Física

La física explica con un número limitado de leyes las relaciones entre materia y energía del universo, abarcando desde fenómenos que incluyen partículas subatómicas hasta fenómenos como el nacimiento de una estrella.

«El objetivo de la ciencia es, por una parte, una comprensión, lo más completa posible, de la conexión entre las experiencias de los sentidos en su totalidad y, por otra, la obtención de dicho objetivo usando un número mínimo de conceptos y relaciones primarios». Albert Einstein

La física (del griego φυσικός, «natural, relativo a la naturaleza») es la ciencia natural que estudia la naturaleza de los componentes y fenómenos más fundamentales del universo como lo son la energía, la materia, la fuerza, el movimiento, el espacio-tiempo, las magnitudes y propiedades naturales fundamentales y las interacciones fundamentales.

El alcance de la física es muy amplio y puede incluir estudios tan diversos como la mecánica cuántica, la física teórica o la óptica.

La física es tal vez la más antigua de todas las disciplinas académicas, ya que la astronomía es una de sus subdisciplinas, y tanto esta como la aplicación de las matemáticas al estudio de la naturaleza, también comenzó hace más de dos mil años con los primeros trabajos de filósofos griegos. En los últimos dos milenios, la física fue considerada parte de lo que ahora llamamos filosofía, química y ciertas ramas de las matemáticas y la biología, pero durante la revolución científica en el siglo XVII se convirtió en una ciencia moderna, única por derecho propio. Sin embargo, en la actualidad la interdisciplinariedad, especialmente en algunas esferas de la física, química y matemática, han dado lugar tanto a avances, como a ramas difusas, como la química cuántica, por lo que los límites de la física con otras ramas de la ciencia tienden a ser cada vez más difíciles de distinguir, y hacia la unidad de la ciencia.

La clave del desarrollo histórico de la física incluye hitos como la ley de la gravitación universal y la mecánica clásica de Isaac Newton, la comprensión de la naturaleza de la electricidad y su relación con el magnetismo de Michael Faraday, la teoría de la relatividad especial y teoría de la relatividad general de Albert Einstein, el desarrollo de la termodinámica con James Prescott Joule y Sadi Carnot y el modelo de la mecánica cuántica a los niveles de la física atómica y subatómica con Louis-Victor de Broglie, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger.

«Si he logrado ver más lejos, ha sido porque he subido a hombros de gigantes». Isaac Newton. (Cita original de Bernardo de Chartres).

Esta disciplina incentiva competencias, métodos y una cultura científica que permitan comprender nuestro mundo físico, para luego actuar sobre él, incluso hubo intentos para aplicar conceptos de las nuevas teorías emergentes de principios del siglo XX a la observación e investigación de la realidad. Sus procesos cognitivos se han convertido en protagonistas del saber y hacer científico y tecnológico general, ayudando a conocer, teorizar, experimentar y evaluar actos dentro de diversos sistemas, clarificando causa y efecto en numerosos fenómenos, mediante el empleo del método científico y principalmente de la metodología experimental y positivista, con un amplio auge a partir del trabajo conjunto entre diversas ramas, y, especialmente, entre la física y la tecnología (cuando se ha logrado).

Como toda ciencia, la física busca que sus conclusiones puedan ser verificables y replicables mediante experimentos, es decir, se vale del método científico para poder establecer relaciones de causalidad y también correlaciones, permitiendo demostrar sus teorías y explicar las observaciones. De este modo se pretende que pueda realizar predicciones de experimentos futuros basados en observaciones previas. Sin embargo, dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico con relación a otras ciencias, se la puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos, al tratar de explicar las leyes fundamentales de la naturaleza.

Se puede afirmar, pues, que la física no es solo una ciencia teórica; es también una ciencia experimental, y, en su intento de describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, ha llegado desde la descripción de partículas fundamentales microscópicas hasta el nacimiento de las estrellas en el universo e incluso el poder conocer con una gran probabilidad lo que aconteció en los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo, por citar unos pocos campos.

Para poder probar sus teorías, así como por las dificultades que muchas veces entraña y las discusiones que han tenido lugar y han partido de la física teórica, se han valido de instrumentos e ingenios diversos, así como de los avances matemáticos, pero también han dado lugar y propiciado el desarrollo de nuevos avances tecnológicos. 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 transformaron la sociedad actual, 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.

