FISICA
FÍSICA
La física (del lat. physica,
y este del gr. τὰ φυσικά, neutro
plural de φυσικός, "naturaleza") es la ciencia natural que estudia
las propiedades y el comportamiento de la energía y la materia (como
también cualquier cambio en ella que no altere la naturaleza de la misma), así
como al tiempo y el espacio y las interacciones de estos
cuatro conceptos entre sí.
La física es una de las más
antiguas disciplinas académicas, tal vez la más antigua a través de la
inclusión de la astronomía. En los últimos dos milenios, la física había sido
considerada sinónimo de la filosofía, la química, y ciertas
ramas de la matemática y la biología, pero
durante la Revolución Científica en el siglo XVII surgió para
convertirse en una ciencia moderna, única por derecho propio. Sin embargo, en
algunas esferas como la física matemática y la química cuántica, los límites de
la física siguen siendo difíciles de distinguir.
La física es significativa e
influyente, no sólo debido a que los avances en la comprensión a menudo se han
traducido en nuevas tecnologías, sino también a que las nuevas ideas en la
física resuenan con las demás ciencias, las matemáticas y la filosofía.
La física no es sólo una ciencia teórica; es
también una ciencia experimental. Como toda
ciencia, busca que sus conclusiones puedan ser verificables mediante
experimentos y que la teoría pueda realizar predicciones de experimentos
futuros. Dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su
desarrollo histórico en relación a otras ciencias, se la puede considerar la
ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a
la química, la biología y la electrónica, además de
explicar sus fenómenos.
La física, en su intento de
describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, ha llegado a
límites impensables: el conocimiento actual abarca la descripción de partículas fundamentales
microscópicas, el nacimiento de las estrellas en el universo e incluso
conocer con una gran probabilidad lo que aconteció en los primeros instantes
del nacimiento de nuestro universo, por citar
unos pocos campos.
Esta tarea comenzó hace más de
dos mil años con los primeros trabajos de filósofos griegos como Demócrito, Eratóstenes, Aristarco, Epicuro o Aristóteles, y fue
continuada después por científicos como Galileo Galilei, Isaac Newton, William Rowan Hamilton, James Clerk Maxwell, Albert Einstein, Niels Bohr, Max Planck, Werner Heidelberg, Paul Dirac, Richard Feynman y Stephen Hawking, entre
muchos otros.
HISTORIA DE LA FÍSICA
Dios no juega a
los dados con el Universo.
Einstein, deje de
decirle a Dios lo que tiene que hacer con sus dados.
Se conoce que la mayoría de las civilizaciones de la
antigüedad trataron desde un principio de explicar el funcionamiento de su
entorno; miraban las estrellas y pensaban cómo ellas podían regir su mundo.
Esto llevó a muchas interpretaciones de carácter más filosófico que físico; no
en vano en esos momentos a la física se le llamaba filosofía
natural. Muchos filósofos se encuentran en el desarrollo
primigenio de la física, como Aristóteles, Tales de Mileto o Demócrito, por ser los
primeros en tratar de buscar algún tipo de explicación a los fenómenos que les
rodeaban.A pesar
de que las teorías descriptivas del universo que dejaron estos pensadores eran
erradas, estas tuvieron validez por mucho tiempo, casi dos mil años, en parte
por la aceptación de la Iglesia
Católica de varios de sus preceptos, como la teoría
geocéntrica o las tesis de Aristóteles.[2]
Esta etapa, denominada oscurantismo en la
ciencia, termina cuando Nicolás
Copérnico, considerado padre de la astronomía moderna,
en 1543 recibe la
primera copia de su De Revolutionibus Orbium Coelestium. A pesar de que
Copérnico fue el primero en formular teorías plausibles, es otro personaje al
cual se le considera el padre de la física como la conocemos ahora. Un
catedrático de matemáticas de la Universidad
de Pisa a finales del siglo XVI cambiaría la
historia de la ciencia, empleando por primera vez experimentos para comprobar
sus aseveraciones: Galileo Galilei.
Mediante el uso del telescopio para observar el
firmamento y sus trabajos en planos inclinados, Galileo
empleó por primera vez el método
científico y llegó a conclusiones capaces de ser verificadas. A sus
trabajos se les unieron grandes contribuciones por parte de otros científicos como Johannes Kepler, Blaise Pascal y Christian Huygens.[2]
Posteriormente, en el siglo XVII, un
científico inglés reúne las ideas de Galileo y Kepler en un solo
trabajo, unifica las ideas del movimiento celeste y las de los movimientos en
la Tierra en lo que él llamó gravedad. En 1687, Isaac Newton, en su
obra Philosophiae Naturales Principia Matemática, formuló
los tres principios del movimiento y una
cuarta Ley de la gravitación universal, que
transformaron por completo el mundo físico; todos los fenómenos podían ser
vistos de una manera mecánica.
