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LA FISICA ¬ŅQU√Č ES?

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LA FISICA ¬ŅQU√Č ES?

La definición de la física y sus diferentes ramas, física clásica, física moderna, física natural, física atómica, física molecular, y demás.
LA FISICA ¬ŅQU√Č ES?
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Empecemos entendiendo lo que es la F√≠sica (del griego cl√°sico : ŌÜŌÖŌÉőĻőļőģ (ŠľźŌÄőĻŌÉŌĄőģőľő∑), translit. PhysikŠłó (epistŠłómńď), literalmente "conocimiento de la naturaleza", de ŌÜŌćŌÉőĻŌā ph√Ĺsis "naturaleza") es la ciencia natural que estudia la materia y su movimiento y comportamiento a trav√©s del espacio y el tiempo y que estudia las entidades relacionadas de energ√≠a y fuerza. La f√≠sica es una de las disciplinas cient√≠ficas m√°s fundamentales, y su objetivo principal es comprender c√≥mo el universo se comporta.

La f√≠sica es una de las disciplinas acad√©micas m√°s antiguas y, a trav√©s de su inclusi√≥n de la astronom√≠a, quiz√°s la m√°s antigua. Durante los √ļltimos dos milenios, la f√≠sica, la qu√≠mica, la biolog√≠a y ciertas ramas de las matem√°ticas formaron parte de la filosof√≠a natural, pero durante la revoluci√≥n cient√≠fica en el siglo XVII, estas ciencias naturales surgieron como proyectos de investigaci√≥n √ļnicos por derecho propio. [b] La f√≠sica se cruza con muchas √°reas interdisciplinarias de investigaci√≥n, como la biof√≠sica y la qu√≠mica cu√°ntica, y los l√≠mites de la f√≠sica no est√°n r√≠gidamente definidos. Las nuevas ideas en f√≠sica a menudo explican los mecanismos fundamentales estudiados por otras ciencias ¬†y sugieren nuevas avenidas de investigaci√≥n en disciplinas acad√©micas como las matem√°ticas y la filosof√≠a.

Los avances en la 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 condujeron al desarrollo de la industrialización; y los avances en mecánica inspiraron el desarrollo del cálculo.

La Historia de La Física

La Astronomía Antigua

La astronomía es la más antigua de las ciencias naturales. Las civilizaciones más antiguas que datan de más allá de 3000 a. C., como los sumerios, los antiguos egipcios y la civilización del valle del Indo, todos tenían un conocimiento predictivo y una comprensión básica de los movimientos del sol, la luna y las estrellas. Las estrellas y los planetas eran a menudo un objetivo de adoración, se cree que representan a sus dioses. Si bien las explicaciones para estos fenómenos a menudo no eran científicas y carecían de evidencia, estas primeras observaciones sentaron las bases para la astronomía posterior. 

Seg√ļn Asger Aaboe, los or√≠genes de la astronom√≠a occidental se pueden encontrar en Mesopotamia, y todos los esfuerzos occidentales en las ciencias exactas descienden de la astronom√≠a babil√≥nica tard√≠a. Los astr√≥nomos egipcios dejaron monumentos que muestran el conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, mientras que el poeta griego Homero escribi√≥ sobre varios objetos celestes en su Il√≠ada y Odisea; m√°s tarde, los astr√≥nomos griegos proporcionaron nombres, que todav√≠a se usan hoy en d√≠a, para la mayor√≠a de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte.¬†

La Filosofía Natural

La filosof√≠a natural tiene sus or√≠genes en Grecia durante el per√≠odo arcaico (650 aC - 480 aC), cuando fil√≥sofos presocr√°ticos como Tales rechazaron las explicaciones no naturalistas de los fen√≥menos naturales y proclamaron que cada evento ten√≠a una causa natural. Propusieron ideas verificadas por la raz√≥n y la observaci√≥n, y muchas de sus hip√≥tesis demostraron ser exitosas en el experimento; ¬†por ejemplo, se encontr√≥ que el atomismo era correcto aproximadamente 2000 a√Īos despu√©s de que Leucippus y su alumno Dem√≥crito lo propusieran por primera vez.

