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, 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, ya que la astronomía es una de sus disciplinas. En los últimos dos milenios, la física fue considerada dentro de lo que ahora llamamos filosofía, 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.
El área se orienta al desarrollo de competencias de una cultura
científica, para comprender nuestro mundo físico, viviente y lograr
actuar en él tomando en cuenta su proceso cognitivo, su protagonismo en
el saber y hacer científico y tecnológico, como el conocer, teorizar,
sistematizar y evaluar sus actos dentro de la sociedad. De esta manera,
contribuimos a la conservación y preservación de los recursos, mediante
la toma de conciencia y una participación efectiva y sostenida.
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 basados en observaciones previas. Dada la amplitud
del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico con
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, Leonhard Euler, Joseph-Louis de Lagrange, Michael Faraday, William Rowan Hamilton, Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell, Hendrik Antoon Lorentz, Albert Einstein, Niels Bohr, Max Planck, Werner Heisenberg, Paul Dirac, Richard Feynman y Stephen Hawking, entre muchos otros.
Historia de la física
Es conocido 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.1
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 de Europa, termina cuando el canónigo y científico 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 reunió 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 Naturalis Principia Mathematica, 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.3
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 produjeron avances fundamentales en la electricidad y el magnetismo, principalmente de la mano de Charles-Augustin de Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday y Georg Simon 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 1897.5
Durante el siglo XX, la física se desarrolló plenamente. En 1904, Hantarō Nagaoka había propuesto el primer modelo del átomo,6 el cual fue confirmado en parte por Ernest Rutherford en 1911, aunque ambos planteamientos serían después sustituidos por el modelo atómico de Bohr, de 1913. 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 Heisenberg, y en 1926 Erwin Schrödinger y Paul Adrien 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.7
Posteriormente se formuló la teoría cuántica de campos,
para extender la mecánica cuántica de acuerdo con la Teoría de la
Relatividad especial, alcanzando su forma moderna a finales de la década
de 1940, gracias al trabajo de Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga y Freeman Dyson, que formularon la teoría de la electrodinámica cuántica. Esta teoría formó la base para el desarrollo de la física de partículas. En 1954, Chen Ning Yang y Robert Mills desarrollaron las bases del modelo estándar. Este modelo se completó en los años 1970,
y con él fue posible predecir las propiedades de partículas no
observadas previamente, pero que fueron descubiertas sucesivamente,
siendo la última de ellas el quark top.7
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
micromundo, parecen incompatibles cuando se las quiere ver desde un
mismo punto de vista. Por eso se han formulado nuevas teorías, como la supergravedad o la teoría de cuerdas, donde se centran las investigaciones a inicios del siglo XXI.
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).10
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.11Mecánica cuántica
La mecánica cuántica es la rama de la física que trata los sistemas atómicos y subatómicos, y sus interacciones con la radiación electromagnética, en términos de cantidades observables. Se basa en la observación de que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas o paquetes llamados cuantos. Sorprendentemente, la teoría cuántica sólo permite normalmente cálculos probabilísticos o estadísticos de las características observadas de las partículas elementales, entendidos en términos de funciones de onda. La ecuación de Schrödinger desempeña el papel en la mecánica cuántica que las leyes de Newton y la conservación de la energía
hacen en la mecánica clásica. Es decir, la predicción del
comportamiento futuro de un sistema dinámico, y es una ecuación de onda
en términos de una función de onda la que predice analíticamente la probabilidad precisa de los eventos o resultados.
En teorías anteriores de la física clásica, la energía era tratada
únicamente como un fenómeno continuo, en tanto que la materia se supone
que ocupa una región muy concreta del espacio
y que se mueve de manera continua. Según la teoría cuántica, la energía
se emite y se absorbe en cantidades discretas y minúsculas. Un paquete
individual de energía, llamado cuanto, en algunas situaciones se
comporta como una partícula
de materia. Por otro lado, se encontró que las partículas exponen
algunas propiedades ondulatorias cuando están en movimiento y ya no son
vistas como localizadas en una región determinada, sino más bien
extendidas en cierta medida. La luz u otra radiación emitida o absorbida
por un átomo sólo tiene ciertas frecuencias (o longitudes de onda), como puede verse en la línea del espectro asociado al elemento químico
representado por tal átomo. La teoría cuántica demuestra que tales
frecuencias corresponden a niveles definidos de los cuantos de luz, o fotones,
y es el resultado del hecho de que los electrones del átomo sólo pueden
tener ciertos valores de energía permitidos. Cuando un electrón
pasa de un nivel permitido a otro, una cantidad de energía es emitida o
absorbida, cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia
de energía entre los dos niveles.
Esquema de un orbital en dos dimensiones.
El formalismo de la mecánica cuántica se desarrolló durante la década de 1920. En 1924, Louis de Broglie propuso que, al igual que las ondas de luz presentan propiedades de partículas, como ocurre en el efecto fotoeléctrico, las partículas, a su vez, también presentan propiedades ondulatorias. Dos formulaciones diferentes de la mecánica cuántica se presentaron después de la sugerencia de Broglie. En 1926, la mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger implica la utilización 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. En 1925, la mecánica matricial de Werner Heisenberg
no hace mención alguna de las funciones de onda o conceptos similares,
pero ha demostrado ser matemáticamente equivalente a la teoría de
Schrödinger. Un descubrimiento importante de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre,
enunciado por Heisenberg en 1927, que pone un límite teórico absoluto
en la precisión de ciertas mediciones. Como resultado de ello, la
asunción clásica de los científicos de que el estado físico de un
sistema podría medirse exactamente y utilizarse para predecir los
estados futuros tuvo que ser abandonada. Esto supuso una revolución
filosófica y dio pie a numerosas discusiones entre los más grandes
físicos de la época.
La mecánica cuántica se combinó con la teoría de la relatividad en la formulación de Paul Dirac de 1928, lo que, además, predijo la existencia de antipartículas. Otros desarrollos de la teoría incluyen la estadística cuántica, presentada en una forma por Einstein y Bose (la estadística de Bose-Einstein) y en otra forma por Dirac y Enrico Fermi (la estadística de Fermi-Dirac), la electrodinámica cuántica, interesada en la interacción entre partículas cargadas y los campos electromagnéticos, su generalización, la teoría cuántica de campos y la electrónica cuántica.
El descubrimiento de la mecánica cuántica a principios del siglo XX revolucionó la física, y la mecánica cuántica es fundamental para la mayoría de las áreas de la investigación actual.
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
aún 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 | |
| Magnitudes físicas · Energía · Energía cinética · Momentum · Momentum angular · Masa · Carga eléctrica · Entropía | |
| Tipos de entidades físicas: Materia · partícula · campo · onda · espacio-tiempo · observador · Espacio · Tiempo · Posición | |
| Construcciones teóricas fundamentales: Lagrangiano · Acción · Ecuaciones de Euler-Lagrange · Ecuación de movimiento · Estado físico · Ley de conservación |
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