Física
Definición
Física (del griego clásico: φυσική) , translit. Physikḗ (epistḗmē) , lit. "conocimiento de la naturaleza", de φύσις phýsis "naturaleza") es la ciencia natural que estudia la materia y su movimiento y comportamiento a través del espacio y el tiempo y que estudia las entidades relacionadas de energía y fuerza. La física es una de las disciplinas científicas más fundamentales, y su principal objetivo es comprender cómo se comporta el universo.
La física es una de las disciplinas académicas más antiguas y, a través de su inclusión de la astronomía, quizás la más antigua. Durante los últimos dos milenios, la física, la química, la biología y ciertas ramas de las matemáticas formaron parte de la filosofía natural, pero durante la revolución científica en el siglo XVII, estas ciencias naturales surgieron como proyectos de investigación únicos por derecho propio. 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 de manera rígida. Las nuevas ideas en física a menudo explican los mecanismos fundamentales estudiados por otras ciencias y sugieren nuevas avenidas de investigación en disciplinas académicas como las matemáticas y la filosofía.
Los avances en física a menudo permiten avances en nuevas tecnologías. Por ejemplo, los avances en la comprensión del electromagnetismo y la física nuclear condujeron directamente al desarrollo de nuevos productos que han transformado dramáticamente a la sociedad moderna, como la televisión, las computadoras, los electrodomésticos y las armas nucleares; los avances en termodinámica llevaron al desarrollo de la industrialización; y los avances en mecánica inspiraron el desarrollo del cálculo.
Historia
Astronomía antigua
La astronomía es una de las ciencias naturales más antiguas. Las primeras civilizaciones que datan de más allá de 3000 a. C., como los sumerios, los antiguos egipcios y la civilización del valle del Indo, tenían un conocimiento predictivo y una comprensión básica de los movimientos del sol, la luna y las estrellas. Las estrellas y los planetas a menudo eran venerados, se creía que representaban dioses. Si bien las explicaciones para las posiciones observadas de las estrellas a menudo no eran científicas y carecían de evidencia, estas primeras observaciones sentaron las bases para la astronomía posterior, ya que las estrellas atravesaban grandes círculos en el cielo, lo que no explicaba las posiciones del 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. Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que muestran el conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, mientras que el poeta griego Homero escribió sobre varios objetos celestes en su Ilíada y Odisea ; más tarde, los astrónomos griegos proporcionaron nombres, que todavía se usan hoy en día, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte.
Filosofía natural
La filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante el período arcaico (650 aC - 480 aC), cuando filósofos presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones no naturalistas de los fenómenos naturales y proclamaron que cada evento tenía una causa natural. Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas de sus hipótesis demostraron ser exitosas en el experimento; por ejemplo, se encontró que el atomismo era correcto aproximadamente 2000 años después de que fue propuesto por Leucippus y su alumno Demócrito.
Física en el mundo medieval europeo e islámico
El Imperio Romano de Occidente cayó en el siglo V, y esto provocó un declive en las actividades intelectuales en la parte occidental de Europa. Por el contrario, el Imperio Romano de Oriente (también conocido como el Imperio Bizantino) resistió los ataques de los bárbaros y continuó avanzando en varios campos de aprendizaje, incluida la física.
En el siglo VI, Isidoro de Mileto creó una compilación importante de las obras de Arquímedes que se copian en el Palimpsesto de Arquímedes.
En el siglo VI, Europa, John Philoponus, un erudito bizantino, cuestionó las enseñanzas de física de Aristóteles y señaló sus defectos. Él introdujo la teoría del ímpetu. La física de Aristóteles no fue examinada hasta que apareció John Philoponus y, a diferencia de Aristóteles, que basó su física en argumentos verbales, Philoponus se basó en la observación. En la física de Aristóteles, John Philoponus escribió:
" Pero esto es completamente erróneo, y nuestra visión 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 de los cuales uno es muchas veces más pesado que el otro, verás que la relación de los tiempos requeridos para el movimiento no depende de la relación de los pesos, sino que la diferencia en el tiempo es muy pequeño. Y entonces, si la diferencia en los pesos no es considerable, es decir, de uno es, digamos, el doble del otro, no habrá diferencia, o una diferencia imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso es por no significa insignificante, con un cuerpo que pesa el doble que el otro "
La crítica de John Philoponus a los principios aristotélicos de la física sirvió de inspiración para Galileo Galilei diez siglos después, durante la Revolución científica. Galileo citó a Filoponus sustancialmente en sus obras al argumentar que la física aristotélica era defectuosa. En el año 1300, Jean Buridan, 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 e impulso.