La Física en el Mundo Medieval Europeo e Islámico

Debido al per√≠odo de la migraci√≥n del Imperio Romano de Occidente cay√≥, y por lo tanto una disminuci√≥n en el nivel intelectual encontr√≥ lugar en la parte occidental de Europa en los a√Īos 400. En contraste, el Imperio Romano de Oriente (tambi√©n conocido como el Imperio Bizantino ) resisti√≥ los ataques de los b√°rbaros, y conserv√≥ y mejor√≥ el aprendizaje incluyendo la f√≠sica.¬†

En el siglo VI, Isidoro de Mileto creó una compilación importante de las obras de Arquímedes que se conservan en el Palimpsesto de Arquímedes.

Al mismo tiempo, John Philoponus, un erudito bizantino, fue la primera persona en cuestionar las ense√Īanzas de f√≠sica de Arist√≥teles y se√Īalar sus defectos. √Čl introdujo la teor√≠a del √≠mpetu. La f√≠sica de Arist√≥teles no fue examinada hasta que apareci√≥ John Philoponus y, a diferencia de Arist√≥teles, que bas√≥ su f√≠sica en argumentos verbales, Philoponus se bas√≥ en la observaci√≥n. En la f√≠sica de Arist√≥teles, John Philoponus escribi√≥:

Pero esto es completamente err√≥neo, y nuestra visi√≥n puede ser corroborada por la observaci√≥n real de manera m√°s 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 m√°s pesado que el otro, ver√°s que la relaci√≥n de los tiempos requeridos para el movimiento no depende de la relaci√≥n de los pesos, sino que la diferencia en el tiempo es muy peque√Īo. Y entonces, si la diferencia en los pesos no es considerable, es decir, de uno es, digamos, el doble del otro, no habr√° 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 cr√≠tica de John Philoponus a los principios aristot√©licos de la f√≠sica sirvi√≥ de inspiraci√≥n para Galileo Galilei diez siglos m√°s tarde cuando Galileo cit√≥ a Filoponus sustancialmente en sus obras cuando Galileo tambi√©n argument√≥ por qu√© la f√≠sica aristot√©lica era defectuosa durante la Revoluci√≥n cient√≠fica. En el a√Īo 1300, Jean Buridan, profesor de la facultad de artes de la Universidad de Par√≠s, desarroll√≥ el concepto de √≠mpetu. Fue el primer paso hacia las ideas modernas de inercia e impulso.¬†

La erudici√≥n isl√°mica hered√≥ la f√≠sica aristot√©lica de los griegos y durante la Edad de oro isl√°mica la desarroll√≥ a√ļn m√°s, haciendo especial hincapi√© en la observaci√≥n y el razonamiento a priori, desarrollando las primeras formas del m√©todo cient√≠fico.

Las innovaciones m√°s notables se encuentran en el campo de la √≥ptica y la visi√≥n, que provienen de los trabajos de muchos cient√≠ficos como Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi y Avicenna. La obra m√°s notable fue The Book of Optics (tambi√©n conocido como KitńĀb al-ManńĀŠļďir), escrita por Ibn al-Haytham, en la que no solo fue el primero en refutar la antigua idea griega sobre la visi√≥n, sino que tambi√©n ide√≥ una nueva teor√≠a. En el libro, tambi√©n fue el primero en estudiar el fen√≥meno de la c√°mara oscura (su versi√≥n milenaria de la c√°mara estenopeica) y profundizar en la forma en que funciona el ojo mismo. Usando disecciones y el conocimiento de eruditos previos, pudo comenzar a explicar c√≥mo la luz entra al ojo. Afirm√≥ que el rayo de luz est√° enfocado, pero la explicaci√≥n real de c√≥mo la luz proyectada en la parte posterior del ojo tuvo que esperar hasta 1604. Su Treatise on Light explic√≥ la primera c√°mara oscura del mundo, cientos de a√Īos antes del desarrollo moderno de la fotograf√≠a.¬†

El Dibujo de Ibn Al-Haytham (Alhazen)

El Libro de √ďptica de siete vol√ļmenes ( Kitab al-Manathir ) influy√≥ enormemente en el pensamiento sobre disciplinas desde la teor√≠a de la percepci√≥n visual hasta la naturaleza de la perspectiva en el arte medieval, tanto en Oriente como en Occidente, durante m√°s de 600 a√Īos. Muchos eruditos europeos posteriores y colegas polimatosos, desde Robert Grosseteste y Leonardo da Vinci hasta Ren√© Descartes, Johannes Kepler e Isaac Newton, estaban en deuda con √©l. De hecho, la influencia de la √ďptica de Ibn al-Haytham se corresponde con la obra de Newton del mismo t√≠tulo, publicada 700 a√Īos despu√©s.

