Nuestra comprensión de la naturaleza y en particular la Historia de la Física y las leyes que la rigen, ha cambiado radicalmente desde los días de los filósofos naturales griegos antiguos, aquí se explica cómo y por qué ocurrieron estos cambios, a través de experimentos históricos y teorías que, para su época, fueron revolucionarias.
Origen y Evolución de la Física
Según los Antecedentes históricos de la física y la filosofía natural, las mismas se usaban indistintamente para la ciencia cuyo objetivo es el descubrimiento y la formulación de las Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza, a medida que las ciencias modernas se desarrollaron y se volvieron cada vez más especializadas, la física llegó a denotar que parte de la ciencia física no se incluía en astronomía, química, geología e ingeniería.
Sin embargo, la física juega un papel importante en todas las ciencias naturales, y todos estos campos tienen ramas en las que las leyes físicas y las mediciones reciben un énfasis especial, con nombres como astrofísica, geofísica, biofísica e incluso psicofísica, la física puede, en la base, definirse como la ciencia de la materia, el movimiento y la energía, sus leyes generalmente se expresan con economía y precisión en el lenguaje de las matemáticas.
El objetivo final de la física es encontrar un conjunto unificado de leyes que rijan la materia, el movimiento y la energía a distancias subatómicas pequeñas, a la escala humana de la vida cotidiana y a las distancias más grandes (por ejemplo, aquellas en La escala extragaláctica), este ambicioso objetivo se ha realizado en gran medida.
Aunque todavía no se ha logrado una teoría completamente unificada de los fenómenos físicos un conjunto notablemente pequeño de leyes físicas fundamentales parece ser capaz de dar cuenta de todos los fenómenos conocidos.
El cuerpo de física desarrollado hasta aproximadamente el cambio del siglo 20, conocido como física clásica, puede explicar en gran medida los movimientos de los objetos macroscópicos que se mueven lentamente con respecto a la velocidad de la luz y para fenómenos como el calor, sonido, electricidad, magnetismo y luz.
Los desarrollos modernos de la relatividad y la mecánica cuántica modifican estas leyes en la medida en que se aplican a velocidades más altas, objetos muy masivos y a los pequeños componentes elementales de la materia, como electrones, protones y neutrones.
Física Antigua
Thales fue el primer físico y sus teorías realmente le dieron su nombre a la disciplina, él creía que el mundo, aunque estaba hecho de muchos materiales, estaba realmente construido de un solo elemento, el agua, llamado Physis en griego antiguo.
La interacción del agua entre las fases de sólido, líquido y gas le dio a los materiales diferentes propiedades, esta fue la primera explicación para sacar los fenómenos naturales del reino de la divina providencia y del reino de las leyes y explicaciones naturales.
Anaximandro, más famoso por su teoría protoevolucionaria, disputó las ideas de Tales y propuso que, en lugar de agua, una sustancia llamada Apeiron era la piedra angular de toda la materia, con la ayuda de la retrospectiva moderna, podemos decir que esta fue otra suposición astuta de Anaximandro y muy similar a la idea de que el hidrógeno es la piedra angular de toda la materia en nuestro universo.
Uno de los primeros físicos antiguos de renombre fue Leucipo, que se opuso rotundamente a la idea de la intervención divina directa en el universo, este filósofo, en cambio, propuso que los fenómenos naturales tenían una causa natural. Leucipo y su alumno, Demócrito, desarrollaron la primera teoría atómica, argumentando que la materia no podía dividirse indefinidamente y que eventualmente llegarían a piezas individuales que no podrían cortarse.
Primera teoría atómica
Es una antigua especulación filosófica de que todas las cosas pueden explicarse por innumerables combinaciones de partículas duras, pequeñas e indivisibles de varios tamaños pero del mismo material básico o la teoría científica moderna de la materia según la cual los elementos químicos que se combinan para formar la gran variedad de sustancias consisten en agregaciones de subunidades similares, que poseen una subestructura nuclear y electrónica característica de cada elemento.
Euclides y las matemáticas
La desigualdad de varios libros y los variados niveles matemáticos pueden dar la impresión de que Euclides no era más que un editor de tratados escritos por otros matemáticos, hasta cierto punto, esto es cierto, aunque probablemente sea imposible determinar qué partes son suyas y cuáles fueron adaptaciones de sus predecesores. Los contemporáneos de Euclides consideraron su trabajo final y autoritario, para decir más, tenía que ser como comentarios a los Elementos.
