Física I Introducción A La Física

Física I

Introducción a la Física

Objetivos  Motivar el estudio de la Física como ciencia fundamental dentro de las ciencias naturales.  Conocer la relación que existe entre la Física y otras ciencias.  Establecer la importancia de la Física para el fortalecimiento de una concepción científica del mundo  Conocer la relación de la Física con la tecnología y su importancia en la producción y progreso social.  Deducir y fijar algunos conceptos básicos para iniciar el estudio de la Física.  Entender cómo se lleva a cabo la investigación científica aplicando el método científico

Las ciencias estudian las leyes del desarrollo del mundo material, pero cada una de ellas abarca un determinado campo de la realidad. El primer campo lo constituye la naturaleza, formada por los objetos inanimados y los organismos vivos cuyas leyes y fenómenos son estudiados por las ciencias naturales como la Física, la Química, la Biología, la Geología, la Astronomía, etc. Estas ciencias son experimentales y están relacionadas con la tecnología y la producción material, contribuyendo tanto al progreso como al desarrollo del hombre. El segundo campo de la realidad lo constituyen los objetos y sistemas de la sociedad humana, formado por las personas con todos sus productos de su actividad laboral; las leyes y fenómenos que en ella se presentan son estudiados por las ciencias sociales, que se caracterizan por no ser experimentales y son históricamente muy importantes para entender a la sociedad en la que nos desenvolvemos. Por último, las ciencias del pensamiento, tratan de explicar cómo la inteligencia le permite al hombre aprender e interpretar la realidad y a la vez plantear alternativas para transformarla; se caracterizan por ser teóricas y no experimentales. Estos tres www.antorai.com.pe

9

Academia Raimondi

… siempre los primeros

campos de la realidad están estrechamente ligados entre sí, y en su conjunto constituye la ciencia. Dentro de las ciencias naturales contemporáneas se halla la Física. Si bien es cierto que las ciencias naturales están muy relacionadas, también es cierto que cada ciencia tiene objetivos y características diferentes; por ello es necesario definir el objetivo de la Física, es decir, delimitar el círculo de problemas que actualmente estudia y aclarar en qué se distingue de las otras ciencias naturales. Nuestros conocimientos de la naturaleza han aumentado progresivamente lo que paralelamente ha desarrollado ciertas técnicas de producción así como su continuo perfeccionamiento en bien del desarrollo de la sociedad, allí tenemos los vehículos de transporte, los radares, submarinos, los diferentes artefactos electrodomésticos, los teléfonos celulares, etc. Todos estos van generando a su vez nuevas necesidades, permiten desarrollar nuevas técnicas y a su vez adquirir nuevos conocimientos de la naturaleza, ello finalmente permite la evolución de nuestro pensamiento y criterio científico. La ciencia apareció en forma incipiente (conocimiento precientífico), desde el momento en que el hombre empezó a sistematizar sus conocimientos alcanzados. Inicialmente, esta sistematización estaba compuesta de datos obtenidos a través de los sentidos (sensaciones), llamado “conocimiento empírico”, característico del mundo Antiguo (sociedad esclavista) y de la edad media (sociedad feudal). En esta etapa del conocimiento y de la sociedad germinaron algunas ciencias tales como: La Matemática Las primeras referencias de matemática avanzada y organizada datan del tercer milenio a.n.e., en Babilonia y Egipto. Esta matemática estaba dominada por la aritmética, con cierto interés en medidas y cálculos geométricos relacionados con la agricultura y la ganadería. La Astronomía Se inicia con la descripción del movimiento de los astros y la construcción de mapas estelares y calendarios. La astronomía solucionó los problemas que inquietaron a las primeras civilizaciones (Egipto, Mesopotamia), acerca de la necesidad de establecer con precisión las épocas adecuadas para sembrar, cosechar, realizar las celebraciones, así como para orientarse en los viajes. La Mecánica Actualmente forma parte de la Física. Nace con la construcción de grandes estructuras y canales para el regadío (Egipto, Mesopotamia). Asimismo se hizo necesaria para la navegación y la guerra. El problema del movimiento ya ocupaba a los antiguos filósofos de Grecia. Por ejemplo, el filósofo griego Aristóteles pensaba que una piedra cae porque su posición natural está en el suelo; el Sol la Luna y las estrellas describen circunferencias alrededor de la Tierra, porque los cuerpos celestes se mueven por naturaleza. Arquímedes realizó estudios de hidrostática y descubrió el principio de flotación de los cuerpos, además fue inventor de numerosos ingenios mecánicos. 10

