La física es la ciencia natural de la materia , que implica el estudio de la materia, [a] sus constituyentes fundamentales , su movimiento y comportamiento a través del espacio y el tiempo , y las entidades relacionadas de energía y fuerza . [2] La física es una de las disciplinas científicas más fundamentales , siendo su principal objetivo comprender cómo se comporta el universo . [b] [3] [4] [5] 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, gracias a la inclusión de la astronomía , quizás la más antigua. [6] 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 del siglo XVII estas ciencias naturales surgieron como esfuerzos de investigación únicos por derecho propio. . [c] 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 [3] y sugieren nuevas vías de investigación en éstas y otras disciplinas académicas como las matemáticas y la filosofía.
Los avances en física a menudo permiten nuevas tecnologías . Por ejemplo, los avances en la comprensión del electromagnetismo , la física del estado sólido y la física nuclear condujeron directamente al desarrollo de nuevos productos que han transformado dramáticamente la sociedad moderna, como la televisión, las computadoras, los electrodomésticos y las armas nucleares ; [3] los avances en termodinámica condujeron 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'), término derivado de φύσις ( phúsis 'origen, naturaleza, propiedad'). [8] [9] [10]
La astronomía es una de las ciencias naturales más antiguas . Las primeras civilizaciones anteriores al 3000 a. C., como los sumerios , los antiguos egipcios y la civilización del valle del Indo , tenían un conocimiento predictivo y una conciencia básica de los movimientos del Sol, la Luna y las estrellas. A menudo se adoraba a las estrellas y los planetas, que se creía que representaban dioses. Si bien las explicaciones de las posiciones observadas de las estrellas a menudo eran poco científicas y carecían de evidencia, estas primeras observaciones sentaron las bases para la astronomía posterior, ya que se descubrió que las estrellas atravesaban grandes círculos a través del cielo, [6] 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 . [11] Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que muestran el conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, [12] mientras que el poeta griego Homero escribió sobre varios objetos celestes en su Ilíada y Odisea ; Posteriormente, los astrónomos griegos proporcionaron nombres, que todavía se utilizan hoy en día, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte . [13]
La filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante el período Arcaico (650 a. C. – 480 a. C.), cuando los filósofos presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones no naturalistas de los fenómenos naturales y proclamaron que cada evento tenía una causa natural. [14] Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas de sus hipótesis resultaron exitosas en experimentos; [15] por ejemplo, se descubrió que el atomismo era correcto aproximadamente 2000 años después de que Leucipo y su alumno Demócrito lo propusieran . [dieciséis]
El Imperio Romano Occidental cayó en el siglo V, lo que provocó un declive de las actividades intelectuales en la parte occidental de Europa. Por el contrario, el Imperio Romano de Oriente (generalmente conocido como Imperio Bizantino ) resistió los ataques de los bárbaros y continuó avanzando en varios campos del aprendizaje, incluida la física. [17]
En el siglo VI, Isidoro de Mileto creó una importante recopilación de las obras de Arquímedes que se copian en el Palimpsesto de Arquímedes .
En la Europa del siglo VI, Juan Filopono , un erudito bizantino, cuestionó las enseñanzas de física de Aristóteles y notó sus defectos. Introdujo la teoría del impulso . La física de Aristóteles no fue analizada hasta la aparición de Filopono; a diferencia de Aristóteles, que basó su física en argumentos verbales, Filopono se basó en la observación. Sobre la física de Aristóteles, Filopono escribió:
Pero esto es completamente erróneo, y nuestra opinión puede ser corroborada por la observación real de manera más efectiva que por cualquier tipo de argumento verbal. Porque si dejas caer desde la misma altura dos pesos, uno de los cuales pesa muchas veces más que el otro, verás que la proporción de los tiempos necesarios para el movimiento no depende de la proporción de los pesos, sino que la diferencia en el tiempo es muy pequeño. Y así, si la diferencia de pesos no es considerable, es decir, de uno es, digamos, el doble del otro, no habrá diferencia, o bien será imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso sea de nada despreciable, ya que un cuerpo pesa el doble que el otro [19]
La crítica de Filopono a los principios aristotélicos de la física sirvió de inspiración para Galileo Galilei diez siglos después, [20] durante la Revolución Científica . Galileo citó sustancialmente a Filopono en sus obras cuando argumentó que la física aristotélica era defectuosa. [21] [22] En el siglo XIII, Jean Buridan , profesor de la facultad de artes de la Universidad de París , desarrolló el concepto de impulso. Fue un paso hacia las ideas modernas de inercia e impulso. [23]
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 .