Física aristotélica
Curiosamente, aunque Aristóteles es estimado como el padre de la ciencia y positivamente ayudó al Resumen de la Historia de la Física con su sistemática y práctica, en realidad dificultó el adelanto de la física a través de varios milenios.
El mismo tuvo el error de decir que la teoría matemática y el mundo natural no se superponían, una contraseña de su excesiva dependencia del conocimiento. Aristóteles pretendió manifestar doctrinas como el movimiento y la gravedad con su teoría de los elementos, una añadidura a la física antigua que asimismo se amplió a la alquimia y la medicina.
Aristóteles profesaba sólidamente que toda la materia se encontraba arreglada por una combinación de cinco elementos, tierra, aire, fuego, agua y éter intangible, llevó esto más lejos al insinuar que el reino de la tierra se encontraba cercado de aire, continuado con los reinos de fuego y éter.
Física en el mundo islámico medieval
La mecánica fue una de las ciencias más desarrolladas que se persiguió en la Edad Media, operando dentro de un marco fundamentalmente aristotélico, los físicos medievales criticaron e intentaron mejorar muchos aspectos de la física de Aristóteles.
El problema del movimiento de proyectiles fue crucial para la mecánica aristotélica y el análisis de este problema representa una de las contribuciones medievales más impresionantes a la física, debido a la suposición de que la continuación del movimiento requiere la acción continua de una fuerza motriz, el movimiento continuo de un proyectil después de perder el contacto con el proyector requirió una explicación.
El propio Aristóteles había propuesto explicaciones de la continuación del movimiento de proyectiles en términos de la acción del medio, el carácter de estas explicaciones las hizo insatisfactorias para la mayoría de los comentaristas medievales, quienes, sin embargo, conservaron la suposición fundamental de que el movimiento continuo requiere una causa continua.
Durante la década de 1300, ciertos académicos de Oxford reflexionaron sobre el problema filosófico de cómo describir el cambio que ocurre cuando las cualidades aumentan o disminuyen en intensidad y llegaron a considerar los aspectos cinemáticos del movimiento.
Ptolomeo y el modelo geocéntrico
También llamado sistema geocéntrico, modelo matemático del universo formulado por el astrónomo y matemático Alejandrino Ptolomeo y registrado por él en sus hipótesis Almagesto y Planetario, el sistema ptolemaico es una cosmología geocéntrica, es decir, comienza suponiendo que la Tierra es estacionaria y está en el centro del universo.
Física Clásica
La física clásica tomó forma cuando Newton planteo su teoría de la gravedad y las matemáticas que comúnmente conocemos como cálculo colaborando con el Desarrollo Histórico de la Física, la física newtoniana era tridimensional, ancho, alto y profundidad, hace trescientos años, Isaac Newton declaró que el espacio y el tiempo son ingredientes eternos e inmutables en la composición del cosmos, estructuras prístinas que se encuentran más allá de los límites de la pregunta y la explicación.
Newton escribió en principio las matemáticas:
«El espacio absoluto en su naturaleza sin relación con nada externo siempre es similar e inamovible, el tiempo absoluto, verdadero y matemático de sí mismo y de su propia naturaleza fluye equitativamente sin relación con nada externo».
Las teorías de Newton sobre el universo, aunque Einstein demostraría que son imprecisas, sirvieron a la ciencia durante siglos, a pesar de sus deficiencias, permitieron las innovaciones tecnológicas de la revolución industrial, una teoría es un modelo coherente que guía los pensamientos, un conjunto de percepciones que pueden modificarse hasta que se avance una mejor teoría.
Las teorías de Newton incluyeron su teoría de la gravedad para la cual desarrolló el cálculo para describirlo, su concepto de tres dimensiones en un universo infinito, su teoría de partículas de la luz y su creencia subyacente incorporada en sus teorías de que, de hecho, había líneas rectas en naturaleza, las preguntas de Newton sobre la física de la luz dieron como resultado la teoría de partículas de la luz, es decir, cada rayo de luz viajaba en línea recta y tenía una masa increíblemente pequeña.
El Sol como centro del universo
Los antiguos griegos, por ejemplo, consideraban que los planetas incluían el Sol, la Tierra estaba en el centro de todo (geocéntrica), con estos planetas girando a su alrededor, esto se hizo tan importante en la cultura que los días de la semana llevaban el nombre de los dioses, representados por estos siete puntos de luz en movimiento.
Las leyes físicas de Newton
Los vínculos entre las fuerzas que proceden sobre un cuerpo y el movimiento del cuerpo, expresadas por primera vez por el físico y matemático inglés Isaac Newton, según la Biografía de Isaac Newton las leyes del mismo surgieron por primera vez en su labor en el año 1687, lo que usualmente es conocida como Principia.
Revolución Científica
Una nueva idea de la naturaleza nació en medio de la Revolución Científica, sustituyendo el enfoque griego que había subyugado la ciencia durante muchos años, la ciencia se transformó en un método libre, distinta de la filosofía y la tecnología, lo que llegó a considerarse que contenía objetivos positivistas.
Para el final de este período, puede que no sea demasiado decir que la ciencia había reemplazado al cristianismo como el punto focal de la civilización europea, fuera del fermento del Renacimiento y La reforma surgió allí una nueva visión de la ciencia, provocando las siguientes transformaciones, la reeducación del sentido común en favor del razonamiento abstracto, la sustitución de una visión cuantitativa por una cualitativa de la naturaleza.
La visión de la naturaleza como una máquina más que como un organismo, el desarrollo de un método experimental y científico que buscaba respuestas definitivas a ciertas preguntas limitadas formuladas en el marco de teorías específicas y la aceptación de nuevos criterios de explicación, destacando el «cómo» en lugar del «por qué» que había caracterizado la búsqueda aristotélica de las causas finales.
Termodinámica y Óptica
Si la hidrodinámica o la teoría de la elasticidad no son de interés inmediato para el estudio de la teoría cuántica, entonces con la óptica la situación es completamente diferente, ya que su progreso está estrechamente relacionado con el desarrollo de la física moderna, similar a los fenómenos que ocurren con cuerpos sólidos y líquidos, los fenómenos de luz también han atraído la atención de las personas desde los primeros tiempos, pero solo en el siglo XVII.
La óptica comenzó a formarse en una ciencia real. Durante este período, Descartes formuló las leyes de refracción y reflexión de la luz y Fermat propuso su principio, que contiene toda la óptica geométrica, durante todo este período del desarrollo de la óptica, el concepto de rayos de luz jugó un papel importante en él, la propagación rectilínea de los rayos de luz en el vacío o en medios homogéneos, su reflejo de las superficies especulares y la refracción durante la transición de un medio a otro.
Electromagnetismo y Estructura Atómica
La mecánica y los campos relacionados, así como la acústica y la óptica, surgieron hace mucho tiempo, porque estudian los fenómenos que una persona encuentra constantemente en su vida diaria, la ciencia de la electricidad, por otro lado, apareció relativamente recientemente.
Por supuesto, algunos hechos, como la electrificación de los cuerpos por fricción o las propiedades de los imanes naturales, ya se conocían antes, fenómenos naturales tan majestuosos y extraños como las tormentas eléctricas no pueden dejar de llamar la atención.
Sin embargo, es poco probable que estos hechos se hayan estudiado y comparado lo suficiente hasta finales del siglo XVIII y casi nadie imaginaba claramente en ese momento que se convertiría en el objeto de estudio de una nueva ciencia, que constituye una de las áreas más importantes de la física moderna, esto quedó claro solo a fines del siglo XVIII y principios del XIX.
Es interesante notar que al mismo tiempo se descubrieron los fenómenos de interferencia y se construyó la teoría de las ondas, este notable período en la historia del desarrollo de la ciencia, cuando surgieron la óptica de ondas y la teoría moderna de la electricidad, fue para la física macroscópica lo que fueron los últimos 50 años para la física atómica.
Física Moderna
La física moderna a menudo implica una descripción avanzada de la naturaleza a través de nuevas teorías que eran diferentes de las descripciones clásicas e involucra elementos de la mecánica cuántica y la relatividad de Einstein, por ejemplo, los efectos cuánticos típicamente involucran distancias relacionadas con los átomos, por otro lado, los efectos relativistas generalmente involucran velocidades en comparación con la velocidad de la luz.
Energía
Los físicos usan el término energía para denotar la capacidad de cambiar de estado o de producir trabajo que causa movimiento o genera radiación electromagnética, por ejemplo, de la luz o calor, la palabra proviene del griego y significa «fuerza en acción».
En el sistema internacional, la energía se expresa en julios, pero en términos comunes, se expresa con mayor frecuencia en kilovatios-hora (kWh), en cuanto a la tonelada de petróleo equivalente (dedo del pie), generalmente permite comparar las diferentes fuentes de energía entre sí, cabe señalar que, de acuerdo con el primer principio de la termodinámica, se conserva la energía de un sistema cerrado.
Termodinámica
Se basa en el primer y segundo principio, es decir, la conservación de la energía y el aumento de la entropía, estas leyes imponen fuertes restricciones a cualquier modelo del universo, además, algunas propiedades del espacio y el tiempo están surgiendo en un sentido termodinámico.
Por lo tanto, estas nociones no deben considerarse como estructuras básicas de interacciones fundamentales, en este sentido, el espacio-tiempo es termodinámico, además, si uno acepta incorporar argumentos estadísticos, debe preguntarse si las fuerzas del universo son quizás termodinámicas, nuestro universo estaría así gobernado por fuerzas entrópicas más que por fuerzas absolutas.
Electromagnetismo
Se basan en la teoría de ondas de Maxwell y sus ecuaciones, pero se comprenden mucho menos que estas teorías, no se basan en su interpretación inicial de la relación entre los campos E y B, sino en la de Ludvig Lorenz, con la que Maxwell no estuvo de acuerdo.
Maxwell pensó que estos dos campos les convenían inducirse cíclicamente para que se conservara la velocidad de la luz, por el contrario que Lorenz pensó que ambos campos convenían obtener su máxima intensidad sincrónicamente al mismo tiempo para conservar esa velocidad, las ecuaciones permitiendo ambas paráfrasis.
Mecánica cuántica
El mundo cuántico de átomos y partículas subatómicas es maravilloso, una sola partícula puede comportarse como si estuviera en dos lugares a la vez y un par de partículas, en los extremos opuestos del universo, pueden comportarse de alguna manera como una sola entidad.
Si bien puede parecer imposible envolver nuestras mentes con tanta rareza cuántica, esta secuencia de conferencias recorre un largo camino hacia la desmitificación del mundo cuántico, brindándonos ideas sólidas sobre los fascinantes «engranajes y ruedas» de cómo funcionan los átomos.
Big Bang
En el primer segundo de la existencia del universo, nuestra comprensión de lo que estaba sucediendo es sorprendentemente buena. Sabemos que los conceptos de tiempo, espacio y las leyes de la física se solidificaron muy rápidamente, a partir de ahí, el orden comenzó a emerger del caos, los primeros en tomar forma fueron las partículas subatómicas como los quarks.
Luego partículas más grandes como protones y neutrones, aproximadamente tres minutos después, el universo se había enfriado a mil millones de ° C. Esto permitió que los protones y los neutrones se unieran a través de la fusión y formaran núcleos, los núcleos cargados de átomos.
Relatividad
Las teorías físicas de extensa trascendencia desarrolladas por el físico Alemán Albert Einstein, con sus teorías de la relatividad especial en el año 1905 y la relatividad general, Einstein dejo a un lado muchos comentarios de las teorías físicas anteriores, trabajando en el proceso los conceptos primordiales de espacio, tiempo, materia, energía y gravedad.
Física nuclear
Esta rama de la física se ocupa de la estructura del núcleo atómico y la radiación de núcleos inestables.
La energía del átomo
Al igual que los átomos excitados, los núcleos radioactivos inestables (producidos naturalmente o producidos artificialmente) pueden emitir radiación electromagnética, los fotones nucleares energéticos se llaman rayos gamma. Los núcleos radiactivos también emiten otros partículas, electrones negativos y positivos (rayos beta), acompañados de neutrinos y núcleos de helio (rayos alfa).
Fuerzas dentro del núcleo
En radiactividad y en colisiones que conducen a la ruptura nuclear, la identidad química del objetivo nuclear se altera cada vez que hay un cambio en la carga nuclear, en las reacciones nucleares de fisión y fusión en las que los núcleos inestables se dividen, respectivamente, en núcleos más pequeños o se amalgaman en núcleos más grandes, la liberación de energía es muy superior a la de cualquier reacción química.
Avances recientes de la física
En los últimos años han existido descubrimientos que permiten un avance en la física, como los que se detallan a continuación:
El láser
El láser no hubiera sido posible sin saber que la luz es una representación de radiación electromagnética. Max Planck recibió el Premio Nobel de física por su hallazgo de los cuantos de energía elementales, como en la Teoría Cuántica de Planck estaba trabajando en termodinámica, queriendo manifestar por qué la radiación del «cuerpo negro», algo que empapa todas las longitudes de onda de la luz, no irradiaba todas las repeticiones de luz por igual cuando se irritaba.
El gran colisionador de hadrones
Diez años más tarde del inicio de operaciones del Gran Colisionador de Hadrones, uno de los aparatos más complicados nunca antes visto, es el pedal de partículas más inmenso del mundo, enterrado a 100 metros bajo el campo francés y suizo con un círculo de 17 millas.