www.antorai.com.pe

Física I

Introducción a la Física

La Biología Aunque el término Biología apareció a principios del siglo XIX, el estudio de los seres vivos es muy anterior. Comienza con la descripción de plantas y animales, y rudimentos de fisiología humana que se remontan a la antigua Grecia. Surgió de manos de naturalistas como Hipócrates, Aristóteles, Galeno y Teofrasto. La Geografía Se inicia la descripción de la forma de la superficie de la Tierra. Fue una importante fuente de información para lo jefes militares y los administradores públicos del imperio grecorromano. La Química Desde los primeros tiempos, y más aun luego de descubrir el fuego, los seres humanos observaron la transformación de las sustancias: la carne cocinándose, la madera quemándose, la obtención de los metales a partir de la fundición de minerales, la preparación de tintes para los distintos tipos de tejidos, los alfareros aprendieron a preparar barnices y más tarde a fabricar vidrio. Siguiendo la tradición aristotélica, los artesanos pensaban que los metales de la Tierra tendían a ser cada vez más perfectos y a convertirse gradualmente en oro, esta idea dominaba la mente de los filósofos y los trabajadores del metal, y se escribió un gran número de tratados sobre el arte de la transmutación que empezaba a conocerse como alquimia (precursora de la química actual). Aunque nadie consiguió hacer oro, en la búsqueda de la perfección de los metales se descubrieron muchos procesos químicos.

La Física ¿Qué es la física? La física es la rama de las ciencias naturales que estudia entre otras cosas: el equilibrio, el movimiento, el calor, la electricidad, el magnetismo, la luz, el micro y el macrocosmos; con el propósito de comprenderlos y aplicarlos en beneficio del hombre. En forma general, puede decirse que la física permite comprender, emplear, transformar y pronosticar los fenómenos de la naturaleza Física Clásica y Moderna Se denomina Física Clásica a las pautas y conceptos básicos desarrollados en esta ciencia hasta antes del año 1900, porque este es el año en el que se postulan la Teoría de la Relatividad y la Teoría Cuántica, estas ideas dieron lugar a cambios profundos en los conceptos tradicionales denominándose a esta parte “Física Moderna”. www.antorai.com.pe

11

Academia Raimondi

… siempre los primeros

La Física Moderna no invalida de ningún modo a la Física Clásica, sino que demuestra que la Física Clásica tiene límites, por ejemplo en la Mecánica Clásica las leyes conocidas hasta antes del año 1900 no pueden describir los fenómenos cuando las velocidades de las partículas son cercanas a la velocidad de la luz. En conclusión: La Física Moderna es la Física de las altas velocidades, mientras que la Física Clásica es aplicable a las partículas cuyas velocidades son pequeñas en comparación con la velocidad de la luz. Ramas de la Física: Para su mejor estudio de los fenómenos físicos la física se divide en ramas:  Mecánica: Estudia el movimiento  Acústica: Estudia el sonido  Calor: Estudia los fenómenos térmicos  Electricidad: Estudia los fenómenos eléctricos  Magnetismo: Estudia los fenómenos magnéticos  Electromagnetismo: magnetismo.

