La física es el estudio científico de la materia , sus constituyentes fundamentales , su movimiento y comportamiento a través del espacio y el tiempo , y las entidades relacionadas de energía y fuerza . [1] La física es una de las disciplinas científicas más fundamentales. [2] [3] [4] Un científico que se especializa en el campo de la física se llama físico .
La física es una de las disciplinas académicas más antiguas y, a través de su inclusión de la astronomía , quizás la más antigua. [5] Durante gran parte de los últimos dos milenios, la física, la química , la biología y ciertas ramas de las matemáticas fueron parte de la filosofía natural , pero durante la Revolución científica en el siglo XVII, estas ciencias naturales se ramificaron en esfuerzos de investigación separados. [a] La física se cruza con muchas áreas interdisciplinarias de investigación, como la biofísica y la química cuántica , y los límites de la física no están definidos rígidamente. Las nuevas ideas en física a menudo explican los mecanismos fundamentales estudiados por otras ciencias [2] y sugieren nuevas vías de investigación en estas y otras disciplinas académicas como las matemáticas y la filosofía.
Los avances en física a menudo posibilitan nuevas tecnologías . Por ejemplo, los avances en la comprensión del electromagnetismo , la física del estado sólido y la física nuclear llevaron directamente al desarrollo de nuevos productos que han transformado drásticamente la sociedad moderna, como la televisión, las computadoras, los electrodomésticos y las armas nucleares ; [2] los avances en termodinámica llevaron al desarrollo de la industrialización; y los avances en mecánica inspiraron el desarrollo del cálculo .
La palabra física proviene del latín physica ('estudio de la naturaleza'), que a su vez es un préstamo del griego φυσική ( phusikḗ 'ciencia natural'), un término derivado de φύσις ( phúsis 'origen, naturaleza, propiedad'). [7] [8] [9]
La astronomía es una de las ciencias naturales más antiguas . Las civilizaciones más antiguas, anteriores al año 3000 a. C., como los sumerios , los antiguos egipcios y la civilización del valle del Indo , tenían un conocimiento predictivo y un conocimiento básico de los movimientos del Sol, la Luna y las estrellas. Las estrellas y los planetas, que se creía que representaban a los dioses, eran objeto de culto. Aunque las explicaciones de las posiciones observadas de las estrellas solían ser poco científicas y carecían de pruebas, estas primeras observaciones sentaron las bases de la astronomía posterior, ya que se descubrió que las estrellas recorrían grandes círculos en el cielo, [5] lo que no podía explicar las posiciones de los planetas .
Según Asger Aaboe , los orígenes de la astronomía occidental se pueden encontrar en Mesopotamia , y todos los esfuerzos occidentales en las ciencias exactas descienden de la astronomía babilónica tardía . [10] Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que muestran el conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, [11] mientras que el poeta griego Homero escribió sobre varios objetos celestes en su Ilíada y Odisea ; los astrónomos griegos posteriores proporcionaron nombres, que todavía se usan hoy, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte . [12]
La filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante el período Arcaico (650 a. C. - 480 a. C.), cuando filósofos presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones no naturalistas de los fenómenos naturales y proclamaron que todo acontecimiento tenía una causa natural. [13] Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas de sus hipótesis resultaron exitosas en la experimentación; [14] por ejemplo, se descubrió que el atomismo era correcto aproximadamente 2000 años después de que fuera propuesto por Leucipo y su alumno Demócrito . [15]
Durante el período clásico en Grecia (siglos VI, V y IV a. C.) y en la época helenística , la filosofía natural se desarrolló a lo largo de muchas líneas de investigación. Aristóteles ( griego : Ἀριστοτέλης , Aristotélēs ) (384-322 a. C.), un estudiante de Platón , escribió sobre muchos temas, incluido un tratado sustancial sobre " Física ", en el siglo IV a. C. La física aristotélica fue influyente durante unos dos milenios. Su enfoque mezclaba cierta observación limitada con argumentos deductivos lógicos, pero no se basaba en la verificación experimental de las afirmaciones deducidas. El trabajo fundacional de Aristóteles en Física, aunque muy imperfecto, formó un marco contra el cual los pensadores posteriores desarrollaron aún más el campo. Su enfoque está completamente reemplazado hoy.
Explicó ideas como el movimiento (y la gravedad ) con la teoría de los cuatro elementos . Aristóteles creía que cada uno de los cuatro elementos clásicos (aire, fuego, agua, tierra) tenía su propio lugar natural. [16] Debido a sus diferentes densidades, cada elemento volverá a su propio lugar específico en la atmósfera. [17] Entonces, debido a sus pesos, el fuego estaría en la parte superior, el aire debajo del fuego, luego el agua y, por último, la tierra. También afirmó que cuando una pequeña cantidad de un elemento ingresa al lugar natural de otro, el elemento menos abundante irá automáticamente hacia su propio lugar natural. Por ejemplo, si hay un incendio en el suelo, las llamas suben al aire en un intento de regresar a su lugar natural al que pertenece. Sus leyes del movimiento incluían 1) los objetos más pesados caerán más rápido, siendo la velocidad proporcional al peso y 2) la velocidad del objeto que está cayendo depende inversamente de la densidad del objeto a través del cual está cayendo (por ejemplo, la densidad del aire). [18] También afirmó que, cuando se trata de movimiento violento (movimiento de un objeto cuando se le aplica una fuerza por un segundo objeto), la velocidad con la que se mueve ese objeto solo será tan rápida o fuerte como la medida de la fuerza aplicada a él. [18] El problema del movimiento y sus causas fue estudiado cuidadosamente, lo que llevó a la noción filosófica de un " motor primario " como la fuente última de todo movimiento en el mundo (Libro 8 de su tratado Física ).
