Un breu viatge per la història de la Física

1. De la física clàssica a la mecànica
quàntica
“Tothom que pensi que pot parlar sobre la
teoria quàntica sense marejar-se, ni tan sols
ha començat a entendre-la.”Niels Bohr

2. La Física clàssica
• La Física clàssica és la física fins al segle XIX.
• La física moderna es desenvolupa
a partir de les primeres dècades del
segle XX i consta de dues teories, la relativitat i la
mecànica quàntica.
• La descripció de la física clàssica és suficient
sempre que les velocitats involucrades siguin molt
menors que la de la llum (en cas contrari s’ha
d’utilitzar la teoria de la relativitat) i sempre que
les escales utilitzades siguin molt més grans que les
atòmiques (si no és així s’ha de recórrer a la
mecànica quàntica).

3. Per què és tan important Newton?
Les tres lleis de Kepler descriuen el moviment dels
planetes, però no els expliquen. L’explicació d’Isaac
Newton de les lleis de Kepler representa el punt
culminant de la revolució científica. Newton ens va
explicar perquè l’univers funciona tal com ho fa i això és
una de les fites més notables del pensament occidental. I
és part de la nostra herència cultural, de la mateixa
manera com ho són les obres de Shakespeare, les
simfonies de Beethoven o el sostre de la capella Sixtina. I
per això l’hem de conèixer, no solament com un
entrenament per aquells de vosaltres que us vulgueu
dedicar a la ciència sinó com a part de la vostra educació
com a essers humans.
L’home s’ha preguntat durant molt de temps de què està fet el mon i
què el manté unit

4. La física d' Aristòtil
Segons Aristòtil tot el que passa
és moviment de matèria i
comença per considerar el
moviment d’objectes simples
per exemple:
• Un objecte cau pel seu neguit per
arribar al centre còsmic, la Terra.
• Un objecte pesant tindrà més
neguit I per tant caurà més ràpid
que un de lleuger.
• Degut a la perfecció del cel, els
objectes al cel es mouen descrivint
la més perfecta de les figures: el
cercle.
La ciència grega tenia un defecte fatal:
no incloïa cap mecanisme per
assegurar un consens.
Les opinions contraposades es podien
debatre indefinidament, per a ells
experimentar no tenia cap valor.

5. Geocentrisme
Al segle II Ptolomeu
d’Alexandria va descriure tan
bé els moviments celestials
que la navegació i els
calendaris basats en el seu
model funcionaven
perfectament.
La combinació de la física
aristotèlica amb l’astronomia de
Ptolomeu es varen acceptar
com a veritat pràctica i doctrina
religiosa i la Santa Inquisició es
va encarregar d’imposar-la.
L’astronomia de Ptolomeu amb
una Terra estacionària,
requereix que els planetes
descriguin corbes sinuoses i
complicades.

6. Nicolau Copèrnic
Clergue i
astrònom
polonès
que va
viure al
segle XVI.
1473-
1543
Creia que
la natura
havia de
ser més
simple
del que
suggeria
el model
de
Ptolomeu
Teoria Heliocentrista
• La Terra i els altres
cinc planetes orbiten
al voltant del sol
• El moviment erràtic
dels planetes en
relació al fons
estrellat és degut a
que els veiem des
d’una Terra també en
moviment.

7. Johanes
Kepler
• Vídeos sobre Kepler:
1a part 2a part
• Astrònom i matemà-
tic alemany i una figura
clau en la revolució
científica. (1571 – 1630)
• Va ser ajudant del també astrònom Tycho Brahe i matemàtic
de la cort de l'emperador austríac.
• Descobreix les lleis sobre el moviment dels planetes.
• Va proporcionar una de les bases per a la teoria de la
gravitació universal elaborada per Isaac Newton.

8. Les tres lleis de Kepler
• Els planetes es mouen al voltant
del Sol en òrbites el·líptiques.
• El radi vector que uneix un planeta
amb el Sol escombra àrees iguals
en temps iguals.
• El quadrat del període orbital d’un
planeta és directament
proporcional al cub de la seva
distància mitjana al Sol.