Estudia

la

interacción

entre

la

electricidad

y

el

 Óptica: Estudia la luz y sus fenómenos.  Física nuclear: Estudia el átomo.  Física moderna: Estudia la teoría de la relatividad y las características ondulatorias de las características subatómicas. ¿De qué se ocupa la Física? La Física estudia los fenómenos mecánicos, acústicos, térmicos, electromagnéticos, luminosos, etc. en resumen a todos aquellos que son considerados fenómenos físicos, los cuales se llevan a cabo en la naturaleza, descubriendo las leyes que los rigen, a fin de utilizarlas en aplicaciones prácticas para que éstas, luego satisfagan las necesidades del hombre y la sociedad. Pues bien, siendo amplio el espectro de los fenómenos físicos, el contenido lo podemos fraccionar y resumir en las siguientes partes: Mecánica Estudia el movimiento mecánico de una partícula, de los cuerpos rígidos y de los fluidos (sobre todo los líquidos), incluye el estudio de las ondas mecánicas, como el sonido, que es una parte de la acústica y el análisis de las condiciones de equilibrio, etc. Termodinámica 12

www.antorai.com.pe

Física I

Introducción a la Física

Estudia el calor y las leyes que gobiernan los procesos de transformación de la energía de una forma a otra. Física Molecular Estudia las propiedades de los cuerpos considerando que están formados por una gran cantidad de moléculas en movimiento e interacción. Mecánica Estadística Explica y predice teóricamente las propiedades macroscópicas y el comportamiento de un sistema de muchos componentes como es el caso de cualquier sustancia, cuando se le analiza a nivel molecular, para ello se basa en las características ya conocidas de la forma cómo interactúan sus componentes microscópicos. Electromagnetismo y Óptica Estudia y describe los fenómenos eléctricos y magnéticos, demostrando que son fenómenos de una misma naturaleza así como también estudia el comportamiento de las ondas electromagnéticas, usadas actualmente en un sinnúmero de aplicaciones como las telecomunicaciones, mientras que la óptica estudia la propagación, el comportamiento y los fenómenos que experimenta la luz. Campos de estudio de la Física Actual Dos importantes avances producidos durante el primer tercio del siglo XX, la Teoría Cuántica y la Teoría de la Relatividad, explicaron estos hallazgos, llevaron a nuevos descubrimientos y cambiaron el modo de comprender la Física, así como también de la realidad; obligaron a replantear muchas de las concepciones dando lugar al surgimiento de nuevas ramas, agrupadas usualmente bajo el nombre genérico de Física Moderna. Estas ramas son: 

Mecánica Cuántica Estudia el comportamiento de sistemas extremadamente pequeños (moléculas, átomos, núcleos, etc.) y establece las propiedades que caracterizan el comportamiento del micromundo.



Física Atómica Estudia la estructura y las propiedades del átomo, las características de los electrones y otras partículas elementales de que se compone el átomo. Asimismo establece la disposición de los estados de energía del átomo y los procesos de transición electrónica implicados en la radiación de la luz y de los rayos X.



Física Nuclear Analiza las propiedades y estructura del núcleo atómico. Nos permite comprender los fenómenos de fisión y fusión nuclear, así como también la radiactividad natural y artificial. Asimismo el desarrollo de la Física nuclear hace

www.antorai.com.pe

13

Academia Raimondi

… siempre los primeros

que hoy en día tenga múltiples aplicaciones, más allá del uso bélico, como por ejemplo en medicina, ingeniería, agricultura, etc. 

Física de Partículas Se dedica a la investigación de las propiedades, comportamiento y estructura de las partículas a nivel subatómico, especialmente mediante el estudio de las colisiones o desintegraciones acompañadas de una liberación de una gran cantidad de energía. Para ello se hace uso de los llamados aceleradores de partículas, cámaras de niebla que no sólo han permitido conocer más de las partículas ya conocidas sino también mediante él se han descubierto nuevas partículas.



Física del estado sólido Estudia las propiedades físicas de los materiales sólidos; trata usualmente de las propiedades de los materiales cristalinos, pero algunas veces se extiende para que incluya las propiedades de los polímeros. La física del estado sólido ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales ya conocidos y el descubrimiento de nuevos materiales que han sido la base para el vertiginoso desarrollo de la tecnología actual. Esto permitió el descubrimiento de los denominados materiales semiconductores como son: el silicio, germanio, etc. que dieron el impulso en la construcción de transistores, diodos, chips, microchips, etc. los cuales son usados en las computadoras, celulares, etc.