El trabajo de Newton en este campo
perdura hasta la actualidad; todos los fenómenos macroscópicos pueden ser
descritos de acuerdo a sus tres leyes. Por eso durante
el resto de ese siglo y el posterior siglo XVIII todas
las investigaciones se basaron en sus ideas. De ahí que se desarrollaron otras
disciplinas, como la termodinámica, la óptica, la mecánica
de fluidos y la mecánica
estadística. Los conocidos trabajos de Daniel Bernoulli, Robert Boyle y Robert Hooke, entre
otros, pertenecen a esta época.[4]
En el siglo XIX se producen
avances fundamentales en la electricidad y el magnetismo, principalmente
de la mano de Charles-Agustín de Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday y Georg Simón Ohm, que
culminaron en el trabajo de James
Clerk Maxwell de 1855, que logró la
unificación de ambas ramas en el llamado electromagnetismo. Además,
se producen los primeros descubrimientos sobre radiactividad y el
descubrimiento del electrón por parte de Joseph
John Thomson en 1897.
Durante el Siglo XX, la física se
desarrolló plenamente. En 1904 se propuso el
primer modelo del átomo (Hantarō
Nagaoka), confirmado por Ernest Rutherford en 1911.
En 1905, Einstein
formuló la Teoría
de la Relatividad especial, la cual coincide con las Leyes de Newton cuando
los fenómenos se desarrollan a velocidades pequeñas comparadas con la velocidad
de la luz. En 1915 extendió la
Teoría de la Relatividad especial, formulando la Teoría
de la Relatividad general, la cual sustituye a la Ley de
gravitación de Newton y la comprende en los casos de masas pequeñas. Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros,
desarrollaron la Teoría
cuántica, a fin de explicar resultados experimentales anómalos
sobre la radiación de los cuerpos. En 1911, Ernest Rutherford dedujo
la existencia de un núcleo atómico cargado positivamente, a partir de
experiencias de dispersión de partículas. En 1925 Werner Heidelberg, y en 1926 Erwin
Schrödinger y Paul
Adrián Maurice Dirac, formularon la mecánica
cuántica, la cual comprende las teorías cuánticas precedentes y
suministra las herramientas teóricas para la Física de la materia condensada.
Los intentos de unificar las cuatro interacciones fundamentales han llevado a
los físicos a nuevos campos impensables. Las dos teorías más aceptadas, la mecánica
cuántica y la relatividad
general, que son capaces de describir con gran exactitud el
macro y el micro mundo, parecen incompatibles cuando se las quiere ver desde un
mismo punto de vista. Por eso se han formulado nuevas teorías, como la supe gravedad o la teoría de
cuerdas, donde se centran las investigaciones a inicios del siglo XXI.
Teorías centrales
La física, en su búsqueda de describir la verdad última
de la naturaleza, tiene varias
bifurcaciones, las cuales podrían agruparse en cinco teorías principales:
la mecánica
clásica, que describe el movimiento macroscópico; el electromagnetismo, que
describe los fenómenos electromagnéticos como la luz; la relatividad,
formulada por Einstein, que describe el
espacio-tiempo y la interacción
gravitatoria; la termodinámica, que
describe los fenómenos moleculares y de intercambio de calor; y, finalmente,
la mecánica
cuántica, que describe el comportamiento del mundo atómico.
Mecánica clásica
Se conoce como mecánica clásica a la descripción del
movimiento de cuerpos macroscópicos a velocidades muy pequeñas en comparación
con la velocidad de la luz. Existen dos tipos de formulaciones de esta
mecánica, conocidas como mecánica
newtoniana y mecánica
analítica.
La mecánica newtoniana, como su nombre indica, lleva
intrínsecos los preceptos de Newton. A partir de las
tres ecuaciones
formuladas por Newton y mediante el cálculo
diferencial e integral, se
llega a una muy exacta aproximación de los fenómenos físicos. Esta formulación
también es conocida como mecánica vectorial, y es debido a
que a varias magnitudes se les debe definir su vector en un sistema de referencia inercial privilegiado.[7]
La mecánica analítica es una formulación matemática
abstracta sobre la mecánica; nos permite desligarnos de esos sistemas
de referencia privilegiados y tener conceptos más generales al momento
de describir un movimiento con el uso del cálculo
de variaciones. Existen dos formulaciones equivalentes: la llamada mecánica
lagrangiana es una reformulación de la mecánica realizada por Joseph
Louis Lagrange que se basa en la ahora llamada ecuación de
Euler-Lagrange (ecuaciones diferenciales de segundo orden) y el principio de
mínima acción; la otra, llamada mecánica
ha miltoniana, es una reformulación más teórica basada en una funcional llamada
hamiltoniano realizada por William
Hamilton. En última instancia las dos son equivalentes.[7]
En la mecánica clásica en general se tienen tres aspectos
invariantes: el tiempo es absoluto, la
naturaleza realiza de forma espontánea la mínima
acción y la concepción de un universo
determinado.] Electromagnetismo
Magnetósfera terrestre.
