8. Relativitat i mecànica quàntica (Max Planck) (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Pompeu Fabra (UPF)
Grado Humanidades - 4º curso
Asignatura Història de la Ciència i Cultura Científica
Año del apunte 2015
Páginas 6
Fecha de subida 23/03/2016
Descargas 32
Subido por

Vista previa del texto

Història de la ciència i cultura científica 4t Humanitats Janina Berzosa Poch 8.- LA RELATIVITAT I LA MECÀNICA QUÀNTICA (MAX PLANCK) Obra d’art que exemplifica el context històric del segle XIX a les grans ciutats europees.
Menzel fa un quadre el 1874 que exemplifica la vida i els processos de treball en una fàbrica. Apareixen la duresa i l’exigència corporal d’aquest tipus de treballs. Es reflecteixen les condicions de treball. És una fundició on fonen material. Quan nosaltres tenim un metall i el fonem, l’hi hem hagut d’aplicar calor. Quin tipus de calor? La qüestió és trobar el mètode més adequat i de més rendiment a l’hora de portar això a terme.
 Es tracta del problema de l’energia i de la seva distribució en els cossos.
Màquina de vapor.
Què succeeix dins d’un forn de fàbrica? Com afecta l’energia calorífica als metalls? Això és la base de la segona revolució industrial.
S’estudien aquests processos per cercar una optimització major. Hem de tenir en compte que hi havia molts diners al darrere.
Rudolf Clausius llança la idea de la termodinàmica; la teoria del calor. Fa una anàlisis sobre el funcionament de la màquina de vapor per establir-ne les condicions òptimes que permeten treure el màxim rendiment. Clausius diu que hi ha cossos en temperatura diferent que finalment s’equilibrarà amb el potencial calorífic de l’entorn on es troba. Ex. Gel fonent-se en un ambient calent: augmenta l’entropia. Clausius diu que el gel té tendència a agafar la temperatura de l’entorn. El gel es desfà, augmenta la temperatura, perquè el líquid del got té una temperatura més alta. Les dues temperatures s’acabaran ordenant. Abans que es barregi el gel amb el líquid, aquests dos estan ben ordenats. Quan es barregen les dues augmenta el desordre, l’entropía. Aquest procés és irreversible. Mai aconseguirem que el gel es torni a formar.
La conclusió és que els processos en el cosmos van cap a una mateixa direcció, i no es pot tirar enrere.
Aquestes teories d’en Clausius estan dedicades al treball. Quan posem en marxa una màquina de vapor, l’energia calorífica que li introduïm té tendència a traspassar-se al seu Història de la ciència i cultura científica 4t Humanitats Janina Berzosa Poch medi. Per exemple, en una sala en la qual hi hagi una màquina de vapor, l’ambient s’escalfarà. Això és perquè hi ha una pèrdua calorífica d’aquesta màquina. Es vol trobar la manera d’evitar això perquè la màquina sigui més efectiva.
-  La idea de L’ENTROPIA s’estableix en el moment en que els físics i enginyers constaten que l’energia que es localitza en una màquina no genera la quantitat de treball per la que ha estat construïda. Únicament una part de l’energia invertida genera l’efecte pel qual ha estat construïda. Els físics diferencien entre l’energia que es tradueix en treball a través de la màquina i és alliberada, i l’energia que es manté en la construcció i que es perd en l’augment de temperatura quan es mouen els components de la màquina. Caldrà també, juntament a aquesta diferenciació, determinar més exactament la diferència entre el total d’energia i l’energia alliberada. Amb aquesta finalitat s’introdueix la idea d’entropia de Rudolf Clausius.
R. Clausius era un dels grans científics de l’època, molt respectat i s’ocupà de com funcionava aquesta màquina des del punt de vista teòric (de la física). Apliquen la teoria mecànica de la calor a la màquina de vapor. Els autors que parlen de la teoria mecànica eren Galileu i Newton. Ara bé, què és l’entropia? Fa referència a un grau de desordre. Com més gran sigui el desordre, més gran és l’entropia (si està ordenat un sistema és que té l’entropia molt baixa). Hi ha sistemes que tendeixen a una entropia major. Totes les coses de la natura, tendeixen a una entropia major (com més gran, millor  més desordre).
 Exemplificació de la idea d’entropia: gel (amb un grau d’ordre determinat) en un líquid (que té el seu grau d’ordre determinat). Quan els dos (gel i líquid) es barregen, l’entropia augmenta perquè es barregen d’una manera desordenada. Ara bé, augmenta l’entropia, el desordre del sistema, però l’energia no es perd. Ara bé, la temperatura es manté (el gel s’escalfa i el líquid es refreda), independentment de la temperatura.  Sòlid (entropia més baixa), líquid (una mica més alta) i gas (entropia molt més alta).