Criogenia Estudia el comportamiento de la materia a temperaturas extremadamente bajas, e incluso actualmente se investiga la posibilidad de conservar seres vivos mediante esta técnica para luego revivirlos en un futuro, al cual no podrían llegar de forma natural (aunque esto presenta ciertas limitaciones). Física del Plasma Estudia el comportamiento de los gases altamente ionizados (con carga eléctrica), tener en cuenta que como plasma, es como más abunda la sustancia en el universo (sol, estrellas, etc.). Los campos de actividad de la física actual, se puede ampliar aun más, por ejemplo podemos mencionar a la astrofísica, la relatividad, la óptica no lineal, etc. Como vemos los campos de estudio son diversos y dentro de ellos mismos el contenido es cada vez más amplio. Esto es consecuencia de nuestro acelerado desarrollo y cambiante conocimiento sobre la naturaleza.

IMPORTANCIA DE LA FÍSICA Y SU RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS Los conocimientos adquiridos en el campo de la Física son tan amplios que los físicos llegan a entrar en contacto con temas tan disímiles como: los organismos vivos o partes de ellos y con la estructura del universo. En este siglo ya se avizora una ciencia Física en contacto con problemas provenientes de la Química, la Biología, la Astronomía, las ciencias de la salud, etc. por ello la importancia de la 14

www.antorai.com.pe

Física I

Introducción a la Física

Física se comprende con respecto a su relación con otras ciencias y su aporte a la actividad práctica del hombre. Su desarrollo continuo le proporciona su base conceptual y su estructura teórica y experimental; la Física está estrechamente relacionada con las demás ciencias naturales, y en cierto modo las engloba a todas. Tal como veremos en una breve sinopsis: Con la Química La química se ocupa dentro de muchos temas, de la interacción de los átomos para formar moléculas; está muy relacionada con la Física y ambas se han desarrollado y correspondido mutuamente; por ejemplo, son de interés común para estas dos ciencias la estructura atómica y molecular; la termodinámica y las propiedades de los gases, líquidos y sólidos. Actualmente la fisicoquímica abarca todas estas relaciones estudiando las propiedades químicas de los átomos y moléculas en función de su estructura; estudia el enlace químico, la estructura de los cristales, de los metales, etc. Con la Biología y la Medicina La Biología Molecular, que comprende la biofísica y la bioquímica, ha constituido un gran aporte a la biología moderna. La biofísica estudia los fenómenos físicos que tienen lugar en los seres vivos. Los sistemas vivos están constituidos por partículas fundamentales que siguen el mismo tipo de leyes que las partículas más sencillas estudiadas tradicionalmente por los físicos. Por ello, cada vez más, el estudiar la estructura de las moléculas en los seres vivos requiere de técnicas de análisis físico como la difracción con rayos X; donde a partir de los datos obtenidos se formuló el modelo del ADN que es el material que contiene la información genética. El estudio de las enzimas, los ácidos nucleicos y en general el estudio físico de las macromoléculas de realizan mejor con las leyes y las técnicas de la Física actual. A nivel celular, con la ayuda de la Física se estudia las membranas, los mecanismos de obtención de energía, intercambios energéticos, mecanismos de autorregulación, etc. y a nivel de los organismos pluricelulares, estudia la transformación de la energía a través de la actividad muscular y la transmisión de información en forma de impulsos en las células nerviosas mediante una acertada combinación de la electroquímica, la electrónica moderna y los modelos matemáticos. Por otro lado, también se aplica la Física nuclear en los sistemas biológicos, incluyendo la investigación de los efectos de la radiación sobre la materia viva. Entre los diversos instrumentos utilizados en las investigaciones biológicas cabe citar el uso del microscopio y también electrónico, centrifugadora y ultracentrifugadora, la radiografía con rayos X y los isótopos radiactivos. Con la Geología Gran parte de la Geología moderna es en esencia un estudio de la Física de la Tierra y se conoce como Geofísica; en ella se aplican los principios físicos al estudio de la Tierra. Los geofísicos examinan los fenómenos naturales y sus relaciones con el www.antorai.com.pe