9. Galileu Galilei (1564-1642)
• Va ser un físic, matemàtic
i filòsof italià que va tenir un
paper important durant
la revolució científica.
• Va millorar el telescopi, i per
tant, l'observació
astronòmica, i va donar
suport a la teoria
heliocèntrica de Nicolau
Copèrnic.
• “Potser més que qualsevol
altra persona, fou el
responsable del naixement
de la ciència moderna”
Stephen Hawking
• L'Església s'oposa vigorosament a
la posició de Galileu, però ell
demana la llibertat de recerca.
• Galileu és jutjat per la Inquisició
degut a la publicació
dels Diàlegs , perquè li havia estat
prohibit defensar o ensenyar les
teories de Copèrnic. Aquest judici
no fou anul·lat fins l'any 1992.

10. El mètode científic
Per guanyar punts a favor seu,
Galileu necessitava exemples que
entressin en conflicte amb la
mecànica d'Aristòtil, però no
acabava de trobar fenòmens prou
il·lustratius. La seva solució va ser
crear-los!
Galileu va concebre situacions
especials, o “experiments”, i un
experiment servia per comprovar
una predicció teòrica. Avui en dia
aquest enfocament pot semblar-
nos evident, però a l’època de
Galileu va ser una idea original i
profunda.
En el seu experiment més
famós, suposadament Galileu va
deixar caure una bola de plom i
una de fusta des de la Torre de
Pisa, la seva ciutat. El cop
simultani d’ambdues boles
contra el terra, va demostrar que
el temps de caiguda no depenia
de la massa i va tirar per terra
una de les prediccions d’Aristòtil.

11. Isaac Newton (1643-1727)
• Biografia:
Part 1 part2 part3 part 4
• Newton és l'autor
dels Philosophiae Naturalis
Principia Mathematica, on
descriu la llei de la
gravitació universal i les
tres lleis del moviment,
base de la física clàssica.
• Va crear un model
matemàtic per a les lleis de
Kepler.
Físic anglès, va realitzar els seus
primers estudis universitaris
al Trinity College (Cambridge), on
desprès va ser professor durant
30 anys.
Va fer grans descobriments en
mecànica, òptica i matemàtiques.

12. Newton i la llum
• Newton creia que la llum
era un feix de petites
partícules.
• Altres científics varen
proposar que la llum era
una ona, però
l’aclaparadora
superioritat de Newton,
va fer que la seva teoria
corpuscular dominés
durant 100 anys.
• A començament del segle
XIX, Young va demostrar
que la llum era una ona
amb el seu experiment de
la doble escletxa. Si la llum
fos una partícula no hi
hauria patró
d’interferències.
La llum està formada per partícules…
no, per ones…
… si, si, per ones,
fijo… per partícules, segur……en què
quedem doncs… ones o partícules?

13. Les ones
Una ona és una vibració que es propaga
per l’espai transportant energia. La
vibració i la ona poden tenir la mateixa
direcció (ones longitudinals), o bé poden
tenir direccions perpendiculars (ones
transversals).

14. Electricitat
• A l'any 600 aC Tales de
Milet descriu el poder
d'atracció de l'ambre fregat
i la seva capacitat de
produir guspires.
• Benjamin Franklin a
meitats del segle XVIII va
tenir una genial idea, va
observar que quan dos
cossos carregats
elèctricament entraven en
contacte, la seva atracció
és debilitava, va pensar
que les càrregues
s’anul·laven.
• Atorga signes
positius i
negatius als
cossos carregats
elèctricament.
• Franklin formula
la teoria del
corrent elèctric.

15. • Michael Faraday al
preguntar-se com podia
exercir força un cos sobre un
altre, a través de l’espai buit i
va postular que una càrrega
crea un camp elèctric a
l’espai.
• Maxwell va predir l’existència
de vibracions del camp
elèctric que es propagaven,
és a dir, ones
electromagnètiques.
• Va comprovar que la velocitat
d’aquestes ones coincidia
amb la velocitat de la llum.
• Va proposar que la llum era
una ona.
Gàbia de Faraday
Camp elèctric creat per dues càrregues

16. James Clerk Maxwell
(1831 - 1879) fou un matemàtic i
físic teòric escocès. El seu èxit més
important va ser la formulació
d'una teoria electrmagnètica,
sintetitzant les anteriors
observacions, experiments i lleis,
sobre l’electricitat i el magnetisme.
També va desenvolupar
la distribució de Maxwell, una
estadística que pretén descriure
aspectes de la teoria cinètica dels
gasos, de la que en va ser el
creador. Aquests dos
descobriments contribuïren a
inaugurar l'era de la física
moderna, assentant els fonaments
per als futurs treballs en
camps com la relativitat
especial i la mecànica
quàntica. Maxwell va calcular
el valor de la velocitat de les
ones electromagnètiques i va
trobar un valor proper al de la
llum, per tant va concloure
que la llum no era res mes
que una ona
electromagnètica.