La traducci√≥n de El Libro de la √ďptica tuvo un gran impacto en Europa. A partir de ella, los eruditos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que replicaban aquellos que Ibn al-Haytham hab√≠a construido, y comprender c√≥mo funciona la luz. A partir de esto, se desarrollaron cosas tan importantes como anteojos, lentes de aumento, telescopios y c√°maras.

La 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 de Galileo Galilei en los siglos XVI y XVII, y el descubrimiento y unificación de Isaac Newton de las leyes del movimiento y la gravitación universal que llegarían a llevar su nombre. Newton también desarrolló cálculo, [c] el estudio matemático del cambio, que proporcionó nuevos métodos matemáticos para resolver problemas físicos. 

El descubrimiento de nuevas leyes en termodin√°mica, qu√≠mica y electromagn√©tica fue el resultado de mayores esfuerzos de investigaci√≥n durante la Revoluci√≥n Industrial a medida que las necesidades de energ√≠a aumentaron. Las leyes que comprenden la f√≠sica cl√°sica siguen siendo muy utilizadas para objetos en escalas cotidianas que viajan a velocidades no relativistas, ya que proporcionan una aproximaci√≥n muy cercana en tales situaciones, y teor√≠as como la mec√°nica cu√°ntica y la teor√≠a de la relatividad simplifican a su equivalentes a tales escalas. Sin embargo, las inexactitudes en la mec√°nica cl√°sica para objetos muy peque√Īos y velocidades muy altas llevaron al desarrollo de la f√≠sica moderna en el siglo XX.

La Física Moderna

La f√≠sica moderna comenz√≥ a principios del siglo XX con el trabajo de Max Planck en la teor√≠a cu√°ntica y la teor√≠a de la relatividad de Albert Einstein. Ambas teor√≠as surgieron debido a inexactitudes en la mec√°nica cl√°sica en ciertas situaciones. La mec√°nica cl√°sica predijo una velocidad variable de la luz, que no pod√≠a resolverse con la velocidad constante predicha por las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell; esta discrepancia fue corregida por la teor√≠a de la relatividad especial de Einstein, que reemplaz√≥ la mec√°nica cl√°sica para cuerpos de movimiento r√°pido y permiti√≥ una velocidad de luz constante. Radiaci√≥n del cuerpo negro proporcion√≥ otro problema para la f√≠sica cl√°sica, que se corrigi√≥ cuando Planck propuso que la excitaci√≥n de los osciladores materiales es posible solo en pasos discretos proporcionales a su frecuencia; esto, junto con el efecto fotoel√©ctrico y una teor√≠a completa que predice los niveles discretos de energ√≠a de los orbitales de electrones, condujo a la teor√≠a de la mec√°nica cu√°ntica reemplazando a la f√≠sica cl√°sica a escalas muy peque√Īas.¬†

La mecánica cuántica sería iniciada por Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y Paul Dirac. A partir de este trabajo temprano, y trabajo en campos relacionados, se derivó el Modelo Estándar de física de partículas. Luego del 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.

La Filosofía en la Física

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, al igual que 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 las cuestiones filosóficas 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 f√≠sicos han escrito sobre las implicaciones filos√≥ficas de su trabajo, por ejemplo, Laplace, que defendi√≥ el determinismo causal, y Erwin Schr√∂dinger, que escribi√≥ sobre mec√°nica cu√°ntica. El f√≠sico matem√°tico Roger Penrose ha sido llamado platonista por Stephen Hawking, una opini√≥n que Penrose discute en su libro, El camino hacia la realidad. Hawking se refiere a s√≠ mismo como un "reduccionista sin verg√ľenza" y discrepa con los puntos de vista de Penrose.¬†

Las Teorías Centrales de la Física

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, sea alfabetizado en ellas. Estos incluyen mecánica clásica, mecánica cuántica, termodinámica y mecánica estadística, electromagnetismo y relatividad especial.

