Manual de física contemporánea E-Book

Simone Malacrida

• Herausgeber: Simone Malacrida
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Este libro trata de manera sintética todas las teorías de la física contemporánea, desde la relatividad (especial y general) hasta la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos, pasando por la física nuclear y de partículas. Además, se exponen los rudimentos de física de plasmas, estado sólido, semiconductores y teoría de grupos.
El enfoque de este manual es abordar directamente el formalismo matemático y presentar las principales ecuaciones de cada teoría, explicando su significado y consecuencias, así como los problemas que quedan abiertos.
El hilo lógico que une los distintos párrafos está dado por una superación de las viejas teorías para dar respuesta a nuevas necesidades; por su parte, se destacarán dos directrices principales de la física contemporánea: la tendencia a la unificación de las teorías físicas y el papel fundamental de la energía en las ecuaciones que subyacen a cada una de ellas.

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Tabla de Contenido

"Manual de Física Contemporánea"

INTRODUCCIÓN

SISTEMA INTERNACIONAL

PREFIJOS

CONSTANTES FÍSICAS

OPERADOR NABLA

ESQUEMA DE CÁLCULO TENSORIAL

I | LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL

II | ELECTROMAGNETISMO

III | LOS PROBLEMAS DE LA FÍSICA CLÁSICA

IV | MECÁNICA CUÁNTICA

v | LA TEORÍA DEL CAMPO CUÁNTICO

VI | FÍSICA NUCLEAR, FÍSICA DE PARTÍCULAS Y UNIFICACIONES

VII | LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL Y LA ASTROFÍSICA

APÉNDICE 1 | FÍSICA DEL PLASMA

APÉNDICE 2 | FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO Y SEMICONDUCTOR

APÉNDICE 3 | LA TEORÍA DE LOS GRUPOS

APOSTILLA

"Manual de Física Contemporánea"

SIMONE MALACRIDA

––––––––

Este libro trata de manera concisa todas las teorías de la física contemporánea, desde la relatividad (restringida y general) hasta la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos, pasando por la física nuclear y de partículas. Además, se exponen los rudimentos de la física del plasma, la física del estado sólido, la física de los semiconductores y la teoría de grupos.

El enfoque de este libro de texto es tratar directamente con el formalismo matemático y presentar las principales ecuaciones de cada teoría, explicando su significado y consecuencias, así como los problemas que quedan abiertos.

El hilo lógico que une los diferentes párrafos está dado por una superación de las viejas teorías para cumplir con los nuevos requerimientos; por su parte, se enfatizarán dos directrices principales de la física contemporánea: la tendencia a la unificación de las teorías físicas y el papel fundamental de la energía en las ecuaciones que subyacen a cada una de ellas.

Simone Malacrida (1977)

Ingeniero y escritor, ha trabajado en investigación, finanzas, política energética y plantas industriales.

ÍNDICE ANALÍTICO

INTRODUCCIÓN

SISTEMA INTERNACIONAL

PREFIJOS

CONSTANTES FÍSICAS

OPERADOR NABLA

ESQUEMA DE CÁLCULO TENSORIAL

I – LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL

II – ELECTROMAGNETISMO

III – LOS PROBLEMAS DE LA FÍSICA CLÁSICA

IV – MECÁNICA CUÁNTICA

V – LA TEORÍA DEL CAMPO CUÁNTICO

VI – FÍSICA NUCLEAR, DE PARTÍCULAS Y UNIFICACIONES

VII – LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL Y LA ASTROFÍSICA

APÉNDICE 1 – FÍSICA DEL PLASMA

APÉNDICE 2 – FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO Y DEL SEMICONDUCTOR

APÉNDICE 3 – LA TEORÍADE GRUPOS

APOSTILLA

INTRODUCCIÓN

––––––––

Contar la física contemporánea, y la historia de esta ciencia, hablar de lo sucedido en los últimos 150 años es ahora bastante frecuente, sobre todo si consideramos los campos de aplicación de la relatividad, el electromagnetismo, la mecánica cuántica y la física nuclear.

Hay numerosos escritos populares, especialmente si se refieren a un solo sector mencionado anteriormente y hay, además, bibliotecas enteras de textos especializados en el nivel universitario y mucho más allá.