- Lleis de la TERMODINÀMICA (estudi de l’energia): la primera llei de la termodinàmica declara que l’energia de l’univers és constant; la segona, que aquesta energia propaga a la incomunicació, al desordre, tot i que la quantitat total no decreix. Aquesta gradual desintegració de les forces que composen l’univers, és l’entropia. Un cop igualades les diverses temperatures, un cop exclosa (o Història de la ciència i cultura científica 4t Humanitats Janina Berzosa Poch compensada) tota acció d’un cos sobre un altre, el món serà un fortuït concurs d’àtoms. En el centre profund de les estrelles, aquest difícil i mortal equilibri ha estat aconseguit. A força d’intercanvis l’univers sencer ho aconseguirà i estarà tebi i mort. La llum va perdent color; l’univers minut per minut, es fa invisible. (text de J.
L. Borges).  Cada vegada hi ha més gent que dirà que el coneixement només pot ser si és mesurable.
Les grans ciutats comencen a tenir projectes de desenvolupament d’enllumenat i de transport (tramvia).
Thomas Edison  invent revolucionari per la vida pública i privada serà la bombeta.
Radiografia d’una bombeta. Podem veure com es distribueix l’energia, la potencialitat calorífica, dins d’aquest cos. L’infraroig que està a dalt és un punt de pèrdua d’energia. El vidre s’escalfa molt, contacta amb l’aire del voltant, i es perd molta energia. És un gran negoci tot això. A més, ja podem determinar que potser la seva opció no és la que dóna un rendiment més alt.
Hi haurà un institut alemany que estudiarà això.
L’invent alemany del moment és apropar els desenvolupaments científics per la millora dels processos de treball i de producció. La ciència i la indústria al mateix lloc cercant solucions científiques a problemes que es poden generar dins la producció industrial.
à W. OSTWALD: gran químic que agafà la idea d’energia, de termodinàmica, per generar un sistema filosòfic per entendre el món. Utilitza un coneixement quantificable, vertader, per explicar-nos en què consisteixen els fenòmens de la natura. à “Crec que la submissió d’ambdós conceptes (matèria i esperit) al de l’energia és un gran guany, la manera més senzilla i natural de superar les antigues dificultats que s’oposen a la unió d’aquests conceptes (de matèria i de l’esperit).” à Ostwald desenvolupa un sistema filosòfic que es fonamenta en els darrers resultats científics a finals del XIX i inicis del XX. Consisteix en un monisme no-materialista i no-espiritualista (un sol concepte ho explica tot). Com que venim d’aquella teoria mecànica de la calor, entén que l’energia és un concepte continu (és la natura discreta o continua? Mendel considerava que era discreta). Aquí Ostwald entén que l’energia és quelcom continu. Exclou, doncs, la possibilitat que la natura sigui Història de la ciència i cultura científica 4t Humanitats Janina Berzosa Poch discontinua i exclou, per tant, l’existència dels àtoms. Va en contra d’Ernst Mach (únicament és coneixement allò que jo puc observar experimentalment).
à L’energetisme (aquest sistema filosòfic) queda a racó després de la IGM, quan guanya el positivisme. Ara bé, als anys 60 hi ha una sèrie de pensadors que vénen de l’economia i creuen que el procés que està agafant el capitalisme (idea de créixer) acabarà malament, idea de col·lapse. En el seu moment no se’ls farà cas. Georgescu-Roegen (Llei de l’entropia i el procés econòmic) tindrà l’energia com a concepte cabdal per entendre els processos econòmics (el creixement infinit no existeix). Aquesta idea es recupera i avui en dia és una de les que centra el debat econòmic. à Per tant tenim que una idea “científica”, la idea de energia (entropia), la utilitzem per entendre altres àmbits, per entendre el món. à Necessitat d’energia: Des del funcionament d’un ordinador, una màquina de vapor o el moviment d’un animal o ésser humà, fins a la mateixa vida de les plantes, tot funciona amb energia.
- L’energia es transforma. Diòxid de carboni (CO2) és un element bàsic en el procés. Hem reduït el fenomen de la vida al d’una màquina de vapor. à Extrapolació d’un model d’una màquina a altres àmbits de coneixement com l’economia o al fenomen de la vida.
à És el context en què s’està duent a terme la il·luminació de les ciutats (es desenvolupa la bombeta elèctrica, Edison). Molta part de l’energia s’havia transformat en calor (el vidre crema!). Calia estudiar-ho per aconseguir que el màxim d’energia es transformés en energia lumínica i no calorífica.