El Imperio Romano de Occidente cayó ante los invasores y la decadencia interna en el siglo V, lo que dio como resultado una decadencia de las actividades intelectuales en Europa occidental. Por el contrario, el Imperio Romano de Oriente (generalmente conocido como el Imperio Bizantino ) resistió los ataques de los invasores y continuó avanzando en varios campos del conocimiento, incluida la física. [19]
En el siglo VI, Isidoro de Mileto creó una importante recopilación de las obras de Arquímedes que están copiadas en el Palimpsesto de Arquímedes .
En la Europa del siglo VI, Juan Filópono , un erudito bizantino, cuestionó la enseñanza de la física de Aristóteles y señaló sus defectos. Introdujo la teoría del ímpetu . La física de Aristóteles no fue examinada hasta que apareció Filópono; a diferencia de Aristóteles, que basó su física en el argumento verbal, Filópono se basó en la observación. Sobre la física de Aristóteles, Filópono escribió:
Pero esto es completamente erróneo, y nuestra opinión puede ser corroborada por la observación real con mayor eficacia que por cualquier tipo de argumento verbal. Porque si dejas caer desde la misma altura dos pesos, de los cuales uno es varias veces más pesado que el otro, verás que la razón de los tiempos necesarios para el movimiento no depende de la razón de los pesos, sino que la diferencia de tiempo es muy pequeña. Y, por lo tanto, si la diferencia de pesos no es considerable, es decir, si uno es, digamos, el doble del otro, no habrá diferencia, o bien una diferencia imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso no sea en absoluto despreciable, pues un cuerpo pesa el doble que el otro [20].
La crítica de Filopón a los principios aristotélicos de la física sirvió de inspiración a Galileo Galilei diez siglos después, [21] durante la Revolución científica . Galileo citó a Filopón sustancialmente en sus obras cuando argumentó que la física aristotélica era defectuosa. [22] [23] En el siglo XIV, Jean Buridan , un profesor de la facultad de artes de la Universidad de París , desarrolló el concepto de ímpetu. Fue un paso hacia las ideas modernas de inercia y momento. [24]
La erudición islámica heredó la física aristotélica de los griegos y durante la Edad de Oro islámica la desarrolló aún más, poniendo especial énfasis en la observación y el razonamiento a priori , desarrollando formas tempranas del método científico .
Las innovaciones más notables bajo la erudición islámica fueron en el campo de la óptica y la visión, [26] que vinieron de las obras de muchos científicos como Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi y Avicena . La obra más notable fue El libro de la óptica (también conocido como Kitāb al-Manāẓir), escrito por Ibn al-Haytham, en el que presentó la alternativa a la antigua idea griega sobre la visión. [27] En su Tratado sobre la luz , así como en su Kitāb al-Manāẓir , presentó un estudio del fenómeno de la cámara oscura (su versión milenaria de la cámara estenopeica ) y profundizó más en la forma en que funciona el ojo mismo. Usando el conocimiento de eruditos anteriores, comenzó a explicar cómo la luz entra en el ojo. Afirmó que el rayo de luz está enfocado, pero la explicación real de cómo la luz se proyecta hacia la parte posterior del ojo tuvo que esperar hasta 1604. Su Tratado sobre la luz explicó la cámara oscura, cientos de años antes del desarrollo moderno de la fotografía. [28]
El Libro de Óptica de siete volúmenes ( Kitab al-Manathir ) influyó en el pensamiento [29] en todas las disciplinas, desde la teoría de la percepción visual hasta la naturaleza de la perspectiva en el arte medieval, tanto en Oriente como en Occidente, durante más de 600 años. Esto incluyó a eruditos europeos posteriores y colegas eruditos, desde Robert Grosseteste y Leonardo da Vinci hasta Johannes Kepler .
La traducción del Libro de la Óptica tuvo un gran impacto en Europa. A partir de ella, los estudiosos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que replicaban los que había construido Ibn al-Haytham y comprender el funcionamiento de la visión.