15

Academia Raimondi

… siempre los primeros

interior terrestre; entre ellos se encuentran el campo magnético terrestre, los flujos de calor, la vulcanología, la propagación de ondas sísmicas y la fuerza de la gravedad. El campo de la Geofísica, tomada en un sentido amplio, estudia también los fenómenos extraterrestres que influyen sobre la Tierra como las manifestaciones de la radiación cósmica y del viento solar. Con la Astronomía La astronomía es la ciencia que trata de las estrellas y del espacio exterior. Debido a los adelantos de la Física moderna, la Astrofísica es actualmente la parte más importante de la Astronomía, ya que busca la comprensión del nacimiento, evolución y destino final de los objetos y sistemas cósmicos, basándose en las leyes físicas que los rigen. En cada objeto o sistema cósmico estudiado, los astrofísicos miden las radiaciones electromagnéticas emitidas y las variaciones de éstas a través del tiempo. Las medidas se utilizan para valorar la distribución y condiciones de la energía de los átomos, así como las clases de átomos que componen el objeto. La temperatura y presión del objeto se pueden evaluar utilizando las leyes de la radiación térmica. Con la Matemática El desarrollo de la Matemática y la Física están muy vinculados entre sí. Sin conocer las matemáticas hay limitaciones para profundizar el estudio de la Física, al menos porque casi todas las leyes físicas se expresan por medio de ecuaciones. Con ayuda de los medios matemáticos pueden comprenderse mejor las leyes que se descubren en los fenómenos físicos. Galileo Galilei, señaló con acierto la importancia de la Matemática en el estudio de la Física. La Matemática es una herramienta fundamental de la Física. Otras ciencias también la utilizan en menor grado. Sin embargo la Física destaca notoriamente, pues un nuevo avance en la Física implica la aparición de nuevos problemas matemáticos, que en el mejor de los casos origina nuevas teorías matemáticas. Por ejemplo, la descripción de algunos movimientos mecánicos iniciado por Galileo fue mejor estudiada aplicando la geometría analítica creada por René Descartes, sin embargo quedaba el problema de crear una matemática que permitiera describir en forma general cualquier tipo de movimiento mecánico, este problema fue resuelto por Isaac Newton y Leibniz al sistematizar cada uno por su parte lo mejor de su entorno y época en el Cálculo diferencial e Integral. Así, hoy en día apreciamos que las matemáticas más abstractas encuentran aplicación en la Física como lo muestran las teorías modernas de la relatividad y la mecánica cuántica. LA MATERIA Es la realidad primaria de la que están hechas las cosas. Realidad espacial y perceptible por los sentidos, que con la energía, constituye el mundo físico. Materia,