Aunque los principios de la física de Aristóteles fueron criticados, es importante identificar la evidencia en la que basó sus puntos de vista. Cuando se piensa en la historia de las ciencias y las matemáticas, es notable reconocer las contribuciones realizadas por científicos de mayor edad. La ciencia de Aristóteles fue la columna vertebral de la ciencia que se enseña hoy en las escuelas. Aristóteles publicó muchas obras biológicas, entre ellas Las partes de los animales , en las que analiza tanto las ciencias biológicas como las naturales. También es fundamental mencionar el papel que tuvo Aristóteles en la progresión de la física y la metafísica y cómo sus creencias y hallazgos todavía se enseñan en las clases de ciencias de hoy. Las explicaciones que da Aristóteles sobre sus hallazgos también son sencillas. Al pensar en los elementos, Aristóteles creía que cada elemento (tierra, fuego, agua, aire) tenía su propio lugar natural. [24] Lo que significa que debido a la densidad de estos elementos, volverán a su lugar específico en la atmósfera. [25] Entonces, debido a su peso, el fuego estaría arriba, el aire debajo del fuego, luego el agua y por último la tierra. También afirmó que cuando una pequeña cantidad de un elemento entra en el lugar natural de otro, el elemento menos abundante irá automáticamente a su propio lugar natural. Por ejemplo, si hay un incendio en el suelo, las llamas se elevan en el aire en un intento de volver a su lugar natural al que pertenece. Aristóteles llamó a su metafísica "filosofía primera" y la caracterizó como el estudio del "ser como ser". [26] Aristóteles definió el paradigma del movimiento como un ser o entidad que abarca diferentes áreas de un mismo cuerpo. [26] Lo que significa que si una persona está en una ubicación (A), puede mudarse a una nueva ubicación (B) y seguir ocupando la misma cantidad de espacio. Esto está relacionado con la creencia de Aristóteles de que el movimiento es un continuo. En términos de materia, Aristóteles creía que el cambio de categoría (por ejemplo, lugar) y calidad (por ejemplo, color) de un objeto se define como "alteración". Pero un cambio de sustancia es un cambio de materia. Esto también es similar a la idea actual de materia.
También ideó sus propias leyes de movimiento que incluyen 1) los objetos más pesados caerán más rápido, siendo la velocidad proporcional al peso y 2) la velocidad del objeto que cae depende inversamente de la densidad del objeto a través del cual cae (por ejemplo, densidad de aire). [27] También afirmó que, cuando se trata de movimiento violento (movimiento de un objeto cuando un segundo objeto le aplica una fuerza), la velocidad de ese objeto se mueve, solo será tan rápida o fuerte como la medida de la fuerza. aplicado a ello. [27] Esto también se ve en las reglas de velocidad y fuerza que se enseñan hoy en las clases de física. Estas reglas no son necesariamente las que se describen en la física actual, pero en su mayoría son similares. Es evidente que estas reglas fueron la columna vertebral para que otros científicos revisaran y editaran sus creencias.