La erudición islámica heredó la física aristotélica de los griegos y durante la Edad de oro islámica la desarrolló aún más, haciendo especial hincapié en la observación y el razonamiento a priori , desarrollando las primeras formas del método científico.
Las innovaciones más notables se encuentran en el campo de la óptica y la visión, que provienen de los trabajos de muchos científicos como Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi y Avicenna. El trabajo más notable fue The Book of Optics (también conocido como Kitāb al-Manāẓir), escrito por Ibn al-Haytham, en el que desmintió definitivamente la antigua idea griega sobre la visión, pero también se le ocurrió una nueva teoría. En el libro, presentó un estudio del fenómeno de la cámara oscura (su versión milenaria de la cámara estenopeica) y profundizó en la forma en que funciona el ojo en sí. Usando disecciones y el conocimiento de eruditos previos, pudo comenzar a explicar cómo la luz entra al ojo. Afirmó que el rayo de luz está enfocado, pero la explicación real de cómo la luz proyectada en la parte posterior del ojo tuvo que esperar hasta 1604. Su Tratado sobre la Luz explicaba la cámara oscura, cientos de años antes del desarrollo moderno de la fotografía.
El Libro de Óptica de siete volúmenes ( Kitab al-Manathir ) influyó enormemente en el pensamiento sobre 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. Muchos eruditos europeos posteriores y colegas polimatosos, desde Robert Grosseteste y Leonardo da Vinci hasta René Descartes, Johannes Kepler e Isaac Newton, estaban en deuda con él. De hecho, la influencia de la Óptica de Ibn al-Haytham se corresponde con la obra de Newton del mismo título, publicada 700 años después.
La traducción de El Libro de la Óptica tuvo un gran impacto en Europa. A partir de ella, los eruditos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que replicaban aquellos que Ibn al-Haytham había construido, y comprender cómo funciona la luz. A partir de esto, se desarrollaron cosas tan importantes como anteojos, lentes de aumento, telescopios y cámaras.
Física clásica
La física se convirtió en una ciencia separada cuando los primeros europeos modernos usaron métodos experimentales y cuantitativos para descubrir lo que ahora se consideran las leyes de la física.
Los principales desarrollos en este período incluyen la sustitución del modelo geocéntrico del sistema solar por el modelo copernicano heliocéntrico, las leyes que rigen el movimiento de cuerpos planetarios determinadas por Johannes Kepler entre 1609 y 1619, el trabajo pionero sobre telescopios y astronomía observacional por Galileo Galilei en el Siglos XVI y XVII, e Isaac Newton descubrió y unificó las leyes del movimiento y la gravitación universal que llegarían a llevar su nombre. Newton también desarrolló cálculo, el estudio matemático del cambio, que proporcionó nuevos métodos matemáticos para resolver problemas físicos.
El descubrimiento de nuevas leyes en termodinámica, química y electromagnética fue el resultado de mayores esfuerzos de investigación durante la Revolución Industrial a medida que las necesidades de energía aumentaron. Las leyes que comprenden la física clásica siguen siendo muy ampliamente utilizadas para objetos en escalas cotidianas que viajan a velocidades no relativistas, ya que proporcionan una aproximación muy cercana en tales situaciones, y teorías como la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad simplifican a sus equivalentes clásicos en tales escamas. Sin embargo, las inexactitudes en la mecánica clásica para objetos muy pequeños y velocidades muy altas llevaron al desarrollo de la física moderna en el siglo XX.
Física moderna
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 inexactitudes en la mecánica clásica en ciertas situaciones. La mecánica clásica predijo una velocidad variable de la luz, 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 de movimiento rápido y permitió una velocidad de luz constante. La radiación del cuerpo negro proporcionó otro problema para la física clásica, que se corrigió cuando Planck propuso que la excitación de osciladores materiales es posible solo en pasos discretos proporcionales a su frecuencia; esta,
La mecánica cuántica sería iniciada por Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y Paul Dirac. A partir de este trabajo inicial, y trabajo en campos relacionados, se derivó el Modelo Estándar de física de partículas. Tras el descubrimiento de una partícula con propiedades consistentes con el bosón de Higgs en el CERN en 2012, 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. Las áreas de las matemáticas en general son importantes para este campo, como el estudio de probabilidades y grupos.