16

www.antorai.com.pe

Física I

Introducción a la Física

es pues, todo lo que ocupa un lugar en el Universo. Por tanto, la principal característica de la materia es que tiene volumen. La famosa ecuación de Albert Einstein relaciona la materia y la energía, de tal modo que podríamos decir en sus propias palabras que Materia es Energía superconcentrada y que Energía es Materia superdiluida. Y puede transformarse de energía a materia y viceversa conservando la energía total que es indestructible. Estructura de la materia La materia es todo lo que existe en el universo y está compuesto por partículas elementales. La materia se organiza jerárquicamente en varios niveles. El nivel más complejo es la agrupación en moléculas y éstas a su vez son agrupaciones de átomos. Los constituyentes de los átomos, que sería el siguiente nivel son:  Protones: partículas cargadas de electricidad positiva.  Electrones: partículas cargadas de electricidad negativa.  Neutrones: partículas sin carga eléctrica. A partir de aquí hay todo un conjunto de partículas subatómicas que acaban finalmente en los quarks o constituyentes últimos de la materia. Partículas subatómicas El término partícula engloba desde los constituyentes elementales de los átomos, es decir, electrones, protones y neutrones, hasta elementos que sólo pueden ser encontrados en los rayos cósmicos, o los grandes aceleradores de partículas, como los piones, los muones y otras. También entrarían dentro de esta categoría los neutrinos, entidades que comenzaron su existencia como artificios matemáticos, y ya han sido detectados y forman parte de todas las teorías físicas de la composición de la materia, de la cosmología, astrofísica y otras disciplinas. Los neutrinos pueden presentar diferentes variedades o sabores (así llamadas). Las entidades que no entran en la categoría de partículas, ya que no pueden encontrarse libres en la naturaleza, son los quarks, que se cree son el elemento más pequeño constituyente de la naturaleza. La Física de Partículas o Física de Altas Energías es la parte de la Física que estudia los componentes elementales de la materia y las interacciones entre ellos. Las partículas fundamentales se subdividen en bosones (partículas de espín entero como por ejemplo 0, 1, 2...) y fermiones (partículas de espín semientero como por ejemplo 1/2 ó 3/2). Las fuerzas fundamentales de la naturaleza son transmitidas por bosones. Se consideran 4 tipos de fuerzas o interacciones fundamentales:

www.antorai.com.pe

17

Academia Raimondi  

… siempre los primeros

Electromagnética: Transmitida por fotones la sufren todas las partículas con carga eléctrica. Nuclear débil: Transmitida por los bosones vectoriales W � y Z0 es la responsable, por ejemplo, de la desintegración b.



Nuclear fuerte: Transmitida por los gluones es la que hace que los quarks se unan para formar mesones y bariones (nucleones). Solo la sufren los hadrones.



Gravitación: Transmitida por el gravitón (partícula no descubierta aún). Al nivel de partículas fundamentales esta fuerza es de escasa importancia y difícil de incluir en las teorías.

Algunas teorías fundamentales predicen la existencia de otros bosones más pesados como el bosón de Higgs (a veces varios) que dotaría de masa a las partículas fundamentales. Los componentes básicos de la materia son fermiones, incluyendo los bien conocidos protón, neutrón, y electrón. De éstos, solamente el electrón es realmente elemental. Los otros dos son agregados de partículas más pequeñas (quarks) unidos por la interacción fuerte. Los fermiones elementales existen en cuatro variedades básicas, cada una de las cuales se clasifica en tres generaciones con diversas masas: Tipo de fermión

Leptón

Quark

Nombre

Carga débil*

Carga fuerte (color)

-

–1

–1/2

0

-

Masa 0,511

Electrón

e

Muón

m

–1

–1/2

0

Tauón

t

-

–1

–1/2

0

Neutrino electrón Neutrino muón Neutrino tauón

ne

0

+1/2

0

< 50 eV/c2

nm

0

+1/2

0

< 0,5 MeV/c2

nt

0

+1/2

0

< 70 MeV/c2

u

+2/3

+1/2

R/G/B

~5 MeV/c2

c

+2/3

+1/2

R/G/B

~1.5 GeV/c2

t

+2/3

+1/2

R/G/B

>30 GeV/c2

Up charm (encanto) Top

18

Carga Electroma g.

Símbol o

2

MeV/c 105,6

2

MeV/c 1,784

GeV/c

2

www.antorai.com.pe

Física I

Introducción a la Física down

d

–1/3

–1/2

R/G/B

~10 MeV/c2

strange (extraño)

s

–1/3

–1/2

R/G/B

~100 MeV/c2

bottom

b

–1/3

–1/2

R/G/B

~4,7 GeV/c2

* Las partículas de la tabla solo tienen carga débil si son levógiras o, para las antipartículas, si son dextrógiras. Las partículas se agrupan en generaciones. Existen tres generaciones. La primera está compuesta por el electrón, su neutrino y los quarks up y down. La materia ordinaria está compuesta por partículas de esta primera generación. Las partículas de otras generaciones se desintegran en partículas de las generaciones inferiores. Los leptones existen libres. Sin embargo los quarks solo existen en grupos sin color debido a que los gluones poseen carga de color. Estos grupos están formados por dos (mesones) o tres (bariones) quarks. El protón y el neutrón son algunos de los bariones existentes. El pión es uno de los mesones más importantes. La interacción nuclear fuerte Es una fuerza de corto alcance (del orden de 1 fm), despreciable para distancias mayores a 10-15 m . Es la fuerza que mantiene unidos a los nucleones (partículas nucleares, protón y neutrón) a pesar de la repulsión electromagnética entre partículas cargadas. Algunas partículas, como por ejemplo los quarks y gluones, a parte de tener carga electromagnética, tienen una carga denominada carga de color. La fuerza entre partículas con carga de color es muy fuerte, más fuerte que la electromagnética (por eso llamada fuerza nuclear fuerte). Esto es lo que hace que en los núcleos de un átomo, los protones no se repelan los unos a los otros aún teniendo la misma carga (positiva). Los protones no tienen carga de color, sino que son los quarks de los que están formados (up y down) los que la tienen (y la carga de color entre los quarks de un protón y de otro es lo que los hace estar juntos), al igual que los gluones, que son las partículas portadoras de la fuerza nuclear fuerte que mantienen unidos a los quarks para formar otras partículas, en este caso a los protones. Los gluones también tienen carga de color.

El Universo El Universo es el continuo espacio–tiempo en que nos encontramos, junto con toda la materia y energía existentes en él. Su estudio, en las mayores escalas, es el objeto de la cosmología, disciplina basada en la astronomía y la física. www.antorai.com.pe

19

Academia Raimondi

… siempre los primeros



Edad: El Universo tiene 13 700 millones de años (margen de error cercano

al 1%).



Forma Geométrica: Plana (no significa un universo bidimensional, sino plano en el sentido de no–curvo, de geometría euclídea).  Destino final: La evidencia apoya la Teoría de la expansión permanente del Universo. Hay muchas teorías sobre su origen y destino final, una de las más importantes es la teoría del Big Bang. La Teoría del Big Bang En cosmología, la teoría del Big Bang, o de la gran explosión, es la teoría científica que describe el desarrollo del universo temprano y su forma. La idea central es que la teoría de la relatividad general puede ser combinada con las observaciones a gran escala de galaxias y cambios de posición entre ellas, permitiendo extrapolar las condiciones del universo antes o después en el tiempo. Una consecuencia natural del Big Bang es que en el pasado el universo tenía una temperatura más alta y una mayor densidad. El término Big Bang se utiliza tanto para referirse específicamente al momento en el tiempo en el que se inició la expansión observable del universo (Ley de Hubble), como en un sentido más general para referirse al paradigma cosmológico que explica el origen y la evolución del mismo. Curiosamente, fue uno de los detractores de esta teoría, el astrofísico inglés Fred Hoyle quien, en 1950 y para mofarse, caricaturizó esta explicación con la expresión big bang ("gran explosión", "gran boom" en el inicio del universo), nombre con el que hoy se conoce dicha teoría. Una consecuencia del Big Bang es que las condiciones del universo actual son diferentes de sus condiciones en el pasado o en el futuro. A partir de este modelo abstracto, George Gamow en 1948 pudo predecir que debería haber evidencia de un Big Bang en un fenómeno más tarde bautizado como radiación de fondo de microondas cósmicas (CMB). El CMB fue descubierto en la década de los 60 y se utiliza como confirmación de la teoría del Big Bang sobre su más importante alternativa que es la Teoría del Estado Estacionario. Para llegar a esta explicación, diversos científicos, con sus estudios, han ido construyendo el camino que lleva a la génesis del modelo del Big Bang. Los trabajos de Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, utilizaron la teoría de la relatividad de Albert Einstein para demostrar que el universo estaba en movimiento constante. Poco después, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889–1953), descubrió galaxias más allá de la Vía Láctea que se alejaban de nosotros, como si el universo se dilatara constantemente. En 1948, el físico ruso nacionalizado estadounidense, George Gamow (1904–1968), planteó que el universo se creó a partir de una gran explosión (Big Bang). Recientemente, ingenios espaciales puestos en órbita (COBE) han conseguido "oír" el eco de esta gigantesca explosión primigenia. 20

www.antorai.com.pe

Física I

Introducción a la Física

El universo puede expandirse infinitamente o parar lentamente esa expansión e invertirse en una contracción. El fin de esa contracción se conoce con un término contrario al Big Bang: el Big Crunch o 'Gran Colapso'. Según la teoría del Big Bang, el universo se originó en una singularidad de densidad infinita y físicamente paradójica. El espacio se ha expandido desde entonces por lo que los objetos astrofísicos se han alejado unos respecto a otros. Basándose en medidas de la expansión del universo utilizando observaciones de las supernovas tipo 1a, en medidas de la variación de temperatura en diferentes escalas en la radiación de fondo de microondas y en medidas de la función de correlación de las galaxias, la edad del universo es de 13,7 �0,2 millones de años. Es remarcable el hecho de que tres medidas independientes sean consistentes, por lo que se consideran como una fuerte evidencia del llamado modelo de concordancia que describe la naturaleza detallada del universo. El universo en sus primeros momentos estaba lleno homogénea e isotrópicamente con una energía muy densa y tenía una temperatura y presión concomitante. Se expandió y se enfrió, experimentando unos cambios de fase análogos a la condensación de vapor o la congelación de agua, pero relacionados con las partículas elementales. Datos importantes sobre el universo Estrella Sol Sirio A Canopus Alfa Centauro Arturo Vega Cabra (Capella) Rigel

Constelaci ón Can Mayor Quilla Centauro Boyero Lira Cochero Orión

www.antorai.com.pe

Distancia (A. Luz) 0,000015 8,6 1 200 4,3 37 27 45 540 – 900

Tipo de estrella Amarilla, secuencia principal Blanca, secuencia principal Supergigante blanca Amarilla secuencia principal Gigante roja Blanca, secuencia principal Gigante amarilla Supergigante blanca 21

Academia Raimondi

… siempre los primeros

Proción Achernar

Can Menor Eridano

11,3 85

Amarilla, secuencia principal Blanca, secuencia principal

¿Qué es la antimateria? Como la misma palabra dice, es lo opuesto de la materia, es decir: una materia cuyas partículas elementales tienen carga eléctrica opuesta a la normal. Así, en un átomo de antimateria encontramos en lugar de protones (positivos), antiprotones (negativos) y, en lugar de electrones (negativos), antielectrones o positrones (positivos). Cuando una partícula y una anti–partícula entran en contacto, se produce el fenómeno de la aniquilación o sea de la transformación de la materia en energía. La antimateria, prevista teóricamente por los físicos de los años 30, ha sido producida en laboratorios desde mediados los años 50, gracias a los potentes aceleradores de partículas. Según una teoría cosmológica, en el Universo existen cantidades iguales de materia y de antimateria confinada, obviamente, en regiones distantes entre sí. Sin embargo, en los puntos de encuentro, se producirían grandes fenómenos de aniquilación. Los rayos Gamma, que se observar como radiación de fondo del Universo, son interpretados por algunos como el producto secundario de esta aniquilación. Según otra teoría, en cambio, materia y antimateria existían por partes iguales en él origen del Universo pero con un leve excedente de la primera sobre la segunda. Por consiguiente, la antimateria habría sido totalmente destruida por la aniquilación y el Universo actual estaría constituido por el residuo de materia superviviente. En el estado actual de los conocimientos físicos resulta imposible determinar, a través de observaciones astronómicas a distancia, si una lejana galaxia está hecha de materia o de antimateria, debido a que ambas producen emisiones electromagnéticas idénticas.

22

www.antorai.com.pe