CIENCIAS PARA O MUNDO CONTEMPORÁNEO

ESCALAS DE LONXITUDES NO UNIVERSO:

.

DENDE

MÁIS PEQUENO

Ó

MÁIS GRANDE(e viceversa)

Jaime Álvarez Muñiz e Carlos Pajares Vales Depto. Física de Partículas, USC

Nas seguintes diapositivas verás

un cadrado vermello coma éste:

A lonxitude do lado do cadrado é aproximadamente igual

a lonxitude que aparecerá indicada na diapositiva.

Por exemplo...10-1 m10 cm

Cal é ?

A dereita ou a esquerda ?

Vamos facer unha viaxe

a moi alta velocidade,

aumentando o lado do cadradro

de 10 en 10.

Comezamos con 10-2 metros = 1 centímetro, e aumentamos as distancias en múltiplos de 10, ou sexa:

10-2 metros = 0,01 m = 1 centímetro = 1 cm

10-1 m = 0,1 m = 10 cm

100 m = 1 m = 100 cm

101 m = 10 m

102 m = 10 x 10 = 100 m

103 m = 10 x 10 x 10 = 1.000 m = 1 km

104 m = 10 x 10 x 10 x 10 = 10 km

... e así sucesivamente ...

... ata os confíns do Universo.

Boa viaxe !

10-2 m1 cm

Parece herba, pero...

...por qué está pintada de branco?

10-1 m10 cm

Segue parecendo herba, pero...

...por qué está pintada de branco?

100 m1 metro

Unha liña branca no medio da herba...

101 m10 metros

Agora debería estar máis claro o que é...

102 m100 metros

Qué equipo xoga aquí ?

103 m1 km

Unha cidade con mar, praia, porto,...

...e estadio de fútbol

A Coruña !

104 m10 km

105 m100 km

Galicia !

106 m1.000 km

España !

107 m10.000 km

Europa, Norte de África e o Océano Atlántico

108 m100.000 km

A Terra !!

A órbita da Lúa en torno á Terra.

109 m1 millón de km !

Parte da órbita da Terra ó redor do Sol (en azul)

1010 m10 millóns de km

1011 m100 millóns de km

Órbitas de Venus, Terra e Marte

Órbitas de:

Mercurio, Venus, Terra, Marte e Xúpiter

1012 m

1.000 millóns de km

Chegamos ó límite do Sistema Solar, podemos observar a órbita de todos os planetas...

... Plutón incluído

1013 m10.000 millóns de km

1014 m

100.000 millóns de km

Decimos adeus ó Sistema Solar que comeza a desaparecerno medio do universo...

O Sol pasa a ser unha pequena estrela no medio doutras miles...

1015 m1 billón de km !!

Mediremos a partir de agora as distancias en“anos-luz”

A “nosa estrela” o Sol aparece moi pequena, hai centos de miles de estrelas !!

1016 m1 ano-luz

O Carrabouxo

Xosé Lois 17-7-04

Xa só vemos centos de millóns de estrelas...

1017 m10 anos-luz

Vemos todavía máis estrelas que se agrupan en “nebulosas”

1018 m100 anos-luz

1019 m1.000 anos-luz

As estrelas parecen fundirse. Comezamos a ver a Via-Láctea, a nosa propia galaxia !!

Seguimos dentro da Via-Láctea.

1020 m10.000 anos-luz

Comezamos a ver os bordes da Via-Láctea

1021 m100.000 anos-luz

1 trillón de km !!!

Xa se ven toda a Via-Láctea e tamén outras galáxias !!

1022 m1 millón de anos-luz

A nosa galaxia non é máis que unha de tantas no universo, con inmensos espazos baleiros entre elas....

Poderíamos aumentar todavía máis o lado do noso cadrado pero xa é hora de volver a casa....

1023 m 10 millóns de anos-luz

1 m 100 m 100 km

10.000 km10.000 millóns de km

1 ano-luz 1 millón de anos-luz

1023 m 10 millóns de anos-luz

1022 m1 millón de años-luz

1021 m100.000 anos-luz

1 trillón de km !!!

1020 m10.000 años-luz

1019 m1.000 años-luz

1018 m100 anos-luz

1017 m10 anos-luz

1016 m1 ano-luz

1015 m1 billón de km !!