Filosofía
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, la astronomía ptolemaica de un firmamento cristalino y el libro de Aristóteles Física (un libro temprano sobre física que intentó analizar y definir el movimiento desde un punto de vista filosófico), varios filósofos griegos avanzaron sus propias teorías de la naturaleza. La física era conocida como filosofía natural hasta finales del siglo XVIII.
En el siglo XIX, la física se realizó como una disciplina distinta de la filosofía y las otras ciencias. La física, como el resto de la ciencia, confía en la filosofía de la ciencia y su "método científico" para avanzar en nuestro conocimiento del mundo físico. El método científico emplea un razonamiento a priori así como un razonamiento a posteriori y el uso de la inferencia bayesiana para medir la validez de una teoría dada.
El desarrollo de la física ha respondido a muchas preguntas de los primeros filósofos, pero también ha planteado nuevas preguntas. El estudio de los problemas filosóficos que rodean a la física, la filosofía de la física, involucra cuestiones tales como la naturaleza del espacio y el tiempo, el determinismo y las perspectivas metafísicas como el empirismo, el naturalismo y el realismo.
Muchos físicos han escrito sobre las implicaciones filosóficas de su trabajo, por ejemplo, Laplace, que defendió el determinismo causal, y Erwin Schrödinger, que escribió sobre mecánica cuántica. El físico matemático Roger Penrose ha sido llamado platonista por Stephen Hawking, un punto de vista que Penrose discute en su libro, El camino hacia la realidad. Hack se refiere a sí mismo como un "reduccionista desvergonzado" y discrepa con los puntos de vista de Penrose.
Teorías centrales
Aunque la física trata con una amplia variedad de sistemas, ciertas teorías son utilizadas por todos los físicos. Cada una de estas teorías fue probada experimentalmente en numerosas ocasiones y se encontró que era una aproximación adecuada de 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 notable de la mecánica clásica, se descubrió en el siglo XX, tres siglos después de la formulación original de la mecánica clásica de Isaac 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, sepa leer y escribir en ellas. Estos incluyen mecánica clásica, mecánica cuántica, termodinámica y mecánica estadística, electromagnetismo y relatividad especial.
Física clásica
La física clásica incluye las ramas tradicionales y los temas 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 en los que actúan fuerzas y cuerpos en movimiento y puede dividirse en estática (estudio de las fuerzas en un cuerpo o cuerpos no sujetos a 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 mecánicas sólidas y mecánica de fluidos (conocidas juntas como mecánica continua), estas últimas incluyen ramas tales como hidrostática, hidrodinámica, aerodinámica y neumática. La acústica es el estudio de cómo se produce, controla, transmite y recibe el sonido. Las ramas modernas importantes de la acústica incluyen ultrasonidos, el estudio de ondas de sonido de muy alta frecuencia más allá del alcance del oído humano; bioacústica, la física de las llamadas y la audición de los animales, y la electroacústica, la manipulación de ondas de sonido audibles mediante la electrónica.
La óptica, el estudio de la luz, se ocupa no solo de la luz visible sino también de la radiación infrarroja y ultravioleta, que exhibe todos los fenómenos de 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 se compone 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 rama única de la física ya que la conexión íntima entre ellos se descubrió a principios del siglo XIX; una corriente eléctrica da lugar a un campo magnético, y un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. Electrostaticsdeals con cargas eléctricas en reposo, electrodinámica con cargas en movimiento,
Física moderna
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, los estudios de física atómica y nuclear importan en la escala más pequeña a la que se pueden identificar los elementos químicos. La física de las partículas elementales está en una escala aún más pequeña 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 extremadamente altas energías necesarias para producir muchos tipos de partículas en los aceleradores de partículas. En esta escala, las nociones de sentido común ordinarias de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas.
Las dos principales teorías de la física moderna presentan una imagen diferente de los conceptos de espacio, tiempo y materia de los presentados 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 con los aspectos complementarios de partículas y 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 refiere al movimiento relativo uniforme en línea recta y la teoría general de la relatividad con el movimiento acelerado y su conexión con la gravedad.
