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Física

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Varios ejemplos de fenómenos físicos.

Física (del griego antiguo : φυσική (ἐπιστήμη) , romanizadophysikḗ (epistḗmē) , literalmente  'conocimiento de la naturaleza', de φύσις phýsis 'naturaleza') [1] [2] [3] es la ciencia natural que estudia la materia , [a] su movimiento y comportamiento a través del espacio y el tiempo , y las entidades relacionadas de energía y fuerza . [5] La física es una de las disciplinas científicas más fundamentales, y su objetivo principal es comprender cómoel universo se comporta. [b] [6] [7] [8]

La física es una de las disciplinas académicas más antiguas y, a través de su inclusión de la astronomía , quizás la más antigua. [9] 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 de manera rígida . Las nuevas ideas en física a menudo explican los mecanismos fundamentales estudiados por otras ciencias [6] y sugieren nuevas vías 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 , la física del estado sólido y la física nuclear llevaron directamente al desarrollo de nuevos productos que han transformado drásticamente la sociedad actual, como la televisión , las computadoras , los electrodomésticos y las armas nucleares ; [6] 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 del antiguo Egipto es evidente en monumentos como el techo de la tumba de Senemut de la XVIII Dinastía de Egipto .

La astronomía es una de las ciencias naturales más antiguas . Las primeras civilizaciones que datan de antes del 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, que se cree que representan a los dioses, a menudo eran adorados. Si bien las explicaciones de 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 se descubrió que las estrellas atravesaban grandes círculos a través del cielo, [9] que, sin embargo, no explicaban el 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 ; Los astrónomos griegos posteriores proporcionaron nombres, que todavía se usan hoy, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte .[13]

Filosofía natural

La filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante el período Arcaico (650 a. C. - 480 a. C.), cuando 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 tuvieron éxito en el experimento; [15] por ejemplo, se encontró que el atomismo era correcto aproximadamente 2000 años después de que fuera propuesto por Leucipo y su alumno Demócrito . [dieciséis]

La física en el mundo medieval europeo e islámico

La forma básica en que funciona una cámara estenopeica

El Imperio Romano Occidental cayó en el siglo V, y esto provocó un declive de las actividades intelectuales en la parte occidental de Europa. Por el contrario, el Imperio Romano de Oriente (también conocido como Imperio Bizantino ) resistió los ataques de los bárbaros y continuó avanzando en varios campos de 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, John Philoponus , un erudito bizantino, cuestionó la enseñanza de la física de Aristóteles y señaló sus defectos. Introdujo la teoría del ímpetu . La física de Aristóteles no fue examinada hasta que apareció Filópono; a diferencia de Aristóteles, que basó su física en argumentos verbales, Filópono se basó en la observación. Sobre la física de Aristóteles, Philoponus 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. Pues si dejas caer desde la misma altura dos pesos de los cuales uno es muchas veces más pesado que el otro, verás que la razón de los tiempos requeridos para el movimiento no depende de la razón 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 una diferencia imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso sea por no significa insignificante, con un cuerpo que pesa el doble que el otro [18]

La crítica de Philoponus a los principios aristotélicos de la física sirvió de inspiración para Galileo Galilei diez siglos después, [19] durante la Revolución Científica . Galileo citó sustancialmente a Philoponus en sus obras cuando argumentó que la física aristotélica era defectuosa. [20] [21] En la década de 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. [22]

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 .

Las innovaciones más notables se dieron 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 El libro de la óptica (también conocido como Kitāb al-Manāẓir), escrito por Ibn al-Haytham, en el que refutó de manera concluyente la idea griega antigua sobre la visión, pero también propuso 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. Utilizando disecciones y el conocimiento de estudiosos anteriores, pudo comenzar a explicar cómo la luz entra en el 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 explicaba la cámara oscura, cientos de años antes del desarrollo moderno de la fotografía. [23]

Ibn al-Haytham (c. 965-c. 1040), Libro de Óptica Libro I, [6.85], [6.86]. El libro II, [3.80] describe sus experimentos con la cámara oscura . [24]

El Libro de Óptica de siete volúmenes ( Kitab al-Manathir ) influyó enormemente en el pensamiento 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. Muchos académicos europeos posteriores y colegas eruditos, 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 ubica junto a la del trabajo de Newton del mismo título, publicado 700 años después.

La traducción de The Book of Optics tuvo un gran impacto en Europa. A partir de él, los estudiosos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que reproducían los que había construido Ibn al-Haytham y comprender la forma en que funciona la luz. A partir de esto, se desarrollaron cosas tan importantes como anteojos, lupas, telescopios y cámaras.

Física clásica

Sir Isaac Newton (1643-1727), cuyas leyes del movimiento y la gravitación universal fueron hitos importantes en la física clásica

La física se convirtió en una ciencia separada cuando los primeros europeos modernos utilizaron métodos experimentales y cuantitativos para descubrir lo que ahora se considera las leyes de la física . [25] [ página necesaria ]

Los principales desarrollos en 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, el trabajo pionero en telescopios y la astronomía observacional de Galileo en el siglo XVI. y Siglos XVII, y el descubrimiento y unificación de Newton de las leyes del movimiento y la gravitación universal que llegarían a llevar su nombre. [26] Newton también desarrolló cálculo , [d]el estudio matemático del cambio, que proporcionó nuevos métodos matemáticos para resolver problemas físicos. [27]

El descubrimiento de nuevas leyes en termodinámica , química y electromagnetismo fue el resultado de mayores esfuerzos de investigación durante la Revolución Industrial a medida que aumentaron las necesidades de energía. [28] Las leyes que comprenden la física clásica siguen siendo muy 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 se simplifican a su estilo clásico. equivalentes a tales escalas. 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

Max Planck (1858-1947), el creador de la teoría de la mecánica cuántica
Albert Einstein (1879-1955), cuyo trabajo sobre el efecto fotoeléctrico y la teoría de la relatividad llevó a una revolución en la física del 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 inexactitudes en la mecánica clásica en ciertas situaciones. La mecánica clásica predijo una velocidad variable de la luz , que no podría 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 por cuerpos en movimiento rápido y permitió una velocidad constante de la luz. [29] Radiación de cuerpo negroproporcionó 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 los niveles discretos de energía de los orbitales de los electrones , llevó a que la teoría de la mecánica cuántica tomara el relevo de la física clásica a escalas muy pequeñas. [30]

La mecánica cuántica sería pionera en Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger y Paul Dirac . [30] De este trabajo inicial y el trabajo en campos relacionados, se derivó el Modelo Estándar de física de partículas . [31] Tras el descubrimiento de una partícula con propiedades consistentes con el bosón de Higgs en el CERN en 2012, [32] 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.[33] 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 se deriva 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 Physics (un libro temprano de física, que intentó analizar y definir el movimiento a partir de 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 realizó como 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 nuestro conocimiento del mundo físico. [35] 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. [36]

El desarrollo de la física ha respondido a muchas preguntas de los primeros filósofos, pero también ha planteado nuevas preguntas. El estudio de las cuestiones filosóficas que rodean a 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 . [37]

Muchos físicos han escrito sobre las implicaciones filosóficas de su trabajo, por ejemplo Laplace , que defendió el determinismo causal , [38] y Schrödinger, que escribió sobre mecánica cuántica. [39] [40] El físico matemático Roger Penrose había sido llamado platónico por Stephen Hawking , [41] una opinión que Penrose analiza en su libro, The Road to Reality . [42] Hawking se refirió a sí mismo como un "reduccionista desvergonzado" y discrepó con las opiniones de Penrose. [43]

Teorías fundamentales

Aunque la física se ocupa de una amplia variedad de sistemas, todos los físicos utilizan ciertas teorías. Cada una de estas teorías fue probada experimentalmente en numerosas ocasiones y se encontró 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 notable 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 mecánica clásica, mecánica cuántica, termodinámica y mecánica estadística , electromagnetismo y relatividad especial.

Física clásica

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 los cuerpos en movimiento y se puede dividir 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.(conocida en conjunto 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. [44] Las ramas modernas importantes de la acústica incluyen los ultrasonidos , el estudio de ondas sonoras de muy alta frecuencia más allá del rango de audición humana; la bioacústica , la física de las llamadas y el oído de los animales, [45] y la electroacústica , la manipulación de ondas sonoras audibles mediante la electrónica. [46]

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 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 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 sola rama de la física desde que se descubrió la conexión íntima entre ellos a principios del siglo XIX; unla corriente eléctrica da lugar a un campo magnético y un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. La electrostática se ocupa de las cargas eléctricas en reposo, la electrodinámica con cargas en movimiento y la magnetostática con polos magnéticos en reposo.

Física moderna

La física clásica se ocupa generalmente 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 nuclear y atómica son importantes 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 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 aceleradores de partículas.. En esta escala, las nociones ordinarias y de sentido común de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas. [47]

Las dos teorías principales 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 se aproxima a 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 partículas y 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 con el movimiento y su conexión con la gravitación. Tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad encuentran aplicaciones en todas las áreas de la física moderna. [48]

Diferencia entre física clásica y moderna

Los dominios básicos de la física

Si bien la física apunta a descubrir leyes universales, sus teorías se encuentran en dominios explícitos de aplicabilidad.

Conferencia Solvay de 1927, con destacados físicos como Albert Einstein , Werner Heisenberg , Max Planck , Hendrik Lorentz , Niels Bohr , Marie Curie , Erwin Schrödinger y Paul Dirac

Hablando libremente, las leyes de la física clásica describen con precisión sistemas cuyas importantes escalas de longitud 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 con el espacio -tiempo y permitió una descripción precisa de los 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 permitió una descripción precisa de las escalas atómicas y subatómicas. Más tarde, la teoría cuántica de camposmecánica cuántica unificada y relatividad especial. La relatividad general permitió un espacio-tiempo dinámico y curvo, con el que se pueden describir bien los sistemas altamente 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 a la gravedad cuántica .

Relación con otros campos

Este flujo de lava en forma de parábola ilustra la aplicación de las matemáticas a la física, en este caso, la ley de Galileo de la caída de cuerpos .
Las matemáticas y la ontología se utilizan en física. La física se utiliza en química y cosmología.

Prerrequisitos

Las matemáticas proporcionan un lenguaje compacto y exacto que se utiliza para describir el orden en la naturaleza. Esto fue señalado y defendido por Pitágoras , [49] Platón , [50] Galileo, [51] y Newton.

La física utiliza las matemáticas [52] para organizar y formular resultados experimentales. A partir de esos resultados, se obtienen soluciones precisas o estimadas , 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 medidas. Las tecnologías basadas en las matemáticas, como la computación, han hecho de la física computacional un área activa de investigación.

La distinción entre matemáticas y física es clara, pero no siempre obvia, especialmente en física matemática.

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 preocupan por los patrones abstractos, incluso más allá del mundo real. Por tanto, los enunciados de la 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 sólo lógicamente verdaderos, mientras que las predicciones de 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. [53] 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. [ aclaración necesaria ]

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). [54] De manera similar, La química a menudo se denomina 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 las características físicas de determinadas sustancias 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.

Aplicación e influencia

Física clásica implementada en un modelo de ingeniería acústica del sonido que se refleja en un difusor acústico
El tornillo de Arquímedes , una máquina sencilla para levantar
La aplicación de las leyes físicas en el levantamiento de líquidos.

La 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 una investigación 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 buscar construir mejores detectores de partículas para la investigación en física teórica.

La física se utiliza mucho en 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 empantanadas 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, en función del tiempo, lo 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 interdisciplinariedad considerable , por lo que muchos otros campos importantes están influenciados por la física (por ejemplo, los campos de la econofísica y la sociofísica ).

Investigación

Método científico

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 relacionados , los físicos pueden probar mejor la validez de una teoría de una manera lógica, imparcial y repetible. Para ello, se realizan experimentos y observaciones para determinar la validez o invalidez de la teoría. [55]

Una ley científica es un enunciado conciso verbal o matemático de una relación que expresa un principio fundamental de alguna teoría, como la ley de gravitación universal de Newton. [56]

Teoría y experimento

El astronauta y la Tierra están ambos en caída libre .
El rayo es una corriente eléctrica .

Los teóricos buscan desarrollar modelos matemáticos que estén de acuerdo con los experimentos existentes y predicen con éxito resultados experimentales futuros, mientras que los experimentalistas diseñan 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 el uno del otro. El progreso en la física se produce con frecuencia cuando los resultados experimentales desafían la explicación de las teorías existentes, lo que genera un enfoque intenso en el modelado aplicable, y cuando las nuevas teorías generan predicciones comprobables experimentalmente , que inspiran el desarrollo de nuevos experimentos (y a menudo equipos relacionados). [57]

Los físicos que trabajan en la interacción de la teoría y el experimento se denominan fenomenólogos , que estudian los fenómenos complejos observados en el experimento y trabajan para relacionarlos con una teoría fundamental . [58]

La física teórica se ha inspirado históricamente en la filosofía; el electromagnetismo se unificó de esta manera. [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 se expande mediante 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 suelen trabajar en la industria, desarrollando tecnologías como la resonancia magnética (MRI) y los transistores . Feynman ha señalado que los experimentalistas pueden buscar áreas que los teóricos no hayan explorado bien. [59]

Alcance y objetivos

La física implica modelar el mundo natural con teoría, generalmente cuantitativa. Aquí, el camino de una partícula se modela con las matemáticas del cálculo para explicar su comportamiento: el ámbito de la rama de la física conocida como mecánica .

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 demás cosas. Por lo tanto, la física a veces se denomina "ciencia fundamental". [54] 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 ( imán y magnetita ) eran atraídas 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 frotaba con la piel provocaba una atracción invisible similar entre los dos. [60]Esto también se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII y pasó a llamarse electricidad. Por lo tanto, la física había llegado a comprender dos observaciones de la naturaleza en términos de alguna causa raíz (electricidad y magnetismo). Sin embargo, trabajos posteriores en el siglo XIX revelaron que estas dos fuerzas eran solo dos aspectos diferentes de una fuerza: el electromagnetismo. Este proceso de "unificación" de fuerzas continúa en la actualidad, y el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil se consideran ahora 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). [61]

Campos de investigacion

La investigación contemporánea en física se puede dividir 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 en educación física y el alcance de la física . [62]

Desde el siglo XX, los campos individuales de la física se han vuelto cada vez más especializados y, en la actualidad, 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]

Los principales campos de la física, junto con sus subcampos y las teorías y conceptos que emplean, se muestran en la siguiente tabla.

CampoSubcamposTeorías principalesConceptos
Física nuclear y de partículasFísica nuclear , Astrofísica nuclear , Física de partículas , Física de astropartículas , Fenomenología de la física de partículasModelo Estándar , Teoría Cuántica de Campos , la electrodinámica cuántica , la cromodinámica cuántica , la teoría electrodébil , la teoría de campo eficaz , la teoría de campo de celosía , teoría del calibrador del enrejado , teoría de gauge , supersimetría , Gran Unified Theory , la teoría de supercuerdas , teoría MFuerza fundamental ( gravitacional , electromagnética , débil , fuerte ), partícula primaria , centrifugado , Antimatter , ruptura espontánea de simetría , Neutrino oscilación , mecanismo de balancín , Brane , de cuerdas , la gravedad Quantum , teoría de todo , la energía de vacío
Física atómica, molecular y ópticaFísica atómica , física molecular , atómica y molecular Astrofísica , Química Física , Óptica , FotónicaLa óptica cuántica , la química cuántica , ciencia de la información cuánticaFotón , Átomo , Molécula , Difracción , Radiación electromagnética , Láser , Polarización (ondas) , Línea espectral , Efecto Casimir
Física de la Materia CondensadaFísica del estado sólido , Física de alta presión , Física de baja temperatura , Física de superficies , Física a nanoescala y mesoscópica , Física de polímerosBCS teoría , el teorema de Bloch , la teoría funcional de la densidad , de gases de Fermi , Líquido de Fermi , teoría de los muchos cuerpo , la mecánica estadísticaFases ( gas , líquido , sólido ), condensado de Bose-Einstein , conducción eléctrica , fonón , magnetismo , autoorganización , semiconductor , superconductor , superfluidez , giro ,
AstrofísicaAstronomía , Astrometría , Cosmología , Física de la gravitación , Astrofísica de altas energías , Astrofísica planetaria , Física del plasma , Física solar , Física espacial , Astrofísica estelarBig Bang , Inflación cósmica , Relatividad general , Ley de gravitación universal de Newton , Modelo Lambda-CDM , MagnetohidrodinámicaAgujero negro , radiación cósmica de fondo , cadena cósmico , cosmos , energía oscura , materia oscura , galaxia , la gravedad , la radiación gravitacional , la singularidad gravitacional , planeta , sistema solar , estrella , Supernova , Universo
Física AplicadaAcelerador de la física , acústica , agrofísica , la física atmosférica , Biofísica , Química Física , Física Comunicación , Econofísica , ingeniería física , la dinámica de fluidos , la geofísica , la física láser , la física de materiales , la física médica , nanotecnología , óptica , optoelectrónica , fotónica , la energía fotovoltaica , la química física ,Oceanografía física , la física de la computación , la física del plasma , dispositivos de estado sólido , la química cuántica , la electrónica cuántica , Quantum ciencia de la información , la dinámica de vehículos

Física nuclear y de partículas

Un evento simulado en el detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones , que presenta una posible aparición del bosón de Higgs .

La física de partículas es el estudio de los componentes elementales de la materia y la energía y las interacciones entre ellos. [63] Además, los físicos de partículas diseñan y desarrollan los aceleradores, [64] detectores, [65] y programas de computadora [66] de alta energía 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 únicamente durante las colisiones de alta energía de otras partículas. [67]

Actualmente, las interacciones de partículas y campos elementales se describen en el Modelo Estándar . [68] El modelo da cuenta de las 12 partículas conocidas de materia ( quarks y leptones ) que interactúan a través de las fuerzas fundamentales fuertes , débiles y electromagnéticas . [68] La dinámica se describe en términos de partículas de materia que intercambian bosones gauge ( gluones , bosones W y Z y fotones , respectivamente). [69] El Modelo Estándar también predice una partícula conocida como bosón de Higgs. [68]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, [70] una parte integral de un mecanismo de Higgs .

La física nuclear es el campo de la física que estudia los componentes 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 aplicación 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. .

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 similitud de sus escalas de energía relevantes. Las tres áreas incluyen tratamientos clásicos, semiclásicos y cuánticos ; pueden tratar a su sujeto desde una vista microscópica (en contraste con una vista macroscópica).

La física atómica estudia las capas de electrones de los átomos. La investigación actual se centra en las actividades de control cuántico, enfriamiento y captura de átomos e iones, [71] [72] [73] dinámica de colisión a baja temperatura y los efectos de la correlación de electrones sobre 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 las estructuras multiatómicas 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 los campos de luz clásicos por los 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

Datos de distribución de velocidad de un gas de átomos de rubidio , que confirman el descubrimiento de una nueva fase de la materia, el condensado de Bose-Einstein

La física de la materia condensada es el campo de la física que se ocupa de las propiedades físicas macroscópicas de la materia. [74] [75] En particular, se ocupa de las fases "condensadas" que aparecen siempre que el número de partículas en un sistema es extremadamente grande y las interacciones entre ellas son fuertes. [76]

Los ejemplos más familiares de fases condensadas son sólidos y líquidos , que surgen del enlace por medio de la fuerza electromagnética entre átomos. [77] Las fases condensadas más exóticas incluyen el superfluido [78] y el condensado de Bose-Einstein [79] que se encuentran en ciertos sistemas atómicos a muy baja temperatura, la fase superconductora exhibida por electrones de conducción en ciertos materiales, [80] y la ferromagnética y Fases antiferromagnéticas de espines en redes atómicas .[81]

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. [82] 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. [83] 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. [82] La física de la materia condensada tiene una gran superposición con la química, la ciencia de los materiales , la nanotecnología y la ingeniería.[76]

Astrofísica

La imagen de luz visible más profunda del universo , el campo ultraprofundo del Hubble

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 relacionados con 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. [84]

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 expandido gracias a la exploración espacial. Las perturbaciones e interferencias a partir de observaciones basadas en el espacio ambiente hacen de la tierra necesarios para infrarroja , ultravioleta , gamma-ray , y la astronomía 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 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 estable 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 inflación cósmica , energía oscura y materia oscura .

Se prevé que surgirán numerosas posibilidades y descubrimientos a partir de los nuevos datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi durante la próxima década y que revisarán o aclararán ampliamente los modelos existentes del universo. [85] [86] En particular, el potencial para un tremendo descubrimiento alrededor de la materia oscura es posible durante los próximos años. [87] 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 produciendo nuevos descubrimientos astrofísicos : "Nadie sabe qué está creando la cinta ENA (átomos neutrales energéticos) " a lo largo del choque de terminación del viento solar ", pero todos están de acuerdo en que se refiere a la imagen de libro de texto de la heliosfera, en la que el El bolsillo envolvente del Sistema Solar, lleno de partículas cargadas del viento solar, se abre paso a través del 'viento galáctico' del medio interestelar en forma de cometa; está mal ". [88]

La investigación actual

Diagrama de Feynman firmado por RP Feynman .
Un fenómeno típico descrito por la física: un imán que levita sobre un superconductor demuestra el efecto Meissner .

La investigación en física progresa continuamente en un gran número de frentes.

En la física de la materia condensada, un importante problema teórico sin resolver es el de la superconductividad a alta temperatura . [89] Muchos experimentos de materia condensada tienen como objetivo fabricar ordenadores cuánticos y espintrónicos viables . [76] [90]

En física de partículas, han comenzado a aparecer las primeras pruebas experimentales de la física más allá del Modelo Estándar. Entre ellos, los más importantes son los indicios de que los neutrinos tienen una 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 la investigación futura tiene como objetivo probar o refutar la supersimetría, que amplía el Modelo Estándar de la física de partículas. También se están realizando actualmente investigaciones sobre la naturaleza de los principales misterios de la materia oscura y la energía oscura. [91]

Los intentos teóricos de unificar la mecánica cuántica y la relatividad general en una sola teoría de la gravedad cuántica, un programa en curso 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 bariónica , la expansión acelerada del universo y las velocidades de rotación anómalas de las galaxias .

Aunque se ha avanzado mucho en la física de altas energías, cuántica y astronómica, muchos de los fenómenos cotidianos que implican complejidad , [92] caos, [93] o turbulencia [94] aún no se conocen bien. Los problemas complejos que parecen que podrían resolverse mediante una aplicación inteligente de la dinámica y la 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 las catástrofes de tensión superficial y la autoclasificación en colecciones heterogéneas sacudidas. [i] [95]

Estos complejos fenómenos han recibido una atención creciente desde la década de 1970 por varias razones, incluida la disponibilidad de métodos matemáticos modernos y computadoras, que permitieron modelar sistemas complejos de nuevas formas. La física compleja se ha convertido en parte de una investigación cada vez más interdisciplinaria , como lo demuestra el estudio de la turbulencia en la aerodinámica y la observación de la formación de patrones en sistemas biológicos. En la Revisión anual de mecánica de fluidos de 1932 , Horace Lamb dijo: [96]

Ahora soy un anciano, y cuando muera y vaya al cielo, hay dos asuntos sobre los que espero ser esclarecido. Uno es la electrodinámica cuántica y el otro es el movimiento turbulento de los fluidos. Y sobre el primero soy bastante optimista.

Ver también

  • Lista de publicaciones importantes en física
  • Lista de físicos
  • Listas de ecuaciones físicas
  • Relación entre matemáticas y física
  • Ciencia de la Tierra
  • Neurofísica
  • Psicofísica
  • Turismo científico

Notas

  1. Al comienzo de The Feynman Lectures on Physics , Richard Feynman ofrece la hipótesis atómica como el concepto científico más prolífico. [4]
  2. ^ El término "universo" se define como todo lo que existe físicamente: la totalidad del espacio y el tiempo, todas las formas de materia, energía y momento, y las leyes físicas y las constantes que las gobiernan. Sin embargo, el término "universo" también puede usarse en sentidos contextuales ligeramente diferentes, denotando conceptos como el cosmos o el mundo filosófico .
  3. ^ El Novum Organum de 1620 de Francis Bacon fue fundamental en el desarrollo del método científico . [10]
  4. ↑ El cálculo fue desarrollado de forma independiente aproximadamente al mismo tiempo por Gottfried Wilhelm Leibniz ; mientras que Leibniz fue el primero en publicar su trabajo y desarrollar gran parte de la notación utilizada para el cálculo en la actualidad, Newton fue el primero en desarrollar el cálculo y aplicarlo a problemas físicos. Véase también la controversia del cálculo de Leibniz-Newton.
  5. ^ Noll señala que algunas universidades todavía usan este título. [34]
  6. ^ Véase, por ejemplo, la influencia de Kant y Ritter en Ørsted .
  7. ^ Los conceptos que se denotan como hipotéticos pueden cambiar con el tiempo. Por ejemplo, el átomo de la física del siglo XIX fue denigrado por algunos, incluidala crítica de Ernst Mach a la formulación de la mecánica estadística de Ludwig Boltzmann . Al final de la Segunda Guerra Mundial, el átomo ya no se consideraba hipotético.
  8. Sin embargo, el universalismo se fomenta en la cultura de la física. Por ejemplo, la World Wide Web , que fue innovada en el CERN por Tim Berners-Lee , se creó al servicio de la infraestructura informática del CERN y estaba / está destinada a ser utilizada por físicos de todo el mundo. Lo mismo podría decirse de arXiv.org
  9. ^ Véase el trabajo de Ilya Prigogine , sobre "sistemas lejos del equilibrio", y otros.

Referencias

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    Sagr. - Pero yo, Simplicio, que he hecho la prueba, puedo asegurarles [107] que una bala de cañón de cien o doscientas libras, o incluso más, no llegará al suelo ni un palmo por delante de una bala de mosquete que pesa sólo media libra, siempre que ambos se caigan desde una altura de 200 codos.
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enlaces externos

  • PhysicsCentral : portal web gestionado por la Sociedad Estadounidense de Física
  • Physics.org : portal web gestionado por el Instituto de Física
  • Preguntas frecuentes sobre física de Usenet: preguntas frecuentes compiladas por sci.physics y otros grupos de noticias sobre física
  • Sitio web del Premio Nobel de Física - Premio a contribuciones destacadas al tema
  • World of Physics - Diccionario enciclopédico en línea de física
  • Nature Physics - Revista académica
  • Physics - Revista en línea de la American Physical Society
  • Física / Publicaciones en Curlie - Directorio de medios relacionados con la física
  • The Vega Science Trust : videos de ciencia, incluida la física
  • Sitio web de HyperPhysics : mapa mental de física y astronomía de la Universidad Estatal de Georgia
  • FÍSICA en MIT OCW - Material de curso en línea del Instituto de Tecnología de Massachusetts