El electromagnetismo describe
la interacción de partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos. Se puede
dividir en electrostática, el
estudio de las interacciones entre cargas en reposo, y la electrodinámica, el
estudio de las interacciones entre cargas en movimiento y la radiación. La teoría
clásica del electromagnetismo se basa en la fuerza de
Lorentz y en las ecuaciones
de Maxwell.
La electrostática es el estudio de los fenómenos
asociados a los cuerpos cargados en reposo. Como se describe por la ley de Coulomb, estos
cuerpos ejercen fuerzas entre sí. Su comportamiento se puede analizar en
términos de la idea de un campo eléctrico que rodea cualquier cuerpo cargado,
de manera que otro cuerpo cargado colocado dentro del campo estará sujeto a una
fuerza proporcional a
la magnitud de su carga y de la magnitud del campo en su ubicación. El que la
fuerza sea atractiva
o repulsiva depende de la polaridad de la
carga. La electrostática tiene muchas aplicaciones, que van desde el análisis
de fenómenos como tormentas
eléctricas hasta el estudio del comportamiento de los tubos
electrónicos.
La electrodinámica es el estudio de los fenómenos
asociados a los cuerpos cargados en movimiento y a los campos eléctricos y
magnéticos variables. Dado que una carga en movimiento produce un campo
magnético, la electrodinámica se refiere a efectos tales como el magnetismo, la
radiación
electromagnética, y la inducción
electromagnética, incluyendo las aplicaciones prácticas, tales como el generador
eléctrico y el motor eléctrico. Esta
área de la electrodinámica, conocida como electrodinámica clásica, fue
sistemáticamente explicada por James
Clerk Maxwell, y las ecuaciones de Maxwell describen los fenómenos de
esta área con gran generalidad. Una novedad desarrollada más reciente es la electrodinámica
cuántica, que incorpora las leyes de la teoría
cuántica a fin de explicar la interacción de la radiación
electromagnética con la materia. Paul Dirac, Heidelberg y Wolfgang Pauli fueron
pioneros en la formulación de la electrodinámica cuántica. La electrodinámica es
inherentemente relativista y da unas correcciones que se introducen en la
descripción de los movimientos de las partículas cargadas cuando sus
velocidades se acercan a la velocidad
de la luz. Se aplica a los fenómenos involucrados con aceleradores
de partículas y con tubos electrónicos funcionando a altas tensiones y
corrientes.
El electromagnetismo abarca diversos fenómenos del mundo
real como por ejemplo, la luz. La luz es un campo
electromagnético oscilante que se irradia desde partículas cargadas
aceleradas. Aparte de la gravedad, la mayoría de las fuerzas en la experiencia
cotidiana son consecuencia de electromagnetismo.
Los principios del electromagnetismo encuentran
aplicaciones en diversas disciplinas afines, tales como las microondas, antenas, máquinas
eléctricas, comunicaciones por satélite, bioelectromagnetismo, plasmas, investigación nuclear, la fibra óptica, la
interferencia y la compatibilidad electromagnéticas, la conversión de energía
electromecánica, la meteorología por radar, y la
observación remota. Los dispositivos electromagnéticos incluyen transformadores, relés
eléctricos, radio / TV, teléfonos, motores
eléctricos, líneas de transmisión, guías de onda, fibras ópticas y láseres.
Relatividad
La relatividad es la teoría formulada principalmente por Albert Einstein a principios del
siglo XX, y se divide en dos cuerpos de investigación: la relatividad especial y la relatividad general.
En la teoría de la relatividad especial, Einstein, Lorentz y Minkowski, entre
otros, unificaron los conceptos de espacio y tiempo, en un ramado tetra dimensional al que se le denominó espacio-tiempo. La relatividad
especial fue una teoría revolucionaria para su época, con la que el tiempo
absoluto de Newton quedó relegado y conceptos como la invariancia en la velocidad de la luz, la dilatación del tiempo, la contracción de
la longitud y la equivalencia
entre masa y energía fueron introducidos. Además, con las formulaciones de la
relatividad especial, las leyes de la física son invariantes en todos los sistemas de
referencia inerciales; como consecuencia matemática, se encuentra como límite
superior de velocidad a la de la luz y se elimina la causalidad
determinista que tenía la física hasta entonces. Hay que indicar que las leyes
del movimiento de Newton son un caso particular de esta teoría donde la masa, al viajar a velocidades muy pequeñas, no experimenta
variación alguna en longitud ni se transforma en energía, y al tiempo se le
puede considerar absoluto.