Las innovaciones más notables bajo la erudición islámica se produjeron en el campo de la óptica y la visión, [28] que provinieron de los trabajos 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 idea griega antigua sobre la visión. [ cita necesaria ] Tanto en su Tratado sobre la luz como en su Kitāb al-Manāẓir , presentó un estudio del fenómeno de la cámara oscura (su versión milenaria de la cámara estenopeica ) y profundizó en la forma en que El ojo mismo funciona. Utilizando el conocimiento de eruditos anteriores, comenzó a explicar cómo entra la luz al ojo. Afirmó que el rayo de luz está enfocado, pero la explicación real de cómo la luz se proyecta en 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. [29]
El Libro de Óptica de siete volúmenes ( Kitab al-Manathir ) influyó en el pensamiento [ cita necesaria ] 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 y colegas eruditos europeos posteriores, desde Robert Grosseteste y Leonardo da Vinci hasta Johannes Kepler .
La traducción del Libro de la Óptica tuvo un impacto en Europa. A partir de él, los eruditos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que replicaban los que había construido Ibn al-Haytham y comprender cómo funciona 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 rigen el movimiento de los cuerpos planetarios (determinadas por Kepler entre 1609 y 1619), los trabajos pioneros de Galileo sobre telescopios y la astronomía observacional en el siglos XVI y XVII, y el descubrimiento y unificación de las leyes del movimiento y la gravitación universal por parte de Isaac Newton (que llevaría su nombre). [31] Newton también desarrolló el cálculo , [d] el estudio matemático del cambio continuo, que proporcionó nuevos métodos matemáticos para resolver problemas físicos. [32]
El descubrimiento de leyes en termodinámica , química y electromagnética fue el resultado de los esfuerzos de investigación durante la Revolución Industrial a medida que aumentaban las necesidades de energía. [33] Las leyes que componen la física clásica siguen siendo ampliamente utilizadas 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 de 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 en la mecánica clásica en determinadas 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 a la mecánica clásica para los cuerpos en rápido movimiento y permitió una velocidad constante de la luz. [34] La radiación de cuerpo negro proporcionó otro problema para la física clásica, que se corrigió cuando Planck propuso que la excitación de osciladores materiales sólo 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 , condujo a la teoría de la mecánica cuántica, que mejoró la física clásica a escalas muy pequeñas. [35]
La mecánica cuántica llegaría a ser iniciada por Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger y Paul Dirac . [35] A partir de estos primeros trabajos, y de trabajos 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] Áreas de las matemáticas en general son importantes para este campo, como el estudio de probabilidades y grupos .
En muchos sentidos, la física proviene de la filosofía griega antigua . Desde el primer intento de Tales de caracterizar la materia, hasta la deducción de Demócrito de que la materia debería reducirse a un estado invariante, hasta la astronomía ptolemaica de un firmamento cristalino , y el libro de Aristóteles Física (uno de los primeros libros sobre física, que intentaba analizar y definir el movimiento desde desde un punto de vista filosófico), varios filósofos griegos propusieron sus propias teorías de la naturaleza. La física fue conocida como filosofía natural hasta finales del siglo XVIII. [mi]
En el siglo XIX, la física se consideraba una disciplina distinta de la filosofía y otras ciencias. La física, como el resto de la ciencia, se basa en la filosofía de la ciencia y su " método científico " para avanzar en el conocimiento del mundo físico. [40] El método científico emplea razonamiento a priori , así como razonamiento a posteriori y el uso de la inferencia bayesiana para medir la validez de una teoría determinada. [41]
El desarrollo de la física ha respondido muchas preguntas de los primeros filósofos y ha planteado nuevas preguntas. El estudio de las cuestiones filosóficas que rodean 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 . [42]
Muchos físicos han escrito sobre las implicaciones filosóficas de su trabajo, por ejemplo Laplace , que defendió el determinismo causal , [43] y Erwin Schrödinger , que escribió sobre mecánica cuántica. [44] [45] El físico matemático Roger Penrose ha sido llamado platónico por Stephen Hawking , [46] una visión que Penrose analiza en su libro, The Road to Reality . [47] Hawking se refirió a sí mismo como un "reduccionista descarado" y discrepó de las opiniones de Penrose. [48]