17. Max Planck (1858-1947)
Físic alemany, Planck havia estat
contractat per companyies elèctriques
per tal de millorar el funcionament de
la bombeta, amb l'encàrrec
d'aconseguir el màxim de llum amb el
menor consum possible d'energia.
Intentant resoldre aquest problema va
fer la suposició, avui coneguda com
a postulat de Planck, de que l'energia
electromagnètica podia ser emesa
només de manera quantificada, en
altres paraules, l'energia només pot
ser un múltiple d'una unitat
elemental. Els físics actuals
anomenen fotons a aquests unitats.
Els descobriments de Planck, van
donar pas al naixement d'un camp
totalment nou de la física, conegut
com mecànica quàntica i van
proporcionar els fonaments per a la
recerca en camps com el de l'energia
atòmica.
Planck és considerat com el pare de
la teoria quàntica i un dels físics més
importants del segle XX que va ser
guardonat amb el Premi Nobel de
Física l'any 1918.E = h · ν

18. Congressos Solvay
Els Congressos Solvay són unes trobades entre físics i químics que
tenen lloc des de 1911. Aquestes conferències reunien els més grans
científics del moment per a discutir les noves teories i experiments
que van revolucionar la física de l'època com ara la mecànica
quàntica, la teoria de la relativitat i la radioactivitat. Van ser ideades i
organitzades pel químic i industrial belga Ernest Solvay. Després de
l'èxit de la primera conferència, es van fundar els Instituts situats
a Brussel·les, que s'encarregaven de coordinar les conferències,
tallers, seminaris i col·loquis.
Fins ara s'han organitzat 23 conferències, que ara tenen lloc cada
tres anys. La 23a Conferència Solvay va tenir lloc a l'Hotel Métropole
de Brussel·les (igual que la primera) entre els dies 1 i 3 de desembre
de 2005, sobre el tema: "L'estructura quàntica de l'espai i el temps".

19. Primer congrès Solvay 1911
El tema principal va ser: La radiació i els quants

20. Participants:

21. Albert Einstein (1879-1955)
• El 1921, Einstein va
guanyar el premi Nobel de
física per la seva teoria
sobre l’efecte fotoelèctric
que demostrava que la
llum estava formada per
partícules (fotons).
• És el científic més conegut i
important del segle XX.
• Va ser un físic
d'origen alemany,
nacionalitzat suís
i nord-americà.
• El primer dels seus
articles cobria els
estudis sobre el moviment brownià
i per fi demostra la existència dels
àtoms!
• L'any 1905, publicà la seva Teoria
Especial de la Relativitat quan encara
era un jove físic desconegut,
treballador de l'Oficina de Patents de
Berna. Amb ella va néixer la
cosmologia, que és l'estudi de l'origen
‘ i l’evolució de l'Univers.

22. La dualitat ona – corpuscle
• Einstein havia suggerit que la
llum estava formada per
quants d’energia: els fotons,
però durant el segle XIX
s’havien anat acumulant
evidències de que la llum era
una ona electromagnètica. Per
tant, la lluméra una ona o un
conjunt de partícules?
• En opinió d’Einstein, les dues
teories de la llum eren certes,
tot i que entre elles no hi havia
cap connexió lògica.
Einstein a prova: evidencies queproven lateoria delarelativitat.