Diferencia entre física clásica y moderna
Si bien la física 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. Albert Einstein contribuyó con el marco de la relatividad especial, que reemplazó las nociones de tiempo y espacio absolutos con el espacio-tiempo y permitió una descripción precisa de los sistemas cuyos componentes tienen velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Max Planck, Erwin Schrödinger y otros introdujeron la mecánica cuántica, una noción probabilística de partículas e interacciones que permitía una descripción precisa de escalas atómicas y subatómicas. Luego, la teoría cuántica de campos unificó la mecánica cuántica y la relatividad especial. La relatividad general permitió un espacio-tiempo dinámico y curvado, con el cual los sistemas altamente masivos y la estructura a gran escala del universo pueden ser bien descritos. La relatividad general aún no se ha unificado con otras descripciones fundamentales; varias teorías candidatas de la gravedad cuántica se están desarrollando.
Relación con otros campos
Requisitos previos
Las matemáticas proporcionan un lenguaje compacto y exacto utilizado para describir el orden en la naturaleza. Esto fue observado y defendido por Pitágoras, Platón, Galileo y Newton.
La física usa las matemáticas para organizar y formular resultados experimentales. A partir de esos resultados, soluciones precisas o estimadas, resultados cuantitativos a partir de los cuales se pueden hacer nuevas predicciones y confirmar o negar experimentalmente. Los resultados de los experimentos de física son mediciones numéricas. Las tecnologías basadas en las matemáticas, como la computación, han convertido la física computacional en un área activa de investigación.
La ontología es un requisito previo para la física, pero no para las matemáticas. Significa que la física está en última instancia relacionada con las descripciones del mundo real, mientras que las matemáticas se ocupan de los patrones abstractos, incluso más allá del mundo real. Por lo tanto, los enunciados de 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 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 en física. Sus métodos son matemáticos, pero su tema es físico. 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 el solucionador está buscando.
La física es una rama de la ciencia fundamental, no de la ciencia práctica. La física también se llama "la ciencia fundamental" porque el sujeto de estudio de todas las ramas de las ciencias naturales como la química, la astronomía, la geología y la biología están limitadas por leyes de la física, similar a la química a menudo llamada ciencia central por su papel en vincular las ciencias físicas. Por ejemplo, la química estudia las propiedades, las estructuras y las reacciones de la materia (el enfoque de la química en la escala atómica lo distingue de la física). Las estructuras se forman porque las partículas ejercen fuerzas eléctricas entre sí, las propiedades incluyen las características físicas de las sustancias dadas, y las reacciones están ligadas por las leyes de la física, como la conservación de la energía, la masa y la carga.
La física se aplica en industrias como ingeniería y medicina.
Aplicación e influencia
La física aplicada es un término general para la investigación de la física que está destinado 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, difiere de la ingeniería en que un físico aplicado puede no estar diseñando algo en particular, sino más bien utilizar la física o realizar investigaciones físicas con el objetivo de desarrollar nuevas tecnologías o resolver un problema.
El enfoque es similar al de las matemáticas aplicadas. Los físicos aplicados usan la física en la investigación científica. Por ejemplo, las personas que trabajan en la física de aceleradores podrían intentar construir mejores detectores de partículas para la investigación en física teórica.
La física se usa mucho en ingeniería. Por ejemplo, la estática, un subcampo de la mecánica, se usa en la construcción de puentes y otras estructuras estáticas. La comprensión y el uso de la acústica da como resultado un control de 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 se puede utilizar para estudiar cosas que normalmente estarían sumidas en la incertidumbre. Por ejemplo, en el estudio del origen de la Tierra, uno puede modelar razonablemente la masa, la temperatura y la velocidad de rotación de la Tierra, como una función del tiempo que permite extrapolar hacia adelante o hacia atrás en el tiempo y así predecir eventos futuros o anteriores. También permite simulaciones en ingeniería que aceleran drásticamente el desarrollo de una nueva tecnología.
Pero también existe una considerable interdisciplinariedad en los métodos del físico, por lo que muchos otros campos importantes están influenciados por la física (por ejemplo, los campos de la econofísica y la socio-física).