La Física Clásica

La f√≠sica cl√°sica incluye las ramas tradicionales y temas que fueron reconocidos y bien desarrollados antes del comienzo del siglo XX: mec√°nica cl√°sica, ac√ļstica, √≥ptica, termodin√°mica y electromagnetismo. La mec√°nica cl√°sica se ocupa de los cuerpos en los que act√ļan fuerzas y cuerpos en movimiento y puede dividirse en est√°tica (estudio de las fuerzas en un cuerpo o cuerpos no sujetos a aceleraci√≥n), cinem√°tica (estudio del movimiento sin tener en cuenta sus causas) y din√°mica(estudio del movimiento y las fuerzas que lo afectan); la mec√°nica tambi√©n se puede dividir en mec√°nicas s√≥lidas y mec√°nica de fluidos (conocidas juntas como mec√°nica continua ), estas √ļltimas incluyen ramas tales como hidrost√°tica, hidrodin√°mica, aerodin√°mica y neum√°tica. La ac√ļstica es el estudio de c√≥mo se produce, controla, transmite y recibe el sonido. Las ramas modernas importantes de la ac√ļstica incluyen ultrasonidos, el estudio de ondas de sonido de muy alta frecuencia m√°s all√° del alcance del o√≠do humano; bioac√ļstica, la f√≠sica de las llamadas y la audici√≥n de los animales, y la electroac√ļstica, la manipulaci√≥n de ondas de sonido audibles mediante la electr√≥nica.¬†

La √≥ptica, el estudio de la luz, se ocupa no solo de la luz visible sino tambi√©n de la radiaci√≥n infrarroja y ultravioleta, que exhibe todos los fen√≥menos de luz visible excepto la visibilidad, por ejemplo, reflexi√≥n, refracci√≥n, interferencia, difracci√≥n, dispersi√≥n y polarizaci√≥n de la luz. El calor es una forma de energ√≠a, la energ√≠a interna que poseen las part√≠culas de las que se compone una sustancia; La termodin√°mica se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energ√≠a. Electricidad y magnetismose han estudiado como una rama √ļnica de la f√≠sica ya que la conexi√≥n √≠ntima entre ellos se descubri√≥ a principios del siglo XIX; una corriente el√©ctrica da lugar a un campo magn√©tico, y un campo magn√©tico cambiante induce una corriente el√©ctrica. La electrost√°tica trata con cargas el√©ctricas en reposo, electrodin√°mica con cargas en movimiento y magnetost√°ticas con polos magn√©ticos en reposo.

La Física Moderna

La f√≠sica cl√°sica generalmente se ocupa de la materia y la energ√≠a en la escala normal de observaci√≥n, mientras que gran parte de la f√≠sica moderna se ocupa del comportamiento de la materia y la energ√≠a en condiciones extremas o en una escala muy grande o muy peque√Īa. Por ejemplo, los estudios de f√≠sica at√≥mica y nuclear importan en la escala m√°s peque√Īa a la que se pueden identificar los elementos qu√≠micos. La f√≠sica de las part√≠culas elementales se encuentra en una escala a√ļn m√°s peque√Īa ya que se ocupa de las unidades m√°s b√°sicas de la materia; esta rama de la f√≠sica tambi√©n se conoce como f√≠sica de alta energ√≠a debido a las extremadamente altas energ√≠as necesarias para producir muchos tipos de part√≠culas en los aceleradores de part√≠culas. En esta escala, las nociones de sentido com√ļn ordinarias de espacio, tiempo, materia y energ√≠a ya no son v√°lidas.¬†

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 refiere a 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 a la teoría general de la relatividadcon movimiento acelerado 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. 

La Diferencia entre Física Clásica y Moderna

Si bien la f√≠sica pretende descubrir leyes universales, sus teor√≠as se encuentran en dominios expl√≠citos de aplicabilidad. En t√©rminos generales, las leyes de la f√≠sica cl√°sica describen con precisi√≥n los sistemas cuyas escalas de longitud importantes son mayores que la escala at√≥mica y cuyos movimientos son mucho m√°s lentos que la velocidad de la luz. Fuera de este dominio, las observaciones no coinciden con las predicciones proporcionadas por la mec√°nica cl√°sica. Albert Einstein contribuy√≥ con el marco de la relatividad especial, que reemplaz√≥ las nociones de tiempo y espacio absolutos con el espacio -tiempo y permiti√≥ una descripci√≥n precisa de los sistemas cuyos componentes tienen velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Max Planck, Erwin Schr√∂dingery otros introdujeron la mec√°nica cu√°ntica, una noci√≥n probabil√≠stica de part√≠culas e interacciones que permit√≠a una descripci√≥n precisa de las escalas at√≥micas y subat√≥micas. M√°s tarde, la teor√≠a cu√°ntica de campos unific√≥ la mec√°nica cu√°ntica y la relatividad especial. La relatividad general permiti√≥ un espacio-tiempo din√°mico y curvado, con el cual los sistemas altamente masivos y la estructura a gran escala del universo pueden ser bien descritos. La relatividad general a√ļn no se ha unificado con otras descripciones fundamentales; varias teor√≠as candidatas de la gravedad cu√°ntica se est√°n desarrollando.