La física se ocupa de una amplia variedad de sistemas, aunque todos los físicos utilizan ciertas teorías. Cada una de estas teorías fue probada experimentalmente en numerosas ocasiones y se descubrió que era 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 continúan siendo áreas de investigación activa en la actualidad. La teoría del caos , un aspecto de la mecánica clásica, fue descubierta 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 alfabetizado en ellas. Estos incluyen 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 de principios 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 se puede dividir en mecánica de sólidos y mecánica de fluidos (conocidas juntas como mecánica continua ); esta última incluye ramas como la hidrostática , la hidrodinámica , la aerodinámica y la neumática . La acústica es el estudio de cómo se produce, controla, transmite y recibe el sonido. [49] Las ramas modernas importantes de la acústica incluyen los ultrasonidos , el estudio de ondas sonoras de muy alta frecuencia más allá del rango del oído humano; bioacústica , la física de los llamados y el oído de los animales, [50] y electroacústica , la manipulación de ondas sonoras audibles mediante la electrónica. [51]
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 que componen 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 cargas eléctricas en reposo, la electrodinámica con cargas en movimiento y la magnetostática con polos magnéticos en reposo.
La física clásica generalmente se ocupa 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 cuestión en la escala más pequeña en la que se pueden identificar los elementos químicos . La física de las partículas elementales tiene 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 altas energías debido a las energías extremadamente altas necesarias para producir muchos tipos de partículas en los aceleradores de partículas . En esta escala, las nociones ordinarias y de sentido común sobre el espacio, el tiempo, la materia y la energía ya no son válidas. [52]
Las dos principales teorías de la física moderna presentan una imagen diferente de los conceptos de espacio, tiempo y materia de la que presenta 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 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 gravitacionales 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. [53]
Si bien la física 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 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 espaciotiempo y permitió una descripción precisa de sistemas cuyos componentes tienen velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Planck, Schrödinger y otros introdujeron la mecánica cuántica, una noción probabilística de partículas e interacciones que permitía una descripción precisa de las escalas atómicas y subatómicas. Posteriormente, 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 muy 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 sobre la gravedad cuántica .
Las matemáticas proporcionan un lenguaje compacto y exacto que se utiliza para describir el orden en la naturaleza. Esto fue observado y defendido por Pitágoras , [54] Platón , [55] Galileo, [56] y Newton. Algunos teóricos, como Hilary Putnam y Penelope Maddy , sostienen que las verdades lógicas y, por 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 [57] 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 requisito previo para la física, pero no para las matemáticas. Significa que la física se ocupa en última instancia de las descripciones del mundo real, mientras que las matemáticas se ocupan de patrones abstractos, incluso más allá del mundo real. Así, los enunciados físicos 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 sólo lógicamente verdaderos, mientras que las predicciones de los enunciados físicos 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 tema es físico. [58] 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. [ se necesita aclaración ]
La física pura es una rama de la ciencia fundamental (también llamada ciencia básica). La física también se llama " la ciencia fundamental" porque todas las ramas de las ciencias naturales como la química, la astronomía, la geología y la biología están limitadas por las leyes de la física. [59] De manera similar, a la química a menudo se la 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 determinadas y las reacciones están sujetas a leyes de la física, como la conservación de la energía , la masa y la carga . La física se aplica en industrias como la ingeniería y la medicina.
Física aplicada es un término general para la investigación en física, que está destinada a un uso particular. Un plan de estudios de física aplicada generalmente contiene algunas clases en una disciplina aplicada, como geología o ingeniería eléctrica. Por lo general, se diferencia de la ingeniería en que un físico aplicado puede no estar diseñando algo en particular, sino que utiliza la física o realiza investigaciones en 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, las personas que trabajan en física de aceleradores podrían intentar construir mejores detectores de partículas para la investigación en física teórica.