23. Niels Bohr (1885-1962)
Nascut el 1885 a Copenhaguen,
estudià física a la universitat.
Es desplaçà a Cambridge on treballà
amb Joseph Thomson al Cavendish
Laboratory i a Manchester sota la
supervisió d'Ernest Rutherford.
Sens dubte ha estat el físic que més a
influït en el desenvolupament de la
mecànica quàntica i la física atòmica.
El seu institut de física a Copenhaguen es va convertir en el centre d’atracció per a
tots els físics interessats en aquests temes fins al punt que la interpretació actual
de la mecànica quàntica s’anomena “interpretació de Copenhaguen”. Són famoses
les discussions mantingudes sobre aquesta interpretació entre Bohr, Heisenberg i
Einstein.
Va exiliar-se per a
evitar el seu arrest
durant el domini
nazi, degut a la seva
ascendència jueva, i
es va incorporar al
grup britànic que va
col·laborar en el
desenvolupament
de la primera
bomba atòmica a
Los Àlamos.

24. Espectres d’absorció i emissió de l’àtom d’hidrogen
L'any 1913 va publicar el seu
propi model atòmic, en el qual
aplica la teoria de Max Planck de
la quantificació de l’energia al
model planetari de l’àtom, que
permet interpretar l'espectre de
l'àtom d'hidrogen.
L'any 1922 fou guardonat amb el
Premi Nobel de Física pels seus
treballs sobre el model atòmic.
La quantificació de l'energia
que implica discontinuïtat
dels possibles nivells de
situació de l'electró, i la
relació entre radiació emesa
i el salt de l'electró entre els
seus nivells quàntics són la
clau per a entendre aquest
àtom de Bohr.

25. Werner Heisenberg (1901- 1976)
• El model de Bohr solament funcionava bé
quan s’aplicava al cas de l’àtom d’hidrogen,
per tant quedava clar que tot el sistema de
conceptes físics havia de ser reconstruït des
de les seves bases. S’havia de buscar una
nova teoria i la varen anomenar mecànica
quàntica.
• Durant el 1924 Heisenberg va visitar a Bhor
durant unes setmanes, va mantenir moltes
converses amb ell al nou institut de física
teòrica de Copenhaguen, i es va imbuir de les
idees físiques de Bohr.
• L’estiu del 1925 Heisenberg, fugint d’un atac
molt fort d'al·lèrgia, es va aïllar a l’illa de
Helgoland, al mar del Nort, on va treballar de
forma intensiva fins a aconseguir la primera
formulació de la mecànica quàntica.
Fou el líder del projecte
alemany de la bomba
atòmicamotiupelqualesva
enemistar ambBhor

26. • Heisenberg va utilitzar
models matemàtics en els
que apareixien nous números
quàntics per explicar les
òrbites estacionàries i les
línies més fines dels
espectres que havien
aparegut amb les noves
tecnologies.
• Devem a Bhor la interpretació
d’aquesta teoria, anomenada
interpretació de Copenhaguen.
• El 1932 rep el premi Nobel de
física per la creació de la
mecànica quàntica.
• Un dels punts de la teoria pel
que és més conegut
Heisenberg és el principi
d’incertesa: la posició i la
velocitat d’una partícula no es
poden mesurar
simultàniament amb gran
precisió, com més precisament
determinem la posició, més
imprecisa és la mesura de la
seva velocitat i viceversa.
• El 1929 publica “Els principis
físics de la teoria quàntica”
que es va convertir
immediatament en el llibre de
referència per comprendre la
nova teoria

27. Erwin Schrödinger(1887-1961)
• Físic i professor universitari austríac, famós
per les seves contribucions al
desenvolupament de la mecànica quàntica.
• El 1926 va publicar la segona formulació de la
mecànica quàntica, la formulació ondulatòria
amb el que avui es coneix com a equació de
Schrödinger.
• Va ser catedràtic de física teorica a la
universitat de Berlin, on va substituir a Max
Planck. A Berlin hi va trobar amics com
Einstein i Planck i sovint van criticar la
interpretació de Copenhaguen de la mecànica
quàntica, per exemple mitjançant l’experiment
mental del gat de Schrödinger.
• Va rebre el premi Nobel de Física el 1933
El 1933 Hitler va pujar al poder
i Schrödinger va fugir de Berlin
cap a oxford. Poc després
d'arribar-hi, va descobrir que
havia estat guardonat amb
el premi nobel, juntament
mbpauldirac

28. El gat d’Schrödinger
Va proposar l'experiment mental conegut com el gat de Schrödinger
amb la intenció d'il·lustrar els problemes de la mecànica quàntica al
traduir les conseqüències d'esdeveniments subatòmics a sistemes
macroscòpics.
Vídeo Singular amb Sònia Fernandez