Los Requisitos Previos en la Física

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 ontolog√≠a es un requisito previo para la f√≠sica, pero no para las matem√°ticas. Significa que la f√≠sica est√° en √ļltima instancia relacionada con las descripciones del mundo real, mientras que las matem√°ticas se ocupan de los patrones abstractos, incluso m√°s all√° del mundo real. Por lo tanto, los enunciados de f√≠sica son sint√©ticos, mientras que los enunciados matem√°ticos son anal√≠ticos. Las matem√°ticas contienen hip√≥tesis, mientras que la f√≠sica contiene teor√≠as. Los enunciados matem√°ticos tienen que ser l√≥gicamente verdaderos, mientras que las predicciones de los enunciados f√≠sicos 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 porque de su papel en vincular las ciencias físicas. Por ejemplo, la química estudia las propiedades, estructuras y 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 Aplicación e Influencia de la Física

La f√≠sica aplicada es un t√©rmino general para la investigaci√≥n de la f√≠sica que est√° destinado a un uso particular. Un plan de estudios de f√≠sica aplicada generalmente contiene algunas clases en una disciplina aplicada, como geolog√≠a o ingenier√≠a el√©ctrica. Por lo general, difiere de la ingenier√≠a en que un f√≠sico aplicado puede no estar dise√Īando algo en particular, sino que est√° usando f√≠sica o realizando investigaci√≥n f√≠sica con el objetivo de desarrollar nuevas tecnolog√≠as 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 pueden buscar construir mejores detectores de partículas para la investigación en física teórica.

La f√≠sica se usa mucho en ingenier√≠a. Por ejemplo, la est√°tica, un subcampo de la mec√°nica, se usa en la construcci√≥n de puentes y otras estructuras est√°ticas. La comprensi√≥n y el uso de la ac√ļstica da como resultado un control de sonido y mejores salas de conciertos; de manera similar, el uso de la √≥ptica crea mejores dispositivos √≥pticos. La comprensi√≥n de la f√≠sica hace que los simuladores de vuelo, los videojuegos y las pel√≠culas sean m√°s 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).

El Método Científico en la Física

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. 

La Teoría y Experimento en la Física

Los te√≥ricos buscan desarrollar modelos matem√°ticos que concuerden con los experimentos existentes y predecir con √©xito los resultados experimentales futuros, mientras que los experimentadores dise√Īan y realizan experimentos para evaluar predicciones te√≥ricas y explorar nuevos fen√≥menos. Aunque la teor√≠a y el experimento se desarrollan por separado, dependen fuertemente el uno del otro. El progreso en la f√≠sica ocurre con frecuencia cuando los experimentadores hacen un descubrimiento que las teor√≠as existentes no pueden explicar, o cuando las nuevas teor√≠as 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. [d] Más allá del universo conocido, el campo de la física teórica también se ocupa de cuestiones hipotéticas, [e] 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 f√≠sica experimental se expande, y se expande por ingenier√≠a y tecnolog√≠a. F√≠sicos experimentales involucrados en el dise√Īo de investigaci√≥n b√°sica y realizan experimentos con equipos tales como aceleradores de part√≠culas y l√°ser, mientras que aquellos involucrados en la investigaci√≥n aplicada a menudo trabajan en la industria desarrollando tecnolog√≠as como la resonancia magn√©tica (MRI) y transistores. Feynman ha observado que los experimentadores pueden buscar √°reas que los te√≥ricos no exploran bien.¬†

El Alcance y los Objetivos de la Física

La f√≠sica abarca una amplia gama de fen√≥menos, desde part√≠culas elementales (como quarks, neutrinos y electrones) hasta los superc√ļmulos m√°s grandes de galaxias. Incluidos en estos fen√≥menos est√°n los objetos m√°s b√°sicos que componen todas las otras cosas. Por lo tanto, la f√≠sica a veces se llama la " ciencia fundamental ". La f√≠sica tiene como objetivo describir los diversos fen√≥menos que ocurren en la naturaleza en t√©rminos de fen√≥menos m√°s simples. Por lo tanto, la f√≠sica tiene como objetivo conectar las cosas observables a los seres humanos a las causas de ra√≠z, y luego conectar estas causas juntas.