- Trobades entre industrials i científics per treballar conjuntament per avançar en coneixement i en millorar la productivitat (el president de les trobades a Alemanya: Einstein.
- Quin és el model d’estudi? (per les solucions de l’energia era la màquina de vapor). Què és el què permetrà estudiar això de les radiacions (bombeta)?? És un cos negre: un objecte teòric, que no existeix, que no reflexa cap energia que se li pugui aplicar, l’absorbeix tota.
Generalment els cossos absorbeixen llum però també en reflecteixen. Tenim la percepció de la llum a partir de certes freqüències. Quan nosaltres tenim aquesta idea, aquest model de cos negre, sabrem que tot el què li hem donat s’ha quedat al cos. No n’ha perdut per enlloc.
- Aplicació pràcticaà Quina és la idea material més propera al cos negre? Un forn. La idea és que totes les radiacions que se li apliquin quedin dins. Tenim doncs, un model empíric més similar al cos negre possible. Entre altres, qui s’ocuparà d’això serà Max PLANCK, Història de la ciència i cultura científica 4t Humanitats Janina Berzosa Poch pare de la teoria quàntica. Estudiant això és on M. Planck s’adona que cal canviar tota la manera d’entendre el món de la física.
- Plank, després d’haver-ho descobert encara és reticent a entendre del tot que el seu descobriment suposa la superació de la manera newtoniana d’entendre la natura (la matèria era contínua, idea que també deia Darwin i Mendel). M. Plank no accepta la idea dels àtoms. Les idees de Boltzmann (qui deia que la termodinàmica, l’energia continguda en un sistema és el resultat col·lectiu del moviment de moltes molècules diminutes, els àtoms).
Continuava defensant (Plank) que la matèria és contínua, que s’ha de renunciar a la idea dels àtoms.
- Tots els valors que li apareixen a Plank a l’aplicar radiacions al cos negre, es troba que són una constant. Hi ha una sèrie de valors que no apareixen i, per tant, indica que no hi ha continuïtat. à Interpretació per derivació. Només pot entendre-ho acceptant que hi hagi salts. è Hi ha paquets amb unitats d’energia que són els que es traslladen d’un punt a un altre, no hi ha continuïtat. Aquests paquets són elsquanta. Plank ell mateix s’ho qüestionava. Arribà Einstein i donà certesa de totes aquestes investigacions. La constant de Plank era E=h·v (energia és igual a la constant de M. Plank per la freqüència). Anys més tard apareixeria l’energia és igual a la constant per la freqüència (E=mc2), que és la fórmula d’Einstein.
- En una conferència promocionada per un empresari, Solvay, hi convidà als més grans científics de l’època (Plank, Einstein, Curie...). El tema de la primera conferència (1911) fou la “Radiació i Quanta”. 11 anys després de la teoria, es troben per parlar-ne. Què diuen després de la trobada? Accepten que això es veritat però no saben com relacionar-ho amb tot el bagatge que tenien. Cal canviar tots els fonaments de la mecànica clàssica o es podrà adaptar la nova discontinuïtat? Hi haurà un individu que optarà per fer una cosa totalment nova: Einstein.
- La vida de M. Plank és interessant per una altra cosa: exemplifica la funció, la figura del científic i la importancia que aquest pren en moments socials concrets. Plank fou professor a la universitat mentre vivia la monarquia de l’Emperador Guillem, la República de Weimar, el règim nazi de Hitler i l’Alemanya controlada pels aliats. Per tant, funcionari d’aquests règims.
à Trajectòria biogràfica de Max Plank: - 1858: Neix en el si d’una família acadèmica, de professors. 1867: es trasllada a Munich on estudia física. Dubtava si estudiar física o dedicar-se a la música (era un bon pianista).
S’entenen com la continuació alemanya de la gran cultura: Goethe, Wagner, Bach...
Història de la ciència i cultura científica 4t Humanitats Janina Berzosa Poch s’identificaran amb la gran cultura alemanya. Vida difícil: la primera dona es va morir molt jove i ell va haver de criar els fills (6). Dues filles van morir quan van parir; un fill va morir com a soldat a la batalla de Verdú i un fill se’l carreguen després de ser acusat de participar a l’intent d’assassinar a Hitler. Mor al 1947 a Gottingen. à El compromís de la ciència alemanya amb el poder és sempre present no sols a la seva vida sinó a la de tots els científics, principalment dels segles XIX i XX. Ara bé, hi haurà un individu que no dubtarà en expressar el què pensi sense fer cas a la política del moment: Einstein.
Fritz Haber. Premi nobel de química. Alemany d’origen jueu. És el que inventa els gasos verinosos que utilitzen els alemanys durant la 2GM. Personifica la ciència a favor de la guerra.
...