29. Louis de Broglie (1892-1987)
• Príncep Louis-Victor Pierre Raymond
de Broglie, noble francès, va estudiar
física teòrica a La Sorbona.
• El 1923 va portar la idea d’Einstein de la
dualitat ona – corpuscle a un altre terreny.
Va presentar la tesi doctoral:
"Investigacions sobre la teoria quàntica"
descrivint per primera vegada els
electrons com a ones.
•Va ser guardonat l'any 1929 amb el Premi
Nobel de Física.
Dr quantum

30. Les forces fonamentals de l’univers
Hi ha múltiples efectes de les forces, però totes
aquestes forces es redueixen segons la teoria
quàntica de camps a les quatre forces
fonamentals, enumerades a continuació en ordre
decreixent d'intensitat, acompanyades dels seus
bosons portadors:
força forta (gluó)
força electromagnètica (fotó)
força feble (W i Z)
força gravitatòria (gravitó?)
Aquestes forces s’anomenen fonamentals perquè
tots els efectes de qualsevol força de la naturalesa
poden reduir-se a aquestes quatre. Per exemple,
les forces entre molècules, les forces de contacte,
les tensions de cordes o les elasticitats poden
reduir-se completament a forces
electromagnètiques.
Aquestes forces
actuen a partir de
l'intercanvi de
bosons. El model
estàndard de física
de partícules
descriu les
interaccions fortes,
febles i
electromagnètiques
però encara no hi ha
una teoria
quàntica de la
gravitació.

31. Les partícules elementals a la dècada de 1930
El 1932 l’anglès Chadwick
va descobrir els neutrons.
Heisenberg va intuir que si en
el nucli s’havien de mantenir
junts protons i neutrons (amb
les consequents repulsions) hi
ha d’haver una força més
intensa que actua a distàncies
petites i que manté units els
nucleons.
Quan es produeix la
desintegració beta i es mesuren
les energies, el valor de la energia
inicial es lleugerament superior al
de la final. Pauli va suggerir
l’existència d’una nova partícula,
el neutrí, amb una massa molt
petita i sense càrrega, que
interacciona molt poc amb la
matèria. No se’l va detectar fins al
1950. Cada segon el nostre cos és
travessat per 1012 neutrins
procedents de les reaccions
nuclears que es produeixen al Sol,
sense que percebem la seva
presència.
Imatge del Sol amb neutrins detectats al detector Superkamiokande a una mina a 1.000m de fondària.

32. El model Estàndard. 1973
dilluns, 22 agost de 2016
Les idees principals són:
Hi ha dos tipus de partícules: les que són
matèria (com els electrons, els protons, els
neutrons,i els quarks) i partícules que
transporten forces (com els fotons).
Partícules portadores de força:
Cada tipus de força fonamental és
"transportada“ per una partícula portadora de
força (el fotó n’és un exemple).
Partícules materials:
El Model Standard estableix que la majoria de
les partícules que coneixem estan formades en
realitat de partícules més fonamentals
anomenades quarks.
Hi ha un altre tipus de partícules fonamentals
anomenades leptons (l’electró n’és un exemple).
Els físics han
desenvolupat una teoria
anomenada el Model
Standard, que intenta
descriure tota la matèria i
totes les forces existents a
l’univers (excepte la
gravetat).
La seva elegància recau
en la capacitat de
justificar la existència de
centenars de partícules i
interaccions complexes, a
partir d’unes poques
partícules i interaccions
fonamentals.

33. El model Estàndard. 1973
El model estàndard de física de
partícules és una teoria
quàntica que descriu les
partícules elementals i les
seves interaccions fonamentals:
electromagnètica, feble i forta.
El fet que el model no inclou la
descripció de la interacció
gravitatòria, posa de manifest
que no és una teoria completa
i, per tant, ha de ser estès.
El model estàndard de partícules
elementals amb els bosons a la
columna de la dreta.

34. EINSTEIN A PROVA
34Einstein a Prova

35. 35Einstein a Prova

36. 36Einstein a Prova

37. 37Einstein a Prova

38. 38Einstein a Prova

39. 39Einstein a Prova

40. 40Einstein a Prova

41. 41Einstein a Prova

42. Einstein a Prova 42

43. Einstein a Prova 43

44. Einstein a Prova 44