Por otro lado, la relatividad general estudia
la interacción
gravitatoria como una deformación en la geometría del espacio-tiempo. En esta teoría
se introducen los conceptos de la curvatura del
espacio-tiempo como la causa de la interacción gravitatoria, el principio de
equivalencia que dice que para todos los observadores locales
inerciales las leyes de la relatividad especial son invariantes y la
introducción del movimiento de un partícula por líneas geodésicas. La relatividad
general no es la única teoría que describe la atracción gravitatoria, pero es
la que más datos relevantes comprobables ha encontrado. Anteriormente, a la
interacción gravitatoria se la describía matemáticamente por medio de una
distribución de masas, pero en esta teoría no solo la masa percibe esta
interacción, sino también la energía, mediante la curvatura del espacio-tiempo, y es por eso
que se necesita otro lenguaje matemático para poder describirla, el cálculo tensorial. Muchos
fenómenos, como la curvatura de la luz por acción de la gravedad y la
desviación en la órbita de Mercurio, son
perfectamente predichos por esta formulación. La relatividad general también
abrió otro campo de investigación en la física, conocido como cosmología, y es ampliamente
utilizado en la astrofísica.[8]Termodinámica y mecánica estadística
Transferencia de calor por convección.
La termodinámica trata
los procesos de transferencia
de calor, que es una de las formas de energía, y cómo se puede
realizar un trabajo con
ella. En esta área se describe cómo la materia en cualquiera de sus fases (sólido, líquido, gaseoso) va
transformándose. Desde un punto de vista macroscópico de la materia, se estudia
como ésta reacciona a cambios en su volumen, presión y temperatura, entre
otras magnitudes. La termodinámica se basa en cuatro leyes
principales: el equilibrio termodinámico (o ley cero), el principio
de conservación
de la energía (primera ley), el aumento temporal de la Entropía (segunda
ley) y la imposibilidad del cero absoluto (tercera ley).
Una consecuencia de la termodinámica es lo que hoy se
conoce como mecánica
estadística. Esta rama estudia, al igual que la termodinámica, los
procesos de transferencia de calor, pero, al contrario a la anterior, desde un
punto de vista molecular. La materia,
como se conoce, está compuesta por moléculas, y el conocer el comportamiento de
una sola de sus moléculas nos lleva a medidas erróneas. Es por eso que se debe
tratar como un conjunto de elementos caóticos o aleatorios, y se
utiliza el lenguaje estadístico y
consideraciones mecánicas para describir comportamientos macroscópicos de este
conjunto molecular microscópico.
Mecánica cuántica
Conceptos físicos fundamentales
En general un concepto físico es interpretable sólo en virtud de la teoría física donde aparece. Así la descripción clásica de un gas o un fluido recurre al concepto de medio continuo aun cuando en realidad la materia está formada por átomos discretos, eso no impide que el concepto de medio continuo en el contexto de aplicación de la mecánica de fluidos o la mecánica de sólidos deformables no sea útil. Igualmente la mecánica newtoniana trata el campo gravitatorio como un campo de fuerzas, pero por otra parte la teoría de la relatividad general considera que no existen genuinamente fuerzas gravitatorias sino que los fenómenos gravitatorios son una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo.
Si se examina una lista larga de conceptos físicos
rápidamente se aprecia que muchos de ellos sólo tienen sentido o son definibles
con todo rigor en el contexto de una teoría concreta y por tanto no son
conceptos fundamentales que deban aparecer en cualquier descripción física del
universo. Sin embargo, un conjunto reducido de conceptos físicos aparecen tanto
en la descripción de la física clásica, como en la descripción de la física
relativista y la de la mecánica cuántica. Estos conceptos físicos que parecen necesarios
en cualquier teoría física suficientemente amplia son los llamados conceptos físicos fundamentales, una lista no
exhaustiva de los mismos podría ser:
Conceptos
fundamentales de la Física
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Tipos de entidades
físicas:
Materia ·
partícula · campo ·
onda · espacio-tiempo ·
observador ·
Espacio · Tiempo · Posición
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Construcciones
teóricas fundamentales: Lagrangiano · Acción · Ecuaciones de Euler-LaGrange · Ecuación de movimiento · Estado
físico · Ley de conservación
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