principio de
incertidumbre