La física se convirtió en una ciencia separada cuando los primeros europeos modernos utilizaron métodos experimentales y cuantitativos para descubrir lo que ahora se consideran las leyes de la física . [30] [ página necesaria ]
Los principales avances de este período incluyen la sustitución del modelo geocéntrico del Sistema Solar por el modelo heliocéntrico copernicano , las leyes que gobiernan el movimiento de los cuerpos planetarios (determinadas por Kepler entre 1609 y 1619), el trabajo pionero de Galileo sobre telescopios y astronomía observacional en los siglos XVI y XVII, y el descubrimiento y unificación de las leyes del movimiento y la gravitación universal por parte de Isaac Newton (que llegaría a llevar su nombre). [31] Newton también desarrolló el cálculo , [b] el estudio matemático del cambio continuo, que proporcionó nuevos métodos matemáticos para resolver problemas físicos. [32]
El descubrimiento de leyes en termodinámica , química y electromagnetismo fue resultado de esfuerzos de investigación durante la Revolución Industrial a medida que aumentaban las necesidades energéticas. [33] Las leyes que componen la física clásica siguen utilizándose ampliamente para objetos en escalas cotidianas que viajan a velocidades no relativistas, ya que proporcionan una aproximación cercana en tales situaciones, y teorías como la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad se simplifican a sus equivalentes clásicos en tales escalas. Las imprecisiones en la mecánica clásica para objetos muy pequeños y velocidades muy altas llevaron al desarrollo de la física moderna en el siglo XX.
La física moderna comenzó a principios del siglo XX con el trabajo de Max Planck en la teoría cuántica y la teoría de la relatividad de Albert Einstein . Ambas teorías surgieron debido a imprecisiones de la mecánica clásica en ciertas situaciones. La mecánica clásica predijo que la velocidad de la luz depende del movimiento del observador, lo que no podía resolverse con la velocidad constante predicha por las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell . Esta discrepancia fue corregida por la teoría de la relatividad especial de Einstein , que reemplazó la mecánica clásica para cuerpos en rápido movimiento y permitió una velocidad constante de la luz. [34] La radiación del cuerpo negro proporcionó otro problema para la física clásica, que se corrigió cuando Planck propuso que la excitación de los osciladores materiales solo es posible en pasos discretos proporcionales a su frecuencia. Esto, junto con el efecto fotoeléctrico y una teoría completa que predice niveles de energía discretos de los orbitales de los electrones , llevó a que la teoría de la mecánica cuántica mejorara la física clásica a escalas muy pequeñas. [35]
La mecánica cuántica sería iniciada por Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger y Paul Dirac . [35] A partir de este trabajo temprano, y del trabajo en campos relacionados, se derivó el Modelo Estándar de física de partículas . [36] Tras el descubrimiento de una partícula con propiedades consistentes con el bosón de Higgs en el CERN en 2012, [37] todas las partículas fundamentales predichas por el modelo estándar, y ninguna otra, parecen existir; sin embargo, la física más allá del Modelo Estándar , con teorías como la supersimetría , es un área activa de investigación. [38] Las áreas de las matemáticas en general son importantes para este campo, como el estudio de las probabilidades y los grupos .
La física se ocupa de una amplia variedad de sistemas, aunque todos los físicos utilizan ciertas teorías. Cada una de estas teorías se ha probado experimentalmente en numerosas ocasiones y se ha demostrado que es una aproximación adecuada a la naturaleza. Por ejemplo, la teoría de la mecánica clásica describe con precisión el movimiento de los objetos, siempre que sean mucho más grandes que los átomos y se muevan a una velocidad mucho menor que la de la luz. Estas teorías siguen siendo áreas de investigación activa en la actualidad. La teoría del caos , un aspecto de la mecánica clásica, se descubrió en el siglo XX, tres siglos después de la formulación original de la mecánica clásica por Newton (1642-1727).
Estas teorías centrales son herramientas importantes para la investigación de temas más especializados, y se espera que cualquier físico, independientemente de su especialización, esté familiarizado con ellas. Entre ellas se encuentran la mecánica clásica, la mecánica cuántica, la termodinámica y la mecánica estadística , el electromagnetismo y la relatividad especial.
La física clásica incluye las ramas y temas tradicionales que fueron reconocidos y bien desarrollados antes del comienzo del siglo XX: mecánica clásica, acústica , óptica , termodinámica y electromagnetismo. La mecánica clásica se ocupa de los cuerpos sobre los que actúan fuerzas y de los cuerpos en movimiento y puede dividirse en estática (estudio de las fuerzas sobre un cuerpo o cuerpos no sujetos a una aceleración), cinemática (estudio del movimiento sin tener en cuenta sus causas) y dinámica (estudio del movimiento y las fuerzas que lo afectan); la mecánica también puede dividirse en mecánica de sólidos y mecánica de fluidos (conocidas juntas como mecánica de medios continuos ), esta última incluye ramas como la hidrostática , la hidrodinámica y la neumática . La acústica es el estudio de cómo se produce, controla, transmite y recibe el sonido. [39] Las ramas modernas importantes de la acústica incluyen la ultrasónica , el estudio de las ondas sonoras de frecuencia muy alta más allá del rango de la audición humana; bioacústica , la física de los llamados y la audición de los animales, [40] y electroacústica , la manipulación de ondas sonoras audibles mediante electrónica. [41]
La óptica, el estudio de la luz, se ocupa no sólo de la luz visible sino también de la radiación infrarroja y ultravioleta , que exhiben todos los fenómenos de la luz visible excepto la visibilidad, por ejemplo, reflexión, refracción, interferencia, difracción, dispersión y polarización de la luz. El calor es una forma de energía, la energía interna que poseen las partículas de las que está compuesta una sustancia; la termodinámica se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. La electricidad y el magnetismo se han estudiado como una sola rama de la física desde que se descubrió la íntima conexión entre ellos a principios del siglo XIX; una corriente eléctrica da lugar a un campo magnético , y un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. La electrostática se ocupa de las cargas eléctricas en reposo, la electrodinámica de las cargas en movimiento y la magnetostática de los polos magnéticos en reposo.