Investigación
Método científico
Los físicos usan el método científico para probar la validez de una teoría física. Mediante el uso de un enfoque metódico para comparar las implicaciones de una teoría con las conclusiones extraídas de sus experimentos y observaciones relacionados, los físicos son más capaces de probar la validez de una teoría de una manera lógica, imparcial y repetible. Para ello, se realizan experimentos y se realizan observaciones para determinar la validez o invalidez de la teoría.
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.
Teoría y experimento
Los teóricos buscan desarrollar modelos matemáticos que concuerden con los experimentos existentes y predecir con éxito los resultados experimentales futuros, mientras que los experimentadores diseñan y realizan experimentos para evaluar predicciones teóricas y explorar nuevos fenómenos. Aunque la teoría y el experimento se desarrollan por separado, dependen fuertemente el uno del otro. El progreso en la física ocurre con frecuencia cuando los experimentadores hacen un descubrimiento que las teorías existentes no pueden explicar, o cuando las nuevas teorías generan predicciones experimentalmente comprobables, que inspiran nuevos experimentos.
Los físicos que trabajan en la interacción de la teoría y la experimentación se llaman fenomenólogos, que estudian fenómenos complejos observados en experimentos y trabajan para relacionarlos con una teoría fundamental.
La física teórica se ha inspirado históricamente en la filosofía; el electromagnetismo se unificó de esta manera. Más allá del universo conocido, el campo de la física teórica también se ocupa de cuestiones hipotéticas, 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 se expande por ingeniería y tecnología. Físicos experimentales involucrados en el diseño de investigación básica y realizan experimentos con equipos tales como aceleradores de partículas y láser, mientras que aquellos involucrados en la investigación aplicada a menudo trabajan en la industria desarrollando tecnologías como la resonancia magnética (MRI) y transistores. Feynman ha observado que los experimentadores pueden buscar áreas que los teóricos no exploran bien.
Alcance y objetivos
La física cubre una amplia gama de fenómenos, desde partículas elementales (como quarks, neutrinos y electrones) hasta los supercúmulos más grandes de galaxias. Incluidos en estos fenómenos están los objetos más básicos que componen todas las otras cosas. Por lo tanto, la física a veces se llama la "ciencia fundamental". 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 a los seres humanos a las causas de raíz, y luego conectar estas causas juntas.
Por ejemplo, los antiguos chinos observaron que ciertas rocas (magnetita y magnetita) se atraían entre sí por una fuerza invisible. Este efecto se llamó más tarde 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 cuando se frotaban con el pelaje causaban una atracción invisible similar entre los dos. Esto también se estudió rigurosamente en el siglo XVII y pasó a llamarse electricidad. Por lo tanto, la física llegó a comprender dos observaciones de la naturaleza en términos de alguna causa raíz (electricidad y magnetismo). Sin embargo, otros trabajos en el siglo XIX revelaron que estas dos fuerzas eran solo dos aspectos diferentes de una fuerza: el electromagnetismo. Este proceso de fuerzas "unificadoras" continúa hoy, y el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil ahora se consideran dos aspectos de la interacción electrodébil. La física espera encontrar una razón fundamental (Teoría de todo) para saber por qué la naturaleza es como es (ver la sección La investigación actual a continuación para obtener más información).
Campos de investigación
La investigación contemporánea en física puede dividirse ampliamente 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 de la educación física y el alcance de la física.
Desde el siglo 20, 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 para sus carreras. Los "universalistas" como Albert Einstein (1879-1955) y Lev Landau (1908-1968), que trabajaron en múltiples campos de la física, son ahora muy raros.
Los principales campos de la física, junto con sus subcampos y las teorías y conceptos que emplean, se muestran en la siguiente tabla.