La física se utiliza mucho en la 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 hace que los simuladores de vuelo , los videojuegos y las películas sean más realistas y, a menudo, es fundamental en las investigaciones forenses .
Con el consenso estándar de que las leyes de la física son universales y no cambian con el tiempo, la física puede usarse 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 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 probar 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 pueden probar mejor 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. [60]
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. [61]
Los teóricos buscan desarrollar modelos matemáticos que concuerden con los experimentos existentes y predigan con éxito resultados experimentales futuros, mientras que los experimentadores idean y realizan experimentos para probar predicciones teóricas y explorar nuevos fenómenos. Aunque la teoría y el experimento se desarrollan por separado, se afectan y dependen fuertemente uno del otro. El progreso en física frecuentemente se produce cuando los resultados experimentales desafían la explicación de las teorías existentes, lo que genera una intensa atención en los modelos aplicables, y cuando las nuevas teorías generan predicciones experimentalmente comprobables , que inspiran el desarrollo de nuevos experimentos (y a menudo equipos relacionados). [62]
Los físicos que trabajan en la interacción entre teoría y experimento se llaman fenomenólogos , estudian fenómenos complejos observados en experimentos y trabajan para relacionarlos con una teoría fundamental . [63]
Históricamente, la física teórica se ha inspirado en la filosofía; De esta manera se unificó el electromagnetismo. [f] Más allá del universo conocido, el campo de la física teórica también se ocupa de cuestiones hipotéticas, [g] como universos paralelos , un multiverso y dimensiones superiores . Los teóricos invocan estas ideas con la esperanza de resolver problemas particulares con las 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 participan en la investigación básica diseñan y realizan experimentos con equipos como aceleradores de partículas y láseres , mientras que los que participan en la investigación aplicada a menudo trabajan en la industria, desarrollando tecnologías como la resonancia magnética (MRI) y los transistores . Feynman ha observado que los experimentadores pueden buscar áreas que los teóricos no han explorado bien. [64]
La física abarca una amplia gama de fenómenos , desde partículas elementales (como quarks , neutrinos y electrones ) hasta los mayores supercúmulos de galaxias. Incluidos en estos fenómenos están los objetos más básicos que componen todas las demás cosas. Por lo tanto, a la física a veces se la llama la "ciencia fundamental". [59] 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 imán y la magnetita ) se sentían atraídas entre sí por una fuerza invisible. Este efecto se denominó más tarde magnetismo y 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 frotarlo con piel provocaba una atracción invisible similar entre ambos. [65] Esto también se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII y pasó a denominarse electricidad. Así, la física había llegado a comprender dos observaciones de la naturaleza en términos de alguna causa fundamental (electricidad y magnetismo). Sin embargo, trabajos posteriores en el siglo XIX revelaron que estas dos fuerzas eran sólo dos aspectos diferentes de una fuerza: el electromagnetismo . Este proceso de "unificación" de fuerzas continúa hoy en día, y ahora se considera que el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil son dos aspectos de la interacción electrodébil . La física espera encontrar una razón última (teoría del todo) de por qué la naturaleza es como es (consulte la sección Investigación actual a continuación para obtener más información). [66]
La investigación contemporánea en física se puede dividir en términos generales 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 física y la divulgación de la física . [67]
Desde el siglo XX, los campos individuales de la física se han vuelto cada vez más especializados y hoy en día 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. [h]
En la siguiente tabla se muestran los principales campos de la física, junto con sus subcampos y las teorías y conceptos que emplean.