La física clásica se ocupa generalmente de la materia y la energía en la escala normal de observación, mientras que gran parte de la física moderna se ocupa del comportamiento de la materia y la energía en condiciones extremas o en una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo, la física atómica y nuclear estudia la materia en la escala más pequeña en la que se pueden identificar los elementos químicos . La física de partículas elementales se encuentra en una escala aún menor, ya que se ocupa de las unidades más básicas de la materia; esta rama de la física también se conoce como física de alta energía debido a las energías extremadamente altas necesarias para producir muchos tipos de partículas en aceleradores de partículas . En esta escala, las nociones ordinarias y de sentido común de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas. [42]
Las dos teorías principales de la física moderna presentan una imagen diferente de los conceptos de espacio, tiempo y materia de la presentada por la física clásica. La mecánica clásica aproxima la naturaleza como continua, mientras que la teoría cuántica se ocupa de la naturaleza discreta de muchos fenómenos a nivel atómico y subatómico y de los aspectos complementarios de las partículas y las ondas en la descripción de tales fenómenos. La teoría de la relatividad se ocupa de la descripción de los fenómenos que tienen lugar en un marco de referencia que está en movimiento con respecto a un observador; la teoría especial de la relatividad se ocupa del movimiento en ausencia de campos gravitatorios y la teoría general de la relatividad del movimiento y su conexión con la gravitación . Tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad encuentran aplicaciones en muchas áreas de la física moderna. [43]
Si bien la física en sí misma pretende descubrir leyes universales, sus teorías se encuentran en dominios explícitos de aplicabilidad.
En términos generales, las leyes de la física clásica describen con precisión los sistemas cuyas escalas de longitud importantes son mayores que la escala atómica y cuyos movimientos son mucho más lentos que la velocidad de la luz. Fuera de este dominio, las observaciones no coinciden con las predicciones proporcionadas por la mecánica clásica. Einstein aportó el marco de la relatividad especial, que reemplazó las nociones de tiempo y espacio absolutos por el espacio-tiempo y permitió una descripción precisa de los sistemas cuyos componentes tienen velocidades cercanas a la de la luz. Planck, Schrödinger y otros introdujeron la mecánica cuántica, una noción probabilística de partículas e interacciones que permitió una descripción precisa de las escalas atómica y subatómica. Más tarde, la teoría cuántica de campos unificó la mecánica cuántica y la relatividad especial. La relatividad general permitió un espacio-tiempo dinámico y curvo, con el que se pueden describir bien los sistemas altamente masivos y la estructura a gran escala del universo. La relatividad general aún no se ha unificado con las otras descripciones fundamentales; se están desarrollando varias teorías candidatas de la gravedad cuántica .
La física, al igual que el resto de las ciencias, se basa en la filosofía de la ciencia y su " método científico " para avanzar en el conocimiento del mundo físico. [44] El método científico emplea razonamientos a priori y a posteriori , así como el uso de la inferencia bayesiana para medir la validez de una teoría dada. [45] El estudio de las cuestiones filosóficas que rodean a la física, la filosofía de la física , involucra cuestiones como la naturaleza del espacio y el tiempo , el determinismo y perspectivas metafísicas como el empirismo , el naturalismo y el realismo . [46]
Muchos físicos han escrito sobre las implicaciones filosóficas de su trabajo, por ejemplo Laplace , que defendió el determinismo causal , [47] y Erwin Schrödinger , que escribió sobre mecánica cuántica. [48] [49] El físico matemático Roger Penrose ha sido llamado platónico por Stephen Hawking , [50] una visión que Penrose discute en su libro, El camino a la realidad . [51] Hawking se refirió a sí mismo como un "reduccionista desvergonzado" y se mostró en desacuerdo con las opiniones de Penrose. [52]
Las matemáticas proporcionan un lenguaje compacto y exacto que se utiliza para describir el orden de la naturaleza. Esto fue observado y defendido por Pitágoras , [53] Platón , [54] Galileo, [55] y Newton. Algunos teóricos, como Hilary Putnam y Penélope Maddy , sostienen que las verdades lógicas, y por lo tanto el razonamiento matemático, dependen del mundo empírico . Esto suele combinarse con la afirmación de que las leyes de la lógica expresan regularidades universales que se encuentran en las características estructurales del mundo, lo que puede explicar la relación peculiar entre estos campos.
La física utiliza las matemáticas [56] para organizar y formular resultados experimentales. A partir de esos resultados se obtienen soluciones precisas o estimadas , o resultados cuantitativos, a partir de los cuales se pueden hacer nuevas predicciones y confirmarlas o negarlas experimentalmente. Los resultados de los experimentos de física son datos numéricos, con sus unidades de medida y estimaciones de los errores en las mediciones. Las tecnologías basadas en las matemáticas, como la computación, han hecho de la física computacional un área activa de investigación.