1014 m

100.000 millóns de km

1013 m10.000 millóns de km

1012 m

1.000 millóns de km

1011 m100 millones de km

1010 m10 millóns de km

109 m1 millón de km !

108 m100.000 km

107 m10.000 km

106 m1.000 km

105 m100 km

104 m10 km

103 m1 km

102 m100 metros

101 m10 metros

100 m1 metro

10-1 m10 cm

10-2 m1 cm

Unha herba

10-3 m1 milímetro

Comezamos a ver as células e as unións entre elas.

10-4 m0,1 mm

Comeza a viaxe ó

interior da célula...

10-5 m0,01 mm

Cambiamos a unidade de medida:

0,001 mm = 1 micra

a millonésima parte do metro...

O núcleo da célula xa é visible

10-6 m1 micrómetro

Aparecen os cromosomas

10-7 m0,1 micrómetros

A esencia da vida: podemos ver a cadea de ADN coa súa estructura en forma de dobre hélice.

10-8 m0,01 micras

10-9 m0,001 micras

Os bloques cromosómicos

Un novo cambio de unidades:

0,0001 micras = 1 Angström

Aparecen as nubes de electróns do átomo de Carbono...

10-10 m1 Angström

Perdidos na nube de electróns do átomo de Carbono... ou perdidos entre as estrelas?

10-11

10 picómetros0,1 Angström

Un inmenso espazo baleiro entre o núcleo atómico e as órbitas de electrones.

Se a catedral de Santiago fose do tamaño dun átomo, o núcleo sería do tamaño dunha mosca...

10-12 m1 picómetro

0,01 Angström

O núcleo do átomo de Carbono é visible, e parece ter algo dentro...

10-13 m0,1 pico-metros0,001 Angström

O núcleo está formado de partículas chamadas nucleóns: protóns e neutróns.

10-14 m0,01 picómetros

Cambiamos de unidades:

0,001 picómetros =

1 fentómetro ou 1 fermi

Estamos vendo o interior dun protón. Os protóns están constituídos por partículas ‘quark’ de “cor”, todavía máis pequenas...

10-15 m1 fentómetro

É o límite da materia... polo de agora non sabemos que hai dentro dos quarks...

10-16 m ?0,1 fermi

Unha boa pregunta na que reflexionar...

¿Haberá algo despois destos límites?

¿Hai límites?

Partículas elementais e a orixe do Universo

Jaime Álvarez Muñiz e Carlos Pajares Vales - Depto. Física de Partículas, USC

Ciencias para o Mundo Contemporáneo

¿De qué está feito o mundo que nos rodea?

¿Cómo se mantén unido?

Dúas preguntas fundamentais:

¿De qué está feita a materia ?

1 1/2 1/22 1/23 1/24

1/25 1/26 1/27 1/28 1/29

1/210 1/211 1/212 1/213 1/214

Se facemos esto mismo otras 70 veces !! chegaremos a conseguir UN ÁTOMO.

Collamos un trozo de materia, por exemplo…

16384 trociños

CHOCOLATE

Helio (He)

Neon (Ne)

Todos os átomos teñen un núcleo con carga positiva, e electróns con carga negativa orbitando ó seu arredor.

O átomo pódese dividir !

Evidencia de subestructura no átomo

(Rutherford 1911)

Partículas alpha (carga positiva)

Pero… ¿e o núcleo?, ¿es indivisible ?

1 Angström =10-10

m

O núcleo se pode dividir !

O núcleo atómico contén protóns de carga positiva e neutróns sen carga.

10-14

m

Pero… ¿e os protóns e neutróns?,

¿son indivisibles ?

u

d

u

u

dd

Protón

Neutrón

Pois non…os protóns e neutróns tamén se

poden dividir !

1 fermi = 10-15

m

Neutróns e protóns conteñen “quarks” up e down

Pero… ¿e os quarks?, ¿tamén se poden dividir?

<10-18

m

? Non hai evidencia experimental

Pero… ¿e os quarks?,

¿tamén se poden dividir?

u

d d

¿E os electróns?, ¿se poden dividir?

Hai evidencia experimental de que non…

QuarksNeutrónElectrón ProtónÁtomo

…hoxe sabemos que a materia está feita de átomos, os átomos están feitos de protóns, neutróns e electróns, os protóns e neutróns están feitos de quarks e éstos, a súa vez, ó igual que os electróns, pode (ou non) que estean feitos de partículas incluso MÁIS elementais...