La física de partículas es el estudio de los constituyentes elementales de la materia y la energía y las interacciones entre ellos. [68] Además, los físicos de partículas diseñan y desarrollan los aceleradores de alta energía, [69] detectores, [70] y programas informáticos [71] necesarios para esta investigación. El campo también se llama "física de alta energía" porque muchas partículas elementales no se producen de forma natural, sino que se crean sólo durante colisiones de alta energía de otras partículas. [72]
Actualmente, las interacciones de partículas elementales y campos se describen mediante el Modelo Estándar . [73] El modelo tiene en cuenta las 12 partículas conocidas de materia ( quarks y leptones ) que interactúan a través de las fuerzas fundamentales fuerte , débil y electromagnética . [73] La dinámica se describe en términos de partículas de materia que intercambian bosones calibre ( gluones , bosones W y Z , y fotones , respectivamente). [74] El modelo estándar también predice una partícula conocida como bosón de Higgs. [73] En julio de 2012, el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, anunció la detección de una partícula compatible con el bosón de Higgs, [75] una parte integral del mecanismo de Higgs .
La física nuclear es el campo de la física que estudia los constituyentes y las interacciones de los núcleos atómicos . Las aplicaciones más comúnmente 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 lo común de sus escalas de energía relevantes. Las tres áreas incluyen tratamientos clásicos, semiclásicos y cuánticos ; pueden tratar su tema desde una vista microscópica (en contraste con una vista macroscópica).
La física atómica estudia las capas electrónicas de los átomos. La investigación actual se centra en actividades de control cuántico, enfriamiento y captura de átomos e iones, [76] [77] [78] dinámica de colisiones a baja temperatura y los efectos de la correlación de electrones 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 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 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. [79] [80] En particular, se ocupa de las fases "condensadas" que aparecen cuando el número de partículas en un sistema es extremadamente grande y las interacciones entre ellas son fuertes. [81]
Los ejemplos más conocidos de fases condensadas son los sólidos y los líquidos, que surgen del enlace entre átomos mediante la fuerza electromagnética . [82] Las fases condensadas más exóticas incluyen el superfluido [83] y el condensado de Bose-Einstein [84] que se encuentran en ciertos sistemas atómicos a muy baja temperatura, la fase superconductora exhibida por los electrones de conducción en ciertos materiales, [85] y las fases ferromagnéticas y Fases antiferromagnéticas de espines en redes atómicas . [86]
La física de la materia condensada es el campo más amplio 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. [87] El término física de la materia condensada aparentemente fue acuñado por Philip Anderson cuando cambió el nombre de su grupo de investigación, anteriormente teoría del estado sólido , en 1967. [88] En 1978, la División de Física del Estado Sólido de la Sociedad Estadounidense de Física pasó a llamarse la División de Física de la Materia Condensada. [87] La física de la materia condensada tiene una gran superposición con la química, la ciencia de los materiales , la nanotecnología y la ingeniería. [81]
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 cosmológicos relacionados. Debido a que la astrofísica es un tema amplio, los astrofísicos suelen aplicar muchas disciplinas de la física, incluida 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. [89]
El descubrimiento de Karl Jansky en 1931 de que los cuerpos celestes emitían señales de radio inició la ciencia de la radioastronomía . Más recientemente, las fronteras de la astronomía se han ampliado gracias a la exploración espacial. Las perturbaciones y las interferencias de la atmósfera terrestre hacen que las observaciones espaciales sean necesarias para la astronomía infrarroja , ultravioleta , rayos gamma y rayos X.
La cosmología física es el estudio de la formación y evolución del universo en sus mayores escalas. La teoría de la relatividad de Albert Einstein juega 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 , provocó explicaciones rivales conocidas como el universo de 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 surgirán numerosas posibilidades y descubrimientos a partir de nuevos datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi y que revisarán o aclararán enormemente los modelos existentes del universo. [90] [91] En particular, en los próximos años es posible que se produzca un tremendo descubrimiento en torno a la materia oscura. [92] 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.
El IBEX ya está produciendo nuevos descubrimientos astrofísicos : "Nadie sabe qué está creando la cinta ENA (átomos neutros energéticos) " a lo largo del choque terminal del viento solar , "pero todos coinciden en que se trata de la imagen de libro 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; eso está mal." [93]
La investigación en física avanza continuamente en numerosos frentes.