| Campo | Subcampos | Principales teorías | Conceptos |
|---|---|---|---|
| Física nuclear y de partículas | Física nuclear, Astrofísica nuclear, Física de partículas, Astrofísica de partículas, Fenomenología de la física de partículas | Modelo estándar, Teoría cuántica de campos, Electrodinámica cuántica, Cromodinámica cuántica, Teoría electrodébil, Teoría efectiva del campo, Teoría del campo del enrejado, Teoría del enrejado, Teoría del calibre, Supersimetría, Gran teoría de unificación, Teoría de supercuerdas, Teoría M | Fuerza fundamental (gravitacional, electromagnético, débil, fuerte), Partícula elemental, Giro, Antimateria, Romper la simetría espontánea, Oscilación de neutrinos, Mecanismo de balancín, Brana, Cadena, Gravedad cuántica, Teoría del todo, Energía del vacío |
| Física atómica, molecular y óptica | Física Atómica, Física Molecular, Astrofísica Atómica y Molecular, Física Química, Óptica, Fotónica | Óptica cuántica, Química cuántica, Ciencia de la información cuántica | Fotón, Átomo, Molécula, Difracción, Radiación electromagnética, Láser, Polarización (ondas), Línea espectral, Efecto Casimir |
| Física de la Materia Condensada | Física de estado sólido, Física de alta presión, Física de baja temperatura, Física de superficie, Física a nanoescala y mesoscopia, Física de polímeros | Teoría de BCS, onda de Bloch, teoría de la función de densidad, gas de Fermi, líquido de Fermi, teoría de muchos cuerpos, mecánica estadística | Fases (gas, líquido, sólido), condensado de Bose-Einstein, conducción eléctrica, fonón, magnetismo, autoorganización, semiconductor, superconductor, superfluido, centrifugado, |
| Astrofísica | Astronomía, Astrometría, Cosmología, Gravitación física, Astrofísica de alta energía, Astrofísica planetaria, Física de plasma, Física solar, Física espacial, Astrofísica estelar | Big Bang, Inflación cósmica, Relatividad general, Ley de gravitación universal de Newton, Modelo Lambda-CDM, Magnetohidrodinámica | Agujero negro, Radiación cósmica de fondo, Cadena cósmica, Cosmos, Energía oscura, Materia oscura, Galaxia, Gravedad, Radiación gravitacional, Singularidad gravitacional, Planeta, Sistema solar, Estrella, Supernova, Universo |
| Física Aplicada | Física Acelerador, Acústica, Agrofísica, Biofísica, Física Química, Física de la Comunicación, Econofísica, Física de la Ingeniería, Dinámica de Fluidos, Geofísica, Física Láser, Física de los Materiales, Física Médica, Nanotecnología, Óptica, Optoelectrónica, Fotónica, Fotovoltaica, Física, Física de la computación , Física de plasma, dispositivos de estado sólido, química cuántica, electrónica cuántica, ciencia de la información cuántica, dinámica de vehículos | ||
Física nuclear y de partículas
La física de partículas es el estudio de los constituyentes elementales de la materia y la energía y las interacciones entre ellos. Además, los físicos de partículas diseñan y desarrollan aceleradores de alta energía, detectores y programas informáticos 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 solo durante las colisiones de alta energía de otras partículas.
Actualmente, las interacciones de las partículas elementales y los campos están descritas por el Modelo Estándar. El modelo representa las 12 partículas de materia conocidas (quarks y leptones) que interactúan a través de las fuerzas fundamentales fuertes, débiles y electromagnéticas. La dinámica se describe en términos de partículas de materia que intercambian bosones gauge (gluones, bosones W y Z, y fotones, respectivamente). El Modelo Estándar también predice una partícula conocida como el bosón de Higgs. 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, una parte integral de un mecanismo de Higgs.
La física nuclear es el campo de la física que estudia los constituyentes e 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 medicina nuclear y resonancia magnética, implantación de iones en ingeniería de materiales y datación por radiocarbono en geología y arqueología. .
Física atómica, molecular y óptica
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 coincidencia de sus escalas de energía relevantes. Las tres áreas incluyen tratamientos clásicos, semiclásicos y cuánticos; pueden tratar su tema desde una perspectiva microscópica (en contraste con una vista macroscópica).
La física atómica estudia las capas electrónicas de los átomos. La investigación actual se centra en las actividades de control cuántico, enfriamiento y captura de átomos e iones, dinámica de colisión 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 (véase, por ejemplo, la división hiperfina), pero los fenómenos intranucleares como la fisión y la fusión se consideran parte de la física nuclear.
La física molecular se enfoca en estructuras multi-atómicas y sus interacciones internas y externas con la materia y la luz. La física óptica se distingue de la óptica en que tiende a centrarse no en el control de campos de luz clásicos mediante objetos macroscópicos, sino en las propiedades fundamentales de los campos ópticos y sus interacciones con la materia en el ámbito microscópico.