En resumo…

NUCLEÓN ~ 10-15 mNÚCLEO ~ 10-14 mÁTOMO ~ 10-10 m QUARKS

Outra partícula elemental: o fotón

O efecto fotoeléctrico:

Un raio de “luz” pode arrancar electróns da materia porque a

“luz” está formada por partículas chamadas fotóns

Luz incidente Electróns arrancados

Einstein (1905)

Ademáis da materia existe a antimateria

+ =

1 gramo demateria

1 gramo deantimateria

Liberan una enerxía

equivalente á da explosión dunha bomba atómica

E = mc2

A antimateria prodúcese en aceleradores de partículas…

mais non hai perigo !!

Se collemos toda a antimateria producida nos aceleradores nun ano e a

desintegramos contra materia, a enerxía liberada só chegaría para quentar

unha taza de café

¿Qué mantén unida á materia?

Existen 4 forzas fundamentais na Naturaleza:

Gravitatoria

Electromagnética

Forte

Feble

As interaccións entre partículas se producen por intercambio de outras partículas elementais.

Experimentos en Física de Partículas

Dous pasos básicos

1ª Atopar unha fonte de partículas, aceleralas ata que alcancen grandes enerxías e facelas chocar entre elas ou contra un branco.

2ª Estudiar as novas partículas resultantes desas colisións en detectores e extraer conclusións acerca do interior da materia.

É como nunha radiografía…

Bombardeamos partículas (fotóns = raios X) contra un

branco (o corpo humano) e do que observamos no detector (a

radiografía) sacamos conclusións acerca do que hai

no interior…

Exemplo dun acelerador de partículas: a TV

No tubo dunha TV aceléranse electróns que ó chocar contra a pantalla da TV producen a imaxe que vemos.

! Un acelerador de partículas na miña propia casa !

Aceleradores de partículas no mundo

3.2 km

SLAC (EEUU)

O CERN (Suiza)

27 km de circunferencia !!

CERN: Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire

100 m

LHC Large Hadron Collider (2008 - )

Colisóns protón-protón no acelerador LHC

http://cdsweb.cern.ch/record/1125472

Exemplo dun detector de partículas

Detector ALICE no acelerador LHC do CERN

A orixe do Universo

O descubrimento de HubbleNo ano 1929 o astrónomo estadounidense Edwin Hubble fixo un dos descubrimentos máis importantes do século XX

Hubble observou que as galaxias no ceo non estaban quietas, polo contrario se moven e de feito aléxanse unhas das outras !!

A expansión do UniversoAs galaxias se alexan unhas das outras porque o Universo se está expandindo a medida que o tempo pasa, e arrastra ás galaxias consigo na súa expansión.

Imaxina un globo no que pintamos puntos que representan as galaxias e o inflamos

O “Big Bang”

Big Bang

Tempo

Se vamos hacia atrás no tempo, no pasado as galaxias estiveron máis xuntas, e o Universo era máis pequeno.

Chegaríamos así a un instante no tempo no que toda a masa, a enerxía, e o espacio do Universo están concentrados nun punto de densidade enorme… a orixe do Universo, o Big Bang ou Gran Explosión.

É debido ó Big Bang que o Universo está todavía expandíndose.

O Big Bang ocorreu fai ~ 13.700 millóns de anos !!

A historia do Universo• O Big Bang é o comezo do espacio e o tempo,

antes non había nin espacio, nin sequera ten sentido falar dun “antes”…

• A temperatura é a densidade de enerxía eran enormes. A medida que se expande o Universo vaise enfriando.

A historia do Universo

A historia do Universo

• A enerxía convértese en materia en virtude da ecuación de Einstein E=mc2

• Deste xeito aparecen primeiro as partículas elementais, que despois se agruparían formando átomos, que a súa vez forman estrelas, planetas, e finalmente aparece a vida.

A historia do Universo

A historia do Universo• A vida evoluciona e aparece o ser

humano. A súa intelixencia lle leva a preguntarse pola orixe do Universo…

A orixe do Universo e a Física de Partículas

• Os físicos de partículas crean mini-Big Bangs nos aceleradores, reproducindo as condicións de extrema densidade e temperatura do Universo fai miles de millóns de anos…

http://hands-on-cern.physto.se/ani/acc_lhc_atlas/lhc_atlas.swf