Una breve historia de la física Alfredo Aranda Fernández Facultad de Ciencias Universidad de Colima Instituto Heisenberg

Historia de la física Nuestra historia empieza con la experimentación GALILEO Nuestra historia empieza con la experimentación GALILEO Nos enseña que lo importante es realizar EXPERIMENTOS Nos enseña que lo importante es realizar EXPERIMENTOS Es la única manera de obtener un conocimiento acerca de la naturaleza Es la única manera de obtener un conocimiento acerca de la naturaleza

Kepler y las matemáticas Reproduciendo observaciones Reproduciendo observaciones Leyes de movimiento planetario Leyes de movimiento planetario ¿Explicó el porqué del movimiento observado? ¿Explicó el porqué del movimiento observado?

¿Porqué se mueven las cosas? ¿Qué significa entender? Poder explicar cómo y porqué sucede lo que sucede Poder predecir Cuantitativamente lo que sucederá NEWTON!!!!!

Predicciones Describir cuantitativamente lo que sucederá Describir cuantitativamente lo que sucederá Cómo evoluciona en el tiempo un cierto sistema Cómo evoluciona en el tiempo un cierto sistema ECUACIÓN DIFERENCIAL ECUACIÓN DIFERENCIAL

Gravedad Fuerza de gravedad Fuerza de gravedad Explica el movimiento Explica el movimiento de los astros Explica el movimiento de los Explica el movimiento de los objetos en la superficie terrestre Explica las leyes de Kepler Explica las leyes de Kepler Poder de predicción!!!!! Poder de predicción!!!!!

Más fuerzas…… Fenómenos eléctricos Fenómenos eléctricos FUERZA ELÉCTRICA FUERZA ELÉCTRICA Fenómenos magnéticos Fenómenos magnéticos FUERZA MAGNÉTICA FUERZA MAGNÉTICA ES LO MISMO!!!! ES LO MISMO!!!! Maxwell y el electromagnetismo Maxwell y el electromagnetismo

Física Clásica Hasta finales del siglo XIX la física avanzó de manera importante bajo la dirección de Newton Hasta finales del siglo XIX la física avanzó de manera importante bajo la dirección de Newton A través de la fuerza gravitacional y la fuerza electromagnética era posible explicar todos los fenómenos físicos conocidos A través de la fuerza gravitacional y la fuerza electromagnética era posible explicar todos los fenómenos físicos conocidos ¿Cuáles eran las dudas o problemas? ¿Cuáles eran las dudas o problemas?

Problemas con la Física Clásica Problemas experimentales Problemas experimentales Problemas conceptuales Problemas conceptuales

Problemas Experimentales Conforme mejora la tecnología se empieza a observar y a experimentar con el mundo microscópico Conforme mejora la tecnología se empieza a observar y a experimentar con el mundo microscópico ¿Qué se empieza a observar? ¿Qué se empieza a observar? Que la física clásica no puede explicar lo observado!!! Que la física clásica no puede explicar lo observado!!! Los resultados son completamente diferentes a las predicciones!!!! Los resultados son completamente diferentes a las predicciones!!!!

Problemas Conceptuales Se empiezan a cuestionar algunas de las concepciones básicas dentro de la formulación Newtoniana. Se empiezan a cuestionar algunas de las concepciones básicas dentro de la formulación Newtoniana. Espacio Espacio Tiempo Tiempo Las matemáticas indican algo distinto!!! Las matemáticas indican algo distinto!!!

Mecánica cuántica Surge una nueva física que describe el mundo microscópico. Surge una nueva física que describe el mundo microscópico. Mecánica cuántica Mecánica cuántica Erwin Schrödinger Erwin Schrödinger Werner Heisenberg Werner Heisenberg

Mecánica cuántica Sólo podemos predecir probabilidades Sólo podemos predecir probabilidades El mundo microscópico es muy distinto al macroscópico y nuestras nociones clásicas (macroscópicas) de partículas, ondas, etc. No son aplicables como tales El mundo microscópico es muy distinto al macroscópico y nuestras nociones clásicas (macroscópicas) de partículas, ondas, etc. No son aplicables como tales Es el comportamiento colectivo de un gran número de entes microscópicos lo que se manifiesta macroscópicamente Es el comportamiento colectivo de un gran número de entes microscópicos lo que se manifiesta macroscópicamente

Relatividad especial Un nuevo concepto del espacio y del tiempo Un nuevo concepto del espacio y del tiempo Antes considerados como absolutos, es decir, inmutables, ahora son entidades dinámicas que pueden modificarse. Antes considerados como absolutos, es decir, inmutables, ahora son entidades dinámicas que pueden modificarse. Albert Einstein: Albert Einstein: –Las leyes de la naturaleza son las mismas en todos lados –la luz viaja a una velocidad constante e independiente del marco de referencia

Consecuencias para la Física Todas las teorías físicas tienen que ser consistentes con la mecánica cuántica y con la relatividad especial Todas las teorías físicas tienen que ser consistentes con la mecánica cuántica y con la relatividad especial Nuevos experimentos determinan que además existen al menos otras dos fuerzas!! Nuevos experimentos determinan que además existen al menos otras dos fuerzas!! Nuclear débil Nuclear débil Nuclear Fuerte Nuclear Fuerte GRAN CRISIS!!!!!!!!!!! GRAN CRISIS!!!!!!!!!!!

Consecuencias para la Física Se logra hacer una teoría electromagnética consistente con la relatividad especial y la mecánica cuántica!!!! Se logra hacer una teoría electromagnética consistente con la relatividad especial y la mecánica cuántica!!!! Surge la electrodinámica cuántica QED Surge la electrodinámica cuántica QED Paul A.M. Dirac Paul A.M. Dirac

Unificación Se empieza a entender a fondo la fuerza nuclear débil Se empieza a entender a fondo la fuerza nuclear débil Enrico Fermi Enrico Fermi Empieza a surgir evidencia de que las diferentes fuerzas tienen similitudes Empieza a surgir evidencia de que las diferentes fuerzas tienen similitudes Richard Feynman Richard Feynman

Unificación Se logra generar un marco teórico que incluye a el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte Se logra generar un marco teórico que incluye a el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte Consistente con la relatividad especial y con la mecánica cuántica Consistente con la relatividad especial y con la mecánica cuántica El modelo estándar de las partículas fundamentales El modelo estándar de las partículas fundamentales

Participantes Steven Weinberg (Universidad de Texas) Steven Weinberg (Universidad de Texas) Abdus Salam (ICTP, Italia) Abdus Salam (ICTP, Italia) Sheldon Glashow (Universidad de Boston) Sheldon Glashow (Universidad de Boston)

¿Y la gravedad?..... La teoría de la gravedad Newtoniana no es compatible con las relatividad especial ni con la mecánica cuántica. La teoría de la gravedad Newtoniana no es compatible con las relatividad especial ni con la mecánica cuántica. En 1916 Albert Einstein presenta una nueva teoría de la gravedad, la Relatividad General En 1916 Albert Einstein presenta una nueva teoría de la gravedad, la Relatividad General Aún no consistente con la mecánica cuántica!!!!! Aún no consistente con la mecánica cuántica!!!!!

Partículas fundamentales Bloques fundamentales a partir de los cuales TODO está formado!!!! Bloques fundamentales a partir de los cuales TODO está formado!!!! Fundamental: Sin estructura interna Fundamental: Sin estructura interna Aire, Agua, Viento, Fuego Aire, Agua, Viento, Fuego Átomos Átomos Y luego ….. Y luego …..

Partículas fundamentales Se descubre que el átomo es divisible Se descubre que el átomo es divisible Electrón y núcleo atómico Electrón y núcleo atómico Se descubre que el núcleo es divisible Se descubre que el núcleo es divisible Protón y neutrón Protón y neutrón Se descubre que tanto el protón como el neutrón son divisibles!!!! Se descubre que tanto el protón como el neutrón son divisibles!!!! Quarks Quarks

Partículas fundamentales Entonces tenemos Entonces tenemos

Partículas fundamentales

Cómo aceleramos? Aceleradores de partículas Aceleradores de partículas

Colisiones

Resumiendo….. Hasta el momento conocemos Hasta el momento conocemos Y qué? Y qué?

Qué sabemos? En este momento podemos describir todos los procesos que suceden en los aceleradores con un gran nivel de precisión En este momento podemos describir todos los procesos que suceden en los aceleradores con un gran nivel de precisión Tenemos un entendimiento del universo Tenemos un entendimiento del universo

Cómo es el universo?

Dimensiones extras Las teorías actuales son muy exitosas, sin embargo, aún existen muchos problemas sin solución! Las teorías actuales son muy exitosas, sin embargo, aún existen muchos problemas sin solución! No entendemos las masas de las partículas!! No entendemos las masas de las partículas!! No hemos descubierto el Higgs No hemos descubierto el Higgs No entendemos que pasa con la gravedad a escalas microscópicas!! No entendemos que pasa con la gravedad a escalas microscópicas!! En cuántas dimensiones vivimos? En cuántas dimensiones vivimos?

Dimensiones extras

Estamos tratando de encontrar una manera en que las partículas que serán aceleradas y colisionadas en el CERN puedan identificar si existen más de cuatro dimensiones Estamos tratando de encontrar una manera en que las partículas que serán aceleradas y colisionadas en el CERN puedan identificar si existen más de cuatro dimensiones

Cómo investigamos? Desarrollamos nuestras ideas sobre estos problemas en teorías formuladas matemáticamente Desarrollamos nuestras ideas sobre estos problemas en teorías formuladas matemáticamente Intentamos resolver estas teorías utilizando diversas técnicas: Intentamos resolver estas teorías utilizando diversas técnicas: –con papel y lápiz –con técnicas computacionales desarrolladas por nosotros específicamente para esos problemas –Con una alta cantidad de café –Con la suficiente inspiración En la solución participan estudiantes, colaboradores externos y locales y algo de suerte! En la solución participan estudiantes, colaboradores externos y locales y algo de suerte!

A qué queremos llegar? El propósito fundamental de un científico es el de aportar nuevo conocimiento El propósito fundamental de un científico es el de aportar nuevo conocimiento En la actualidad los científicos tienen que publicar en revistas científicas arbitradas para poder decir que están haciendo algo!!! En la actualidad los científicos tienen que publicar en revistas científicas arbitradas para poder decir que están haciendo algo!!!

Colima Paolo Amore Paolo Amore Ph D Física, Università degli studi di Torino (1999) y College of William an Mary (2000) Física Nuclear Física Nuclear Física no lineal Física no lineal

Colima Alfredo Aranda Fernández Alfredo Aranda Fernández Ph D Física, College of William an Mary (2001) Física de partículas Física de partículas

Colima Elena Cáceres Elena Cáceres Ph D Física, University of Texas at Austin (1996) Teoría de cuerdas Teoría de cuerdas

Colima Christoph Hofmann Christoph Hofmann Ph D Física, Universität Bern (1997) Materia condensada Materia condensada Biofísica Biofísica

Colima Juan Reyes Gómez Juan Reyes Gómez Ph D Física, Universidad de Guadalajara (2005) Estado Sólido Estado Sólido

Colima Cesar Terrero Cesar Terrero Ph D Física, CINVESTAV (2001) Cosmologia Cosmologia

GRACIAS

Cómo vemos?

Para ver cosas pequeñas necesitamos aventar cosas más pequeñas Para ver cosas pequeñas necesitamos aventar cosas más pequeñas Entre más aceleremos una partícula, ésta será mas pequeña Entre más aceleremos una partícula, ésta será mas pequeña