Por lo general, estas dos tipologías antitéticas y complementarias tienen en común la característica de una cierta extensión de escritos. Explicar a nivel popular o plantear teorías, con ecuaciones y consecuencias, son ejercicios que requieren una gran cantidad de palabras y páginas.

Este breve manual, por otro lado, tiene una concisión típica debido a la extrema síntesis en la exposición de algunos conceptos y algunos efectos.

No se abordarán discursos totalmente informativos, ni se expondrán todos los pasajes matemáticos necesarios o prerrequisitos científicos para comprender a cabalidad estas teorías. No obstante, se enunciarán y explicarán todas las principales ecuaciones de este siglo y medio, pasando de una teoría a otra.

Además, no seguiremos un orden puramente cronológico, sino lógico, partiendo de un año considerado fundamental, 1905, y retrocediendo para continuar a lo largo del siglo XX. Incluso más adelante, dejaremos para el final la exposición de la relatividad general, anticipando en su lugar teorías que fueron enunciadas décadas después.

Este orden lógico forma parte de una visión personal del autor (y no podía ser de otra manera), pero sin duda ayudará a comprender en qué líneas ha progresado el conocimiento físico contemporáneo.

Los siete párrafos de este manual son algo independientes entre sí, cada uno de ellos aborda un tema propio. Es cierto que existe un hilo lógico que une todos los párrafos y que constituye la columna vertebral del manual, así como la idea inicial de la que partió. Precisamente siguiendo este hilo lógico verás todos esos paralelismos y todas esas innovaciones, muchas veces desconocidas incluso para los iniciados.

Por esta razón, al menos tres temas se omiten de la parte principal del libro y se presentan en el apéndice. El hilo lógico que se ha elegido para la descripción de la física contemporánea es independiente de la física del plasma, la física del estado sólido y la teoría de grupos. No obstante, estos argumentos forman parte de la física contemporánea y por eso en todo caso se enunciarán, aunque, como ya se ha dicho, en el apéndice.

En resumen, podemos resumir los temas de los siete párrafos que constituyen el "corazón" de este manual, de la siguiente manera:

––––––––

1) La teoría especial de la relatividad

2) Electromagnetismo y ecuaciones de Maxwell

3) Los problemas de la física clásica

4) La mecánica cuántica y la reconciliación con la relatividad especial

5) La segunda cuantización y la teoría cuántica de campos

6) Interacciones nucleares, física de partículas y unificación de fuerzas

7) Relatividad general y consecuencias astrofísicas

––––––––

Como se puede ver en esta sucinta lista de temas, cada párrafo por sí solo sería el tema de un libro completo, y para cada una de estas áreas de la física, hay cursos universitarios completos. Por lo tanto, es obvio que no puede haber exhaustividad en la descripción de tantos fenómenos en tan pocas páginas.

Este manual ciertamente no tiene una afirmación tan poco realista. De una manera mucho más sencilla, se propone un esquema lógico que tiende a vincular una serie de teorías físicas dispares en un solo discurso como para pintar un cuadro común de conocimiento que se mueve en direcciones precisas.

Una de estas direcciones es la tendencia a la unificación, es decir, la puesta en común de fenómenos y teorías que, a primera vista, parecen desconectados pero que la ciencia nos dice que, década tras década, están cada vez más interconectados como las caras de un mismo dado.

Otro rasgo muy común es el papel fundamental que tiene la energía en cada una de estas teorías. Se pueden formular fácilmente ecuaciones energéticas que luego son la base de los supuestos teóricos y experimentales.

La certeza de esto la tendremos tanto con la relatividad especial, a través de la ecuación de Einstein colocada al principio del manual, como con la mecánica cuántica que tomó su ímpetu de la ecuación de Planck para la energía cuantizada hasta la ecuación (también energía) de Schrödinger y con la general relatividad en la que la energía tensorial ocupa un lugar destacado.

Una tercera peculiaridad que se destacará es la superación continua de los problemas anteriores. Como veremos, muchas teorías nacieron para dar respuesta a problemas, tanto experimentales como teóricos, que no pueden ser explicados por lo descubierto por la ciencia de la época. Una vez estructuradas estas nuevas teorías, se comprobó que los problemas anteriores se resolvían fácilmente, mientras surgían otros.