En física de la materia condensada, un problema teórico importante sin resolver es el de la superconductividad a alta temperatura . [94] Muchos experimentos con materia condensada tienen como objetivo fabricar espintrónica y computadoras cuánticas viables . [81] [95]
En física de partículas, han comenzado a aparecer las primeras pruebas experimentales para la física más allá del modelo estándar. Los más importantes son los indicios de que los neutrinos tienen 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 encontrado el bosón de Higgs, pero futuras investigaciones pretenden probar o refutar la supersimetría , que amplía el modelo estándar de la física de partículas. Actualmente también se están llevando a cabo investigaciones sobre la naturaleza de los principales misterios de la materia y la energía oscuras . [96]
Aunque se han logrado muchos avances en la física de alta energía, cuántica y astronómica, muchos fenómenos cotidianos que involucran complejidad , [97] caos, [98] o turbulencia [99] todavía no se comprenden bien. Problemas complejos que parecen poder resolverse mediante una aplicación inteligente de la dinámica y la mecánica siguen sin resolverse; los ejemplos incluyen la formación de montones de arena, nodos en el agua que gotea, la forma de las gotas de agua, mecanismos de catástrofes de tensión superficial y la autoclasificación en colecciones heterogéneas sacudidas. [yo] [100]
Estos fenómenos complejos han recibido una atención creciente desde la década de 1970 por varias razones, incluida la disponibilidad de métodos matemáticos y computadoras modernos, 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 aerodinámica y la observación de la formación de patrones en sistemas biológicos. En la Revista Anual de Mecánica de Fluidos de 1932 , Horace Lamb dijo: [101]
Ahora soy un hombre viejo, y cuando muera y vaya al cielo hay dos asuntos sobre los cuales espero iluminación. Uno es la electrodinámica cuántica y el otro es el movimiento turbulento de fluidos. Y sobre lo primero 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 tiempo y duración del universo físico. [102] [103] Los físicos generalmente están interesados en las causas fundamentales o fundamentales de los fenómenos y, por lo general, 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 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 modelado matemático de sistemas físicos para racionalizar, explicar y predecir fenómenos naturales. [102]
Los físicos pueden aplicar sus conocimientos a la resolución de problemas prácticos o al desarrollo de nuevas tecnologías (también conocida como física aplicada o física de ingeniería ). [104] [105] [106]Para comprender mejor cuán concluyente es la demostración de Aristóteles, en mi opinión podemos negar ambos supuestos.
Y en cuanto a lo primero, dudo mucho que Aristóteles haya probado alguna vez mediante experimentos si es cierto que dos piedras, una de las cuales pesa diez veces más que la otra, si se las deja caer, en el mismo instante, desde una altura de, digamos, 100 codos, diferirían tanto en velocidad que cuando el más pesado hubiera llegado al suelo, el otro no habría caído más de 10 codos.
Bobo.
– Su lenguaje parecería indicar que había intentado el experimento, porque dice: Vemos lo más pesado;
ahora la palabra ver muestra que él había hecho el experimento.
Sagr.
– Pero yo, Simplicio, que he hecho la prueba, puedo aseguraros que una bala de cañón que pese cien o doscientas libras, o incluso más, no llegará al suelo ni un palmo antes que una bala de mosquete que pese sólo media libra, siempre que ambos se dejen caer desde una altura de 200 codos.
En dos siglos, el campo de la óptica se transformó radicalmente
El propósito de [Journal of Mathematical Physics] es 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 tales aplicaciones y para la formulación de teorías físicas.
Richard Feynman dijo que 'la turbulencia es el problema sin resolver más importante de la física clásica'
La física es el estudio de tu mundo y del mundo y universo que te rodea.
Materia y movimiento.
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