Teorías básicas

Los dominios básicos de la física

Habiendo partido de una física genérica, con la finalidad de resolver las situaciones cotidianas y dar explicación a los eventos observados en la naturaleza,la física actual se divide en varias ramas, destacando la física teórica que se dedica al avance y desarrollo (y revisión) de la parte fundamental, sus teorías básicas. Cada una de estas teorías ha ido aportando diferentes aproximaciones al estudio de la naturaleza, el cosmos, y el origen y comportamiento del universo de los distintos elementos que lo integran. Por ejemplo, la teoría de la física clásica basada en las observaciones y principios de Newton y Cavendish entre otros, permitió describir con elevada precisión el movimiento de los objetos, partiendo de los principios de Newton o mecánica clásica, siendo aplicables o de precisión aceptable cuando se estudian objetos o fenómenos que 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 por Newton (1642-1727).

Estas teorías centrales son herramientas importantes para la investigación de temas más especializados, y son estudiadas en ingeniería y física, independientemente de su especialización. Entre ellas se encuentran la mecánica clásica, la mecánica cuántica, la termodinámica y la física estadística, el electromagnetismo y la relatividad especial.

En la física clásica

La física clásica incluye las ramas y las cuestiones tradicionales reconocidas y bien desarrolladas antes de principios del siglo XX: mecánica clásica, acústica, óptica, termodinámica y electromagnetismo. La mecánica clásica se ocupa de los cuerpos sobre los que actúan fuerzas y de los cuerpos en movimiento y puede dividirse en estática (estudio de las fuerzas sobre un cuerpo o cuerpos no sometidos 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 puede dividirse en mecánica de sólidos y mecánica de fluidos (conocida conjuntamente como mecánica del continuo), 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. Entre las ramas modernas importantes de la acústica se encuentran la ultrasónica, el estudio de las ondas sonoras de muy alta frecuencia más allá del alcance del oído humano; la bioacústica, la física de las llamadas y el oído de los animales, y la electroacústica, la manipulación de las ondas sonoras 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 la radiación ultravioleta, que presentan todos los fenómenos de la luz visible excepto la visibilidad, por ejemplo, la reflexión, la refracción, la interferencia, la difracción, la dispersión y la polarización de la luz. El calor es una forma de energía, la energía interna que poseen las partículas que componen una sustancia; la termodinámica se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. La electricidad y el magnetismo se han estudiado como una sola rama de la física desde que se descubrió la íntima conexión entre ellos a principios del siglo XIX: una corriente eléctrica da lugar a un campo magnético, y un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. La electrostática, por otra parte, se ocupa de las cargas eléctricas en reposo, la electrodinámica de las cargas en movimiento y la magnetostática de los polos magnéticos en reposo.

En la física moderna

Mientras que la física clásica se ocupa generalmente de la materia y la energía en la escala normal de observación, gran parte de la física moderna se ocupa del comportamiento de la materia y la energía en condiciones extremas o a una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo, la atómica y la física nuclear estudian la materia a la escala más pequeña en la que se pueden identificar los elementos químicos. La física de las partículas elementales se encuentra 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 energías extremadamente altas necesarias para producir muchos tipos de partículas en los aceleradores de partículas. A esta escala, las nociones ordinarias y comunes 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 la presentada 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 de los aspectos complementarios de las partículas y las ondas en la descripción de dichos 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 ocupa del movimiento en ausencia de campos gravitatorios y la teoría general de la relatividad del movimiento y su conexión con la gravitación. Tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad encuentran aplicaciones en todas o la mayoría de las áreas de la física moderna.

Diferencia entre la física clásica y la moderna

Aunque la física pretende descubrir leyes universales, ante la falta de una teoría unificada, sus teorías se sitúan en dominios explícitos de aplicabilidad.

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

En términos generales, las leyes de la física clásica son las leyes de Newton, las cuales describen con precisión sistemas cuyas escalas de longitud importantes son mayores que la escala atómica y cuyos movimientos son mucho más lentos que la velocidad de la luz. Fuera de este ámbito, las observaciones no coinciden con las predicciones de la mecánica clásica. Einstein aportó el marco de la relatividad especial, que sustituyó las nociones de tiempo y espacio absolutos por las de espaciotiempo y permitió una descripción precisa de los sistemas cuyos componentes tienen velocidades cercanas a la de la luz. Grandes físicos contemporáneos de Albert Einstein, como Planck, Schrödinger y otros, introdujeron la mecánica cuántica, una noción probabilística de las partículas y las interacciones que permitió una descripción precisa de las escalas atómica y subatómica. Posteriormente, la teoría cuántica de campos unificó la mecánica cuántica y la relatividad especial. La relatividad general permitió un espaciotiempo 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 de gravedad cuántica por el momento.

Áreas de investigación

Astrofísica

section excerpt Astrofísica.[editar]

Imagen de la galaxia de Andrómeda en infrarrojo.

La astrofísica es el desarrollo y estudio de la física aplicada a la astronomía. Estudia las estrellas, los planetas, las galaxias, los agujeros negros y demás objetos astronómicos como cuerpos de la física, incluyendo su composición, estructura y evolución. La astrofísica emplea la física para explicar las propiedades y fenómenos de los cuerpos estelares a través de sus leyes, fórmulas y magnitudes. El inicio de la astrofísica fue posiblemente en el siglo XIX cuando gracias a los espectros se pudo averiguar la composición física de las estrellas. Una vez que se comprendió que los cuerpos celestes están compuestos de los mismos que conforman la Tierra y que las mismas leyes de la física y de la química se aplican a ellos, nace la astrofísica como una aplicación de la física a los fenómenos observados por la astronomía. La astrofísica se basa, pues, en la asunción de que las leyes de la física y la química son universales, es decir, que son las mismas en todo el universo.

Debido a que la astrofísica es un campo muy amplio, los astrofísicos aplican normalmente muchas disciplinas de la física, incluyendo la física nuclear (véase Nucleosíntesis estelar), la física relativísta, la mecánica clásica, el electromagnetismo, la física estadística, la termodinámica, la mecánica cuántica, la física de partículas, la física atómica y molecular. Además, la astrofísica está íntimamente vinculada con la cosmología, que es el área que pretende describir el origen del universo.

Esta área, junto a la física de partículas, es una de las áreas más estudiadas y más apasionantes del mundo contemporáneo de la física. Desde que el telescopio espacial Hubble nos brindó detallada información de los más remotos confines del universo, los físicos pudieron tener una visión más objetiva de lo que hasta ese momento eran solo teorías.

En la actualidad, todos o casi todos los astrónomos tienen una sólida formación en física y las observaciones siempre se ponen en su contexto astrofísico, así que los campos de la astronomía y astrofísica están frecuentemente enlazados. Tradicionalmente, la astronomía se centra en la comprensión de los movimientos de los objetos, mientras que la astrofísica busca explicar su origen, evolución y comportamiento. Actualmente, los términos «astronomía» y «astrofísica» se suelen usar indistintamente para referirse al estudio del universo.

Resumen de las disciplinas físicas

Clasificación de la física con respecto a teorías:

• Mecánica clásica. Se puede considerar que aglutina y se compone por la mecánica clásica (tres leyes de Newton), fluidos y flotabilidad (principio de Arquímedes y otras aportaciones más recientes), elasticidad (Ley de Hooke), termodinámica (aplicaciones y teoría de gases, de Lavoisier, Boltzmann y Gibbs entre otros), y electromagnetismo (ecuaciones de Maxwell).
• Mecánica cuántica. Partiendo de las observaciones de Thomas Young (experimento de la doble-rendija), Clinton Davisson y Lester Germer (1927), Max Planck (1901), y Albert Einstein que en 1905 aportó uno de los experimentos, el efecto fotoeléctrico, como piedra angular, Louis de Broglie propuso una idea radical para la física de la época, surgiendo la denominada mecánica cuántica. Aparte de los anteriores, son destacables las aportaciones de Heisenberg, Schrödinger (que propuso un planteamiento paradójico a modo de crítica que serviría para representar uno de los efectos más destacados y representativos de la mecánica cuántica, actualmente conocido como el experimento del «Gato de Schrödinger», un experimento mental), y los grupos de Bell, Clauser, Horne, y Shimony; Aspect, Dalibard y Roger; y posteriormente Zeilinger (en 1986), por los experimentos que probaron el efecto anterior (y la mecánica cuántica) especialmente Bell y sus trabajos, que propusieron y plantearon el experimento para probar o desechar la teoría de la mecánica cuántica.
• Teoría cuántica de campos. Consiste en la aplicación de los principios de la mecánica cuántica a los sistemas clásicos de campos continuos, por ejemplo, el intento llevado a cabo para hacer la mecánica cuántica compatible con la relatividad. Destacan por sus contribuciones Dirac, Fock, Pauli, Tomonaga, Schwinger, Feynman y Dyson, entre otros.
• Teoría de la relatividad. Se trata de una teoría fundamental desarrollada por Albert Einstein entre 1905y 1919(cuando se consideró probada gracias a las observaciones de Eddington),basada en las observaciones de Einstein de que la velocidad de la luz en el vacío es igual en todos los sistemas de referencia inerciales y de obtener todas las consecuencias del principio de relatividad de Galileo.
  • Relatividad especial. Publicada en 1905, se denomina especial porque no aplica en todos los casos, solo aquellos en los que la gravedad puede ignorarse. (Es decir, no incluye a la gravedad en sus predicciones).
  • Relatividad general. Desarrollada entre 1905 y 1919, debido a las críticas recibidas, se publicó por partes por su autor, Albert Einstein, publicándose los primeros en 1915,y finalizando con los de 1918-1919 que finaliza en una nota de Einstein sobre la observación de Eddington que considera como confirmada las predicciones de la teoría de la relatividad y la teoría de la relatividad general.
• física estadística. La mecánica estadística o física estadística es una rama de la física que trata de resolver problemas de conjuntos y grandes poblaciones o elementos, a partir de la aplicación de las herramientas matemáticas y la teoría de probabilidad y la estadística. Surgió a partir de los planteamientos y observaciones de Boltzmann, Gibbsy Constantin Carathéodory,y puede describir una amplia variedad de campos con una naturaleza inherentemente estocástica. Si hubiera que destacar un trabajo más reciente que pudiera dar lugar al surgimiento o definición de esta parte de la ciencia, aparte del de Gibbs, sería considerable el trabajo de Edward Lorenz de 1963.
• Mecánica de medios continuos.
  • Mecánica del sólido rígido, Mecánica de sólidos deformables, Elasticidad, Plasticidad
  • Mecánica de fluidos.
• Electromagnetismo.
  • Electricidad.
  • Magnetismo.
• Electrónica. Serían destacables los descubrimientos de Edison (efecto Edison) en 1883, Fleming, con la aplicación del anterior para desarrollar el diodo, Lee De Forest cuando en 1906 inventó el triodo, y permitió la amplificación de señales de radio y, en general, la tecnología de radio, el transistor, de la mano de John Bardeen y Walter Brattain, de la Bell Telephone Company, en 1948, y el primer circuito integrado de Jack S. Kilby (1958). Otro destacado, si no el más importante precursor, es Joseph John Thomson, por su descubrimiento del electrón, en 1897.
• Óptica. Algunos de los precursores en óptica, aparte de la lente de Nimrud, pueden ser considerados Al-hacén, Snel (ley de Snell), el experimento de Young (1804) ya mencionado anteriormente, la interferometría propiciada por Michelson, y el láser, puesto a funcionar por primera vez por Theodore Maiman en 1960.

Principales magnitudes físicas

Las unidades indicadas para cada magnitud son las utilizadas en el Sistema Internacional de Unidades. Las unidades en negrita son básicas, las restantes surgen de otras (son derivadas).

• Geométricas
  • Longitud: cuya unidad es el metro (m)
  • Área: cuya unidad es el metro cuadrado (m²)
  • Volumen: cuya unidad es el metro cúbico (m³)
• Relacionadas con el tiempo y proporciones respecto al tiempo:
  • Tiempo: cuya unidad es el segundo (s)
  • Velocidad: cuya unidad es el metro por segundo (m/s)
  • Aceleración: cuya unidad es el metro por segundo al cuadrado (m/s²)
  • Frecuencia: cuya unidad es el hercio o hertz.
• Relacionadas con la dinámica:
  • Fuerza: cuya unidad es el newton (N)
  • Trabajo: cuya unidad es el julio o joule (J)
  • Energía: cuya unidad es el julio o joule (J)
  • Potencia: cuya unidad es el vatio o watt (W)
• Termodinámicas y relacionadas con la cantidad de materia:
  • Masa: cuya unidad es el kilogramo (kg)
  • Cantidad de sustancia: cuya unidad es el mol
  • Temperatura: cuya unidad es el kelvin (K)
  • Presión: cuya unidad es el pascal (Pa)

Véase también

• Filosofía de la física
• Geofísica
• Biofísica

Referencias

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Enlaces externos

• Grado en Física - Universidad de Salamanca