Esta característica forma parte, por tanto, de una eterna carrera hacia una mejor descripción de lo que nos rodea y una mejor comprensión de todos los fenómenos existentes, a raíz de una derivación del mito de Ulises, que encarna la eterna propensión del hombre al conocimiento.

Estas importantes directivas también resaltarán una certeza fundamental. Las teorías actuales, las consideradas más generales de todas y comprobadas experimentalmente, no son ni completas, ni exhaustivas, ni totalmente correctas.

La teoría cuántica de campos, que incluye tanto la generalización de la mecánica cuántica como la reconciliación con la relatividad especial y la explicación de las interacciones nucleares (al menos de la débil) tiene problemas y limitaciones tales que algunos fenómenos físicos no concuerdan con ella. Lo mismo puede decirse de la teoría general de la relatividad.

Básicamente, estas dos teorías, al no poder explicar la totalidad de los fenómenos, no son tan generales como pensamos; lo más probable es que sean aproximaciones de una teoría aún mayor. Esta suposición se basa también en que ninguna de las dos teorías mencionadas contempla los resultados de la otra dentro de sus propias previsiones y que existen dificultades, por ahora insalvables, para reconciliar las dos visiones en un único concepto lógico superior.

El alma del artículo coincide con la idea detrás de este manual, a saber, que siguiendo una tendencia lógica particular entre las ecuaciones de energía y los intentos de unificación, se puede trazar un macrocamino en la historia de la física contemporánea para entender dónde vamos a terminar. en este siglo XXI.

En conclusión, tras los apéndices necesarios para completar el cuadro de la física contemporánea, habrá lugar también para cuestiones aún más generales sobre el sentido mismo de la naturaleza, la energía, la ciencia y el lenguaje matemático adoptado.

SISTEMA INTERNACIONAL

––––––––

Largo

metro

metro

Masa

kilogramo

kg

Hora

de acuerdo a

s

La temperatura

Kelvin

k

Corriente eléctrica

amperio

A

intensidad de luz

vela

CD

Sustancia química

lunar

mol

Ángulo plano

radiante

radical

Esquina sólida

estereorradián

Srs

Frecuencia

hercios

Hz

Poder

newtons

No

Presión

pascal

Pensilvania

Poder

joule

j

Potenza

vatio

w

Carga eléctrica

culombio

C

Potencial eléctrico

voltio

v

Capacidad eléctrica

faradio

F

Resistencia eléctrica

ohm

Ω

Conductancia eléctrica

siemens

S t

Flujo magnético

Weber

Wb

Densidad de flujo magnético

tesla

T

Inductancia

Enrique

h

flujo luminoso

lúmenes

estoy

Encendiendo

lux

lx

Actividad radiactiva

becquerel

bq

Dosis radiactiva absorbida

gris

Gy

Dosis radiactiva equivalente

sievert

S t

PREFIJOS

––––––––

tú decides

d

centi

C

mili

metro

micro

enano

no

Foto

pag

femto

F

escritura

a

zepto

z

yocto

y

decá

de

hecto

h

kilo

k

mega

metro

Curro

gramo

tera

T

peta

PAG

ejemplo

Y

zetta

Z

yotta

Y

CONSTANTES FÍSICAS

––––––––

Carga eléctrica elemental

constante gravitacional universal

Constante de estructura fina

Velocidad de la luz en el vacío

Constante dieléctrica en el vacío

Permeabilidad magnética en el vacío

constante de Planck

constante de Dirac

Magnetón de Bohr

Radio de Bohr

Constante de Rydberg

Longitud de onda Compton del electrón

Longitud de onda Compton del protón

Masa reducida del átomo de hidrógeno.

Constante de Stefan-Boltzmann

constante de Wien

constante universal de gas

constante de avogadro

Constante de Boltzmann

Masa del electrón

Masa de protones

Masa del neutrón

Unidad elemental de masa

Magnetón nuclear

unidad astronómica

Año luz

parsecs

constante de Hubble

OPERADOR NABLA

––––––––

COORDENADAS CARTESIANAS ( x,y,z )

Degradado

Divergencia

laplaciano

Rotor

COORDENADAS CILÍNDRICAS

Degradado

Divergencia