La ontología es un prerrequisito para la física, pero no para las matemáticas. Esto significa que la física se ocupa en última instancia de descripciones del mundo real, mientras que las matemáticas se ocupan de patrones abstractos, incluso más allá del mundo real. Por lo tanto, los enunciados de la física son sintéticos, mientras que los enunciados matemáticos son analíticos. Las matemáticas contienen hipótesis, mientras que la física contiene teorías. Los enunciados matemáticos tienen que ser solo lógicamente verdaderos, mientras que las predicciones de los enunciados de la física deben coincidir con los datos observados y experimentales.
La distinción es clara, pero no siempre obvia. Por ejemplo, la física matemática es la aplicación de las matemáticas a la física. Sus métodos son matemáticos, pero su objeto es físico. [57] Los problemas en este campo comienzan con un " modelo matemático de una situación física " (sistema) y una "descripción matemática de una ley física" que se aplicará a ese sistema. Cada enunciado matemático utilizado para resolver tiene un significado físico difícil de encontrar. La solución matemática final tiene un significado más fácil de encontrar, porque es lo que busca el solucionador. [ Aclaración necesaria ]
La física es una rama de la ciencia fundamental (también llamada ciencia básica). La física también se llama " la ciencia fundamental" porque todas las ramas de la ciencia natural, incluyendo la química, la astronomía, la geología y la biología están limitadas por las leyes de la física. [58] De manera similar, la química a menudo se llama la ciencia central debido a su papel en la vinculación de las ciencias físicas. Por ejemplo, la química estudia las propiedades, estructuras y reacciones de la materia (el enfoque de la química en la escala molecular y atómica la distingue de la física ). Las estructuras se forman porque las partículas ejercen fuerzas eléctricas entre sí, las propiedades incluyen características físicas de sustancias dadas y las reacciones están limitadas por las leyes de la física, como la conservación de la energía , la masa y la carga . La física fundamental busca explicar y comprender mejor los fenómenos en todas las esferas, sin una aplicación práctica específica como objetivo, más allá de la comprensión más profunda de los fenómenos mismos.
La física aplicada es un término general que se utiliza para referirse a la investigación y el desarrollo de la física destinados a un uso particular. Un plan de estudios de física aplicada suele incluir algunas clases de una disciplina aplicada, como la geología o la ingeniería eléctrica. Suele diferenciarse de la ingeniería en que un físico aplicado puede no estar diseñando algo en particular, sino que está utilizando la física o realizando investigaciones en el campo de la física con el objetivo de desarrollar nuevas tecnologías o resolver un problema.
El enfoque es similar al de las matemáticas aplicadas . Los físicos aplicados utilizan la física en la investigación científica. Por ejemplo, quienes trabajan en física de aceleradores podrían intentar construir mejores detectores de partículas para la investigación en física teórica.
La física se utiliza mucho en ingeniería. Por ejemplo, la estática, un subcampo de la mecánica , se utiliza en la construcción de puentes y otras estructuras estáticas. La comprensión y el uso de la acústica dan como resultado un control del sonido y mejores salas de conciertos; de manera similar, el uso de la óptica crea mejores dispositivos ópticos. La comprensión de la física permite crear simuladores de vuelo , videojuegos y películas más realistas, y a menudo es fundamental en las investigaciones forenses .
Con el consenso general de que las leyes de la física son universales y no cambian con el tiempo, la física se puede utilizar para estudiar cosas que normalmente estarían sumidas en la incertidumbre . Por ejemplo, en el estudio del origen de la Tierra, un físico puede modelar razonablemente la masa, la temperatura y la velocidad de rotación de la Tierra, como una función del tiempo, lo que permite la extrapolación hacia adelante o hacia atrás en el tiempo y así predecir eventos futuros o anteriores. También permite realizar simulaciones en ingeniería que aceleran el desarrollo de una nueva tecnología.
También existe una interdisciplinariedad considerable , por lo que muchos otros campos importantes están influenciados por la física (por ejemplo, los campos de la econofísica y la sociofísica ).
Los físicos utilizan el método científico para comprobar la validez de una teoría física . Al utilizar un enfoque metódico para comparar las implicaciones de una teoría con las conclusiones extraídas de sus experimentos y observaciones relacionadas, los físicos están en mejores condiciones de comprobar la validez de una teoría de una manera lógica, imparcial y repetible. Para ello, se realizan experimentos y observaciones con el fin de determinar la validez o invalidez de una teoría. [59]
Una ley científica es una declaración verbal o matemática concisa de una relación que expresa un principio fundamental de alguna teoría, como la ley de gravitación universal de Newton. [60]
Los teóricos buscan desarrollar modelos matemáticos que concuerden con los experimentos existentes y predigan con éxito los resultados experimentales futuros, mientras que los experimentalistas idean y realizan experimentos para probar las predicciones teóricas y explorar nuevos fenómenos. Aunque la teoría y el experimento se desarrollan por separado, se afectan y dependen fuertemente entre sí. El progreso en física se produce con frecuencia cuando los resultados experimentales desafían la explicación de las teorías existentes, lo que impulsa un enfoque intenso en el modelado aplicable, y cuando las nuevas teorías generan predicciones comprobables experimentalmente , que inspiran el desarrollo de nuevos experimentos (y a menudo equipo relacionado). [61]
Los físicos que trabajan en la interacción de la teoría y el experimento se denominan fenomenólogos , quienes estudian fenómenos complejos observados en el experimento y trabajan para relacionarlos con una teoría fundamental . [62]
Históricamente, la física teórica se ha inspirado en la filosofía; de esta manera se unificó el electromagnetismo. [c] Más allá del universo conocido, el campo de la física teórica también aborda cuestiones hipotéticas, [d] como los universos paralelos , un multiverso y dimensiones superiores . Los teóricos invocan estas ideas con la esperanza de resolver problemas particulares con teorías existentes; luego exploran las consecuencias de estas ideas y trabajan para hacer predicciones comprobables.
La física experimental se expande y es expandida por la ingeniería y la tecnología. Los físicos experimentales que están involucrados en la investigación básica diseñan y realizan experimentos con equipos como aceleradores de partículas y láseres , mientras que aquellos involucrados en la investigación aplicada a menudo trabajan en la industria, desarrollando tecnologías como la resonancia magnética (MRI) y los transistores . Feynman ha notado que los experimentalistas pueden buscar áreas que no han sido bien exploradas por los teóricos. [63]
La física abarca una amplia gama de fenómenos , desde partículas elementales (como quarks , neutrinos y electrones ) hasta los supercúmulos más grandes de galaxias. En estos fenómenos se incluyen los objetos más básicos que componen todas las demás cosas. Por lo tanto, a la física a veces se la llama la "ciencia fundamental". [58] La física tiene como objetivo describir los diversos fenómenos que ocurren en la naturaleza en términos de fenómenos más simples. Por lo tanto, la física tiene como objetivo conectar las cosas observables para los humanos con las causas fundamentales y luego conectar estas causas entre sí.
Por ejemplo, los antiguos chinos observaron que ciertas rocas ( la piedra imán y la magnetita ) se atraían entre sí por una fuerza invisible. Este efecto se denominó posteriormente magnetismo, que se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII. Pero incluso antes de que los chinos descubrieran el magnetismo, los antiguos griegos conocían otros objetos, como el ámbar , que al frotarse con piel causaba una atracción invisible similar entre los dos. [64] Esto también se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII y llegó a llamarse electricidad. Así, la física había llegado a comprender dos observaciones de la naturaleza en términos de alguna causa raíz (electricidad y magnetismo). Sin embargo, trabajos posteriores en el siglo XIX revelaron que estas dos fuerzas eran solo dos aspectos diferentes de una fuerza: el electromagnetismo . Este proceso de "unificación" de fuerzas continúa hoy en día, y el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil ahora se consideran dos aspectos de la interacción electrodébil . La física espera encontrar una razón última (teoría del todo) que explique por qué la naturaleza es como es (véase la sección Investigación actual a continuación para obtener más información). [65]
La investigación contemporánea en física se puede dividir en general en física nuclear y de partículas ; física de la materia condensada ; física atómica, molecular y óptica ; astrofísica ; y física aplicada. Algunos departamentos de física también apoyan la investigación en educación en física y la divulgación de la física . [66]
Desde el siglo XX, los campos individuales de la física se han vuelto cada vez más especializados, y hoy la mayoría de los físicos trabajan en un solo campo durante toda su carrera. Los "universalistas" como Einstein (1879-1955) y Lev Landau (1908-1968), que trabajaron en múltiples campos de la física, son ahora muy raros. [e]
Los principales campos de la física, junto con sus subcampos y las teorías y conceptos que emplean, se muestran en la siguiente tabla.
La física de partículas es el estudio de los componentes elementales de la materia y la energía y las interacciones entre ellos. [67] Además, los físicos de partículas diseñan y desarrollan los aceleradores de alta energía, [68] detectores, [69] y programas informáticos [70] necesarios para esta investigación. El campo también se denomina "física de alta energía" porque muchas partículas elementales no se producen de forma natural, sino que se crean únicamente durante colisiones de alta energía de otras partículas. [71]
Actualmente, las interacciones de partículas elementales y campos se describen mediante el Modelo Estándar . [72] El modelo da cuenta de las 12 partículas conocidas de materia ( quarks y leptones ) que interactúan a través de las fuerzas fundamentales fuerte , débil y electromagnética . [72] La dinámica se describe en términos de partículas de materia que intercambian bosones de calibre ( gluones , bosones W y Z , y fotones , respectivamente). [73] El Modelo Estándar también predice una partícula conocida como bosón de Higgs. [72] En julio de 2012, el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, anunció la detección de una partícula consistente con el bosón de Higgs, [74] una parte integral del mecanismo de Higgs .
La física nuclear es el campo de la física que estudia los componentes y las interacciones de los núcleos atómicos . Las aplicaciones más conocidas de la física nuclear son la generación de energía nuclear y la tecnología de armas nucleares , pero la investigación ha proporcionado aplicaciones en muchos campos, incluidos los de la medicina nuclear y la resonancia magnética, la implantación de iones en la ingeniería de materiales y la datación por radiocarbono en geología y arqueología .
La física atómica, molecular y óptica (AMO) es el estudio de las interacciones materia-materia y luz-materia en la escala de átomos y moléculas individuales. Las tres áreas se agrupan debido a sus interrelaciones, la similitud de los métodos utilizados y la similitud de sus escalas de energía relevantes. Las tres áreas incluyen tratamientos tanto clásicos, semiclásicos y cuánticos ; pueden tratar su tema desde una perspectiva microscópica (en contraste con una perspectiva macroscópica).
La física atómica estudia las capas de electrones de los átomos. La investigación actual se centra en las actividades de control cuántico, enfriamiento y atrapamiento de átomos e iones, [75] [76] [77] dinámica de colisiones a baja temperatura y los efectos de la correlación electrónica en la estructura y la dinámica. La física atómica está influenciada por el núcleo (ver división hiperfina ), pero los fenómenos intranucleares como la fisión y la fusión se consideran parte de la física nuclear.
La física molecular se centra en las estructuras multiatómicas y sus interacciones internas y externas con la materia y la luz. La física óptica se diferencia de la óptica en que tiende a centrarse no en el control de los campos de luz clásicos por parte de objetos macroscópicos, sino en las propiedades fundamentales de los campos ópticos y sus interacciones con la materia en el ámbito microscópico.
La física de la materia condensada es el campo de la física que se ocupa de las propiedades físicas macroscópicas de la materia. [78] [79] En particular, se ocupa de las fases "condensadas" que aparecen siempre que el número de partículas en un sistema es extremadamente grande y las interacciones entre ellas son fuertes. [80]
Los ejemplos más conocidos de fases condensadas son los sólidos y líquidos, que surgen de la unión por medio de la fuerza electromagnética entre átomos. [81] Las fases condensadas más exóticas incluyen el superfluido [82] y el condensado de Bose-Einstein [83] que se encuentran en ciertos sistemas atómicos a muy baja temperatura, la fase superconductora exhibida por los electrones de conducción en ciertos materiales, [84] y las fases ferromagnéticas y antiferromagnéticas de los espines en las redes atómicas . [85]
La física de la materia condensada es el campo más grande de la física contemporánea. Históricamente, la física de la materia condensada surgió de la física del estado sólido, que ahora se considera uno de sus principales subcampos. [86] El término física de la materia condensada fue aparentemente acuñado por Philip Anderson cuando renombró su grupo de investigación, anteriormente teoría del estado sólido , en 1967. [87] En 1978, la División de Física del Estado Sólido de la Sociedad Estadounidense de Física pasó a llamarse División de Física de la Materia Condensada. [86] La física de la materia condensada tiene una gran superposición con la química, la ciencia de los materiales , la nanotecnología y la ingeniería. [80]
La astrofísica y la astronomía son la aplicación de las teorías y métodos de la física al estudio de la estructura estelar , la evolución estelar , el origen del Sistema Solar y problemas relacionados de la cosmología. Debido a que la astrofísica es un tema amplio, los astrofísicos suelen aplicar muchas disciplinas de la física, incluidas la mecánica, el electromagnetismo, la mecánica estadística, la termodinámica, la mecánica cuántica, la relatividad, la física nuclear y de partículas, y la física atómica y molecular. [88]
El descubrimiento de Karl Jansky en 1931 de que los cuerpos celestes emitían señales de radio dio inicio a la ciencia de la radioastronomía . Más recientemente, las fronteras de la astronomía se han ampliado gracias a la exploración espacial. Las perturbaciones e interferencias de la atmósfera terrestre hacen necesarias las observaciones espaciales para la astronomía infrarroja , ultravioleta , de rayos gamma y de rayos X.
La cosmología física es el estudio de la formación y evolución del universo en sus escalas más grandes. La teoría de la relatividad de Albert Einstein desempeña un papel central en todas las teorías cosmológicas modernas. A principios del siglo XX, el descubrimiento de Hubble de que el universo se está expandiendo, como lo muestra el diagrama de Hubble , dio lugar a explicaciones rivales conocidas como el universo en estado estacionario y el Big Bang .
El Big Bang fue confirmado por el éxito de la nucleosíntesis del Big Bang y el descubrimiento del fondo cósmico de microondas en 1964. El modelo del Big Bang se basa en dos pilares teóricos: la relatividad general de Albert Einstein y el principio cosmológico . Los cosmólogos han establecido recientemente el modelo ΛCDM de la evolución del universo, que incluye la inflación cósmica , la energía oscura y la materia oscura .
Se prevé que durante la próxima década surjan numerosas posibilidades y descubrimientos a partir de nuevos datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi y que revisen o aclaren ampliamente los modelos existentes del universo. [89] [90] En particular, es posible que se produzca un tremendo descubrimiento en torno a la materia oscura durante los próximos años. [91] Fermi buscará evidencia de que la materia oscura está compuesta de partículas masivas que interactúan débilmente , complementando experimentos similares con el Gran Colisionador de Hadrones y otros detectores subterráneos.
IBEX ya está produciendo nuevos descubrimientos astrofísicos : "Nadie sabe qué está creando la cinta ENA (átomos neutros energéticos) " a lo largo del choque de terminación del viento solar , "pero todos están de acuerdo en que significa que la imagen de los libros de texto de la heliosfera —en la que la bolsa envolvente del Sistema Solar llena de partículas cargadas del viento solar se abre paso a través del 'viento galáctico' del medio interestelar en forma de cometa— es errónea". [92]
La investigación en física avanza continuamente en un gran número de frentes.
En la física de la materia condensada, un importante problema teórico sin resolver es el de la superconductividad de alta temperatura . [93] Muchos experimentos de materia condensada tienen como objetivo fabricar espintrónica y computadoras cuánticas viables . [80] [94]
En física de partículas, han comenzado a aparecer las primeras pruebas experimentales de física más allá del Modelo Estándar. Entre ellas, las más importantes son las indicaciones de que los neutrinos tienen una masa distinta de cero . Estos resultados experimentales parecen haber resuelto el antiguo problema de los neutrinos solares , y la física de los neutrinos masivos sigue siendo un área de investigación teórica y experimental activa. El Gran Colisionador de Hadrones ya ha descubierto el bosón de Higgs, pero las investigaciones futuras apuntan a probar o refutar la supersimetría , que extiende el Modelo Estándar de física de partículas. También se están realizando investigaciones sobre la naturaleza de los principales misterios de la materia oscura y la energía oscura . [95]
Aunque se ha avanzado mucho en física cuántica , astronómica y de alta energía, muchos fenómenos cotidianos que implican complejidad , [96] caos, [97] o turbulencia [98] aún no se comprenden bien. Problemas complejos que parecen poder resolverse mediante una aplicación inteligente de dinámica y mecánica siguen sin resolverse; por ejemplo, la formación de montones de arena, los nodos en el agua que gotea, la forma de las gotas de agua, los mecanismos de las catástrofes de tensión superficial y la autoclasificación en colecciones heterogéneas agitadas. [f] [99]
Estos fenómenos complejos han recibido una atención creciente desde la década de 1970 por varias razones, incluida la disponibilidad de métodos matemáticos modernos y computadoras, que permitieron modelar sistemas complejos de nuevas maneras. La física compleja se ha convertido en parte de una investigación cada vez más interdisciplinaria, como lo ejemplifica el estudio de la turbulencia en la aerodinámica y la observación de la formación de patrones en los sistemas biológicos. En la Revisión anual de mecánica de fluidos de 1932 , Horace Lamb dijo: [100]
Ya soy un hombre viejo y cuando muera y vaya al cielo hay dos cuestiones sobre las que espero recibir iluminación: una es la electrodinámica cuántica y la otra es el movimiento turbulento de los fluidos. Y sobre la primera soy bastante optimista.
Un físico es un científico que se especializa en el campo de la física, que abarca las interacciones de la materia y la energía en todas las escalas de longitud y tiempo en el universo físico. [101] [102] Los físicos generalmente están interesados en las causas fundamentales o últimas de los fenómenos , y generalmente enmarcan su comprensión en términos matemáticos. Trabajan en una amplia gama de campos de investigación, que abarcan todas las escalas de longitud: desde la física subatómica y de partículas , pasando por la física biológica , hasta las escalas de longitud cosmológicas que abarcan el universo en su conjunto. El campo generalmente incluye dos tipos de físicos: físicos experimentales que se especializan en la observación de fenómenos naturales y el desarrollo y análisis de experimentos, y físicos teóricos que se especializan en el modelado matemático de sistemas físicos para racionalizar, explicar y predecir fenómenos naturales. [101]
Los físicos pueden aplicar sus conocimientos a la solución de problemas prácticos o al desarrollo de nuevas tecnologías (también conocida como física aplicada o física de ingeniería ). [103] [104] [105]Para entender mejor cuán concluyente es la demostración de Aristóteles, podemos, en mi opinión, negar ambas suposiciones. Y en cuanto a la primera, dudo mucho que Aristóteles haya probado alguna vez mediante experimentos si es verdad que dos piedras, una que pesa diez veces más que la otra, si se deja caer, al mismo tiempo, desde una altura de, digamos, 100 codos, diferirían tanto en velocidad que cuando la más pesada hubiera llegado al suelo, la otra no habría caído más de 10 codos.
Simp. – Su lenguaje parecería indicar que había intentado el experimento, porque dice: Vemos lo más pesado; ahora la palabra ver muestra que había hecho el experimento.
Sagr. – Pero yo, Simplicio, que he hecho la prueba, puedo asegurar[107] que una bala de cañón que pese cien o doscientas libras, o incluso más, no llegará al suelo ni un palmo por delante que una bala de mosquete que pese sólo media libra, siempre que ambas se dejen caer desde una altura de 200 codos.
En dos siglos, el campo de la óptica se transformó radicalmente.
[Journal of Mathematical Physics] tiene como objetivo la publicación de artículos sobre física matemática, es decir, la aplicación de las matemáticas a problemas de física y el desarrollo de métodos matemáticos adecuados para dichas aplicaciones y para la formulación de teorías físicas.
Richard Feynman dijo que 'La turbulencia es el problema no resuelto más importante de la física clásica'
física es el estudio de tu mundo y del mundo y universo que te rodea.
materia y movimiento.
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