Física de la Materia Condensada
La física de la materia condensada es el campo de la física que se ocupa de las propiedades físicas macroscópicas de la materia. En particular, se refiere a las fases "condensadas" que aparecen cada vez que el número de partículas en un sistema es extremadamente grande y las interacciones entre ellas son fuertes.
Los ejemplos más familiares de fases condensadas son sólidos y líquidos, que surgen del enlace por medio de la fuerza electromagnética entre átomos. Las fases condensadas más exóticas incluyen el superfluido y el condensado de Bose-Einstein que se encuentran en ciertos sistemas atómicos a muy baja temperatura, la fase superconductora exhibida por electrones de conducción en ciertos materiales y las fases ferromagnéticas y antiferromagnéticas de los giros en las redes atómicas.
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. El término físico de la materia condensada fue aparentemente acuñado por Philip Anderson cuando renombró su grupo de investigación-previamente teoría de estado sólido- en 1967. En 1978, la División de Física del Estado Sólido de la Sociedad Física Estadounidense fue renombrada como la División de Física de la Materia Condensada . La física de la materia condensada tiene una gran superposición con la química, la ciencia de los materiales, la nanotecnología y la ingeniería.
Astrofísica
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 los problemas relacionados de la cosmología. 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.
El descubrimiento por Karl Jansky en 1931 de que las señales de radio eran emitidas por cuerpos celestes inició la ciencia de la radioastronomía. Más recientemente, las fronteras de la astronomía se han expandido mediante la exploración espacial. Las perturbaciones e interferencias de la atmósfera terrestre hacen que las observaciones basadas en el espacio sean necesarias 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 del 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 de microondas cósmico 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 surgirán numerosas posibilidades y descubrimientos a partir de los nuevos datos del Telescopio Espacial de rayos gamma de Fermi durante la próxima década y revisará o clarificará en gran medida los modelos existentes del universo. En particular, el potencial de un gran descubrimiento en torno a la materia oscura es posible en los próximos años. 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 generando 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 la imagen de libro de texto de la heliosfera, en la que El bolsillo envolvente del Sistema Solar lleno de partículas cargadas del viento solar está atravesando el "viento galáctico" del medio interestelar en forma de cometa, es incorrecto ".
La investigación actual
La investigación en física progresa continuamente en una gran cantidad de frentes.
En la física de la materia condensada, un importante problema teórico no resuelto es el de la superconductividad a alta temperatura. Muchos experimentos de materia condensada pretenden fabricar espintrónica y computadoras cuánticas viables.
En la física de partículas, las primeras piezas de evidencia experimental para la física más allá del Modelo Estándar han comenzado a aparecer. Los principales entre estos son indicios de que los neutrinos tienen masa distinta de cero. Estos resultados experimentales parecen haber resuelto el problema de los neutrinos solares de larga data, 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 las investigaciones futuras apuntan a probar o refutar la supersimetría, que amplía el Modelo Estándar de física de partículas. La investigación sobre la naturaleza de los principales misterios de la materia oscura y la energía oscura también está actualmente en curso.
Los intentos teóricos de unificar la mecánica cuántica y la relatividad general en una sola teoría de la gravedad cuántica, un programa en marcha durante más de medio siglo, aún no se han resuelto de manera decisiva. Los principales candidatos actuales son la teoría M, la teoría de supercuerdas y la gravedad cuántica de bucles.
Muchos fenómenos astronómicos y cosmológicos aún no se han explicado satisfactoriamente, incluido el origen de los rayos cósmicos de energía ultra alta, la asimetría del barión, la aceleración del universo y las tasas de rotación anómala de las galaxias.
Aunque se ha avanzado mucho en la física de alta energía, cuántica y astronómica, muchos fenómenos cotidianos que involucran complejidad, caos o turbulencia aún son poco conocidos. Los problemas complejos que parecen que podrían resolverse mediante una aplicación inteligente de dinámica y mecánica siguen sin resolverse; los ejemplos incluyen la formación de pilas de arena, nodos en el agua que gotea, la forma de las gotas de agua, los mecanismos de catástrofes de tensión superficial y la auto clasificación en colecciones heterogéneas sacudidas.
Estos fenómenos complejos han recibido una atención creciente desde la década de 1970 por varias razones, incluida la disponibilidad de modernos métodos matemáticos 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 sistemas biológicos. En la Revisión Anual de 1932 de Mecánica de Fluidos , Horace Lamb dijo: