La física es una disciplina científica que busca construir y probar experimentalmente teorías sobre el universo físico. Estas teorías varían en su alcance y pueden organizarse en varias ramas distintas, que se describen en este artículo.
La mecánica clásica es un modelo de la física de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos; incluye subcampos para describir los comportamientos de los sólidos , los gases y los fluidos . A menudo se la denomina "mecánica newtoniana" en honor a Isaac Newton y sus leyes del movimiento . También incluye el enfoque clásico dado por los métodos hamiltoniano y de Lagrange . Se ocupa del movimiento de partículas y del sistema general de partículas.
Existen muchas ramas de la mecánica clásica, como: la estática , la dinámica , la cinemática , la mecánica del medio continuo (que incluye la mecánica de fluidos ), la mecánica estadística , etc.
El primer capítulo de Las conferencias de Feynman sobre física trata de la existencia de los átomos , que Feynman consideraba la formulación más compacta de la física, de la que fácilmente podría surgir la ciencia incluso si se perdiera todo el resto del conocimiento. [1] Al modelar la materia como colecciones de esferas duras, es posible describir la teoría cinética de los gases , en la que se basa la termodinámica clásica.
La termodinámica estudia los efectos de los cambios de temperatura , presión y volumen en sistemas físicos a escala macroscópica , y la transferencia de energía en forma de calor . [2] [3] Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir del deseo de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor . [4]
El punto de partida de la mayoría de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica , que postulan que la energía puede intercambiarse entre sistemas físicos como calor o trabajo . [5] También postulan la existencia de una cantidad llamada entropía , que puede definirse para cualquier sistema. [6] En termodinámica, se estudian y categorizan las interacciones entre grandes conjuntos de objetos. Para esto son centrales los conceptos de sistema y entorno . Un sistema está compuesto de partículas, cuyos movimientos promedio definen sus propiedades, que a su vez están relacionadas entre sí a través de ecuaciones de estado . Las propiedades se pueden combinar para expresar energía interna y potenciales termodinámicos , que son útiles para determinar las condiciones de equilibrio y los procesos espontáneos .
El estudio del comportamiento de los electrones, medios eléctricos, imanes, campos magnéticos y las interacciones generales de la luz.
La teoría especial de la relatividad disfruta de una relación con el electromagnetismo y la mecánica; es decir, el principio de relatividad y el principio de acción estacionaria en mecánica se pueden utilizar para derivar las ecuaciones de Maxwell , [7] [8] y viceversa .
La teoría de la relatividad especial fue propuesta en 1905 por Albert Einstein en su artículo " Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ". El título del artículo hace referencia al hecho de que la relatividad especial resuelve una inconsistencia entre las ecuaciones de Maxwell y la mecánica clásica. La teoría se basa en dos postulados : (1) que las formas matemáticas de las leyes de la física son invariantes en todos los sistemas inerciales ; y (2) que la velocidad de la luz en el vacío es constante e independiente de la fuente o del observador. Reconciliar los dos postulados requiere una unificación del espacio y el tiempo en el concepto de espacio -tiempo dependiente del marco de referencia .
La relatividad general es la teoría geométrica de la gravitación publicada por Albert Einstein en 1915/16. [9] [10] Unifica la relatividad especial, la ley de gravitación universal de Newton y la idea de que la gravitación puede describirse mediante la curvatura del espacio y el tiempo. En la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo se produce por la energía de la materia y la radiación.
La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia los sistemas atómicos y subatómicos y sus interacciones, basándose en la observación de que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas o haces llamados " cuantos ". Sorprendentemente, la teoría cuántica normalmente solo permite el cálculo probable o estadístico de las características observadas de las partículas subatómicas, entendidas en términos de funciones de onda . La ecuación de Schrödinger desempeña en la mecánica cuántica el mismo papel que las leyes de Newton y la conservación de la energía cumplen en la mecánica clásica (es decir, predice el comportamiento futuro de un sistema dinámico ) y es una ecuación de onda que se utiliza para resolver funciones de onda.
Por ejemplo, la luz, o radiación electromagnética emitida o absorbida por un átomo tiene sólo ciertas frecuencias (o longitudes de onda ), como se puede ver en el espectro de líneas asociado con el elemento químico representado por ese átomo. La teoría cuántica muestra que esas frecuencias corresponden a energías definidas de los cuantos de luz, o fotones , y resultan del hecho de que los electrones del átomo sólo pueden tener ciertos valores de energía permitidos, o niveles; cuando un electrón cambia de un nivel permitido a otro, se emite o absorbe un cuanto de energía cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles. El efecto fotoeléctrico confirmó además la cuantización de la luz.
En 1924, Louis de Broglie propuso que no solo las ondas de luz a veces exhiben propiedades similares a las de las partículas, sino que las partículas también pueden exhibir propiedades similares a las de las ondas. Se presentaron dos formulaciones diferentes de la mecánica cuántica siguiendo la sugerencia de de Broglie. La mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger (1926) implica el uso de una entidad matemática, la función de onda, que está relacionada con la probabilidad de encontrar una partícula en un punto dado en el espacio. La mecánica matricial de Werner Heisenberg (1925) no hace mención de funciones de onda o conceptos similares, pero se demostró que era matemáticamente equivalente a la teoría de Schrödinger. Un descubrimiento particularmente importante de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre , enunciado por Heisenberg en 1927, que coloca un límite teórico absoluto a la precisión de ciertas mediciones; como resultado, la suposición de los científicos anteriores de que el estado físico de un sistema podía medirse con exactitud y usarse para predecir estados futuros tuvo que abandonarse. La mecánica cuántica se combinó con la teoría de la relatividad en la formulación de Paul Dirac . Otros desarrollos incluyen la estadística cuántica , la electrodinámica cuántica , que estudia las interacciones entre partículas cargadas y campos electromagnéticos; y su generalización, la teoría cuántica de campos .
Teoría de cuerdas
Esta teoría, que es una posible candidata a la teoría del todo, combina la teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica para formar una única teoría. Esta teoría puede predecir las propiedades de objetos tanto pequeños como grandes. Actualmente, esta teoría se encuentra en la etapa de desarrollo.
La óptica es el estudio de los movimientos de la luz, incluida la reflexión, la refracción, la difracción y la interferencia.
La acústica es la rama de la física que estudia las ondas mecánicas en diferentes medios.
El estudio de las propiedades físicas de la materia en una fase condensada.
La física de partículas estudia la naturaleza de las partículas, mientras que la física nuclear estudia los núcleos atómicos .
La cosmología estudia cómo se formó el universo y su destino final. La estudian físicos y astrofísicos . También estudia los universos ficticios creados por personas, cómo se formaron los universos y su destino final y su destrucción.
A los campos interdisciplinarios, que definen parcialmente ciencias propias, pertenecen por ejemplo:
La siguiente tabla enumera las teorías principales junto con muchos de los conceptos que emplean.