Por ejemplo, los antiguos chinos observaron que ciertas rocas ( magnetita y magnetita ) se atra√≠an entre s√≠ por una fuerza invisible. Este efecto se llam√≥ m√°s tarde magnetismo, que se estudi√≥ rigurosamente por primera vez en el siglo XVII. Pero incluso antes de que los chinos descubrieran el magnetismo, los antiguos griegos conoc√≠an otros objetos, como el √°mbar, que cuando se frotaban con el pelaje causaban una atracci√≥n invisible similar entre los dos. Esto tambi√©n se estudi√≥ rigurosamente por primera vez en el siglo XVII y pas√≥ a llamarse electricidad. Por lo tanto, la f√≠sica lleg√≥ a comprender dos observaciones de la naturaleza en t√©rminos de alguna causa ra√≠z (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" contin√ļa hoy, y el electromagnetismo y la fuerza nuclear d√©bil ahora se consideran dos aspectos de la interacci√≥n electrod√©bil. La f√≠sica espera encontrar una raz√≥n fundamental ( Teor√≠a de todo ) para saber por qu√© la naturaleza es como es (ver la investigaci√≥n actual a continuaci√≥n para obtener m√°s informaci√≥n).¬†

Los Campos de Investigación de la Física

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 f√≠sica se han vuelto cada vez m√°s especializados, y hoy la mayor√≠a de los f√≠sicos trabajan en un solo campo para sus carreras. Los "universalistas" como Albert Einstein (1879-1955) y Lev Landau (1908-1968), que trabajaron en m√ļltiples campos de la f√≠sica, son ahora muy raros. [F]

La Física Nuclear y de Partículas

La f√≠sica de part√≠culas es el estudio de los constituyentes elementales de la materia y la energ√≠a y las interacciones entre ellos. Adem√°s, los f√≠sicos de part√≠culas dise√Īan y desarrollan aceleradores de alta energ√≠a, detectores, y programas de computadora ¬†necesarios para esta investigaci√≥n. El campo tambi√©n se denomina "f√≠sica de alta energ√≠a" porque muchas part√≠culas elementales no se producen de forma natural, sino que se crean solo durante las colisiones de alta energ√≠a de otras part√≠culas.¬†

Actualmente, las interacciones de las part√≠culas elementales y los campos est√°n descritas por el Modelo Est√°ndar. El modelo da cuenta de las 12 part√≠culas conocidas de materia ( quarks y leptones ) que interact√ļan a trav√©s de las fuerzas fundamentales fuertes, d√©biles y electromagn√©ticas. Las din√°micas se describen en t√©rminos de part√≠culas de materia que intercambian bosones gauge ( gluones, bosones W y Z, y fotones, respectivamente). El modelo est√°ndar tambi√©n predice una part√≠cula conocida como laBos√≥n de Higgs. En julio de 2012, el CERN, el laboratorio europeo de f√≠sica de part√≠culas, anunci√≥ la detecci√≥n de una part√≠cula consistente con el bos√≥n de Higgs, una parte integral de un mecanismo de Higgs.

La f√≠sica nuclear es el campo de la f√≠sica que estudia los constituyentes e interacciones de los n√ļcleos at√≥micos. Las aplicaciones m√°s com√ļnmente conocidas de la f√≠sica nuclear son la generaci√≥n de energ√≠a nuclear y la tecnolog√≠a de armas nucleares, pero la investigaci√≥n ha proporcionado aplicaciones en muchos campos, incluidos los de medicina nuclear y resonancia magn√©tica, implantaci√≥n de iones en ingenier√≠a de materiales y dataci√≥n por radiocarbono en geolog√≠a y arqueolog√≠a..

La F√≠sica At√≥mica, Molecular y √ďptica

La física atómica, molecular y óptica (AMO) es el estudio de la materia, la materia y la luz, las interacciones materiales 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 f√≠sica at√≥mica estudia las capas electr√≥nicas de los √°tomos. La investigaci√≥n actual se centra en actividades de control cu√°ntico, enfriamiento y captura de √°tomos e iones, ¬†din√°mica de colisi√≥n a baja temperatura y los efectos de la correlaci√≥n de electrones en la estructura y la din√°mica. La f√≠sica at√≥mica est√° influenciada por el n√ļcleo (v√©ase, por ejemplo, la divisi√≥n hiperfina ), pero los fen√≥menos intranucleares como la fisi√≥n y la fusi√≥n se consideran parte de la f√≠sica 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.

La Física de la Materia Condensada

La f√≠sica de la materia condensada es el campo de la f√≠sica que se ocupa de las propiedades f√≠sicas macrosc√≥picas de la materia. En particular, se refiere a las fases "condensadas" que aparecen siempre que el n√ļmero de part√≠culas 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  encontrado en ciertos sistemas atómicos a muy baja temperatura, la fase superconductora exhibida por electrones de conducción en ciertos materiales, y la ferromagnética y fases antiferromagnéticas de espines encelosías atómicas. 

La f√≠sica de la materia condensada es el campo m√°s grande de la f√≠sica contempor√°nea. Hist√≥ricamente, la f√≠sica de la materia condensada surgi√≥ de la f√≠sica del estado s√≥lido, que ahora se considera uno de sus principales subcampos. El t√©rmino condensado f√≠sica de la materia aparentemente fue acu√Īada por Philip Anderson cuando renombr√≥ su investigaci√≥n previamente grupo de la teor√≠a de estado s√≥lido -en 1967. En 1978, la Divisi√≥n de F√≠sica del Estado S√≥lido de la Sociedad Americana de F√≠sica fue renombrada como la Divisi√≥n de F√≠sica de la Materia Condensada. La f√≠sica de la materia condensada tiene una gran superposici√≥n con la qu√≠mica, la ciencia de materiales,nanotecnolog√≠a e ingenier√≠a.¬†

La Astrofísica en la Física

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 se√Īales de radio eran emitidas por cuerpos celestes inici√≥ la ciencia de la radioastronom√≠a. M√°s recientemente, las fronteras de la astronom√≠a se han expandido mediante la exploraci√≥n espacial. Las perturbaciones y la interferencia de la atm√≥sfera de la tierra hacen observaciones basadas en el espacio necesario para la infrarroja, ultravioleta, gamma-ray, y la astronom√≠a de rayos X.

La cosmolog√≠a f√≠sica es el estudio de la formaci√≥n y evoluci√≥n del universo en sus escalas m√°s grandes. La teor√≠a de la relatividad de Albert Einstein desempe√Īa un papel central en todas las teor√≠as cosmol√≥gicas modernas. A principios del siglo XX, el descubrimiento del Hubble de que el universo se est√° expandiendo, como lo muestra el diagrama de Hubble, provoc√≥ explicaciones rivales conocidas como el universo de estado estable y el Big Bang.

El Big Bang fue confirmado por el √©xito de la nucleos√≠ntesis del Big Bang y el descubrimiento del fondo de microondas c√≥smico en 1964. El modelo del Big Bang se basa en dos pilares te√≥ricos: la relatividad general de Albert Einstein y el principio cosmol√≥gico. Los cosm√≥logos han establecido recientemente el modelo őõCDM de la evoluci√≥n del universo, que incluye la inflaci√≥n c√≥smica, la energ√≠a oscura y la materia oscura.

Se prev√© que surgir√°n numerosas posibilidades y descubrimientos a partir de los nuevos datos del Telescopio Espacial de rayos gamma de Fermi durante la pr√≥xima d√©cada y revisar√° o clarificar√° 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 pr√≥ximos a√Īos. Fermi buscar√° evidencia de que la materia oscura est√° compuesta de part√≠culas masivas que interact√ļan d√©bilmente, complementando experimentos similares con el Gran Colisionador de Hadrones y otros detectores subterr√°neos.

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 en la Física

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 apuntan a 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. Investigación sobre la naturaleza de los principales misterios de la materia oscura yla energía oscura también está actualmente en curso. 

Los intentos te√≥ricos de unificar la mec√°nica cu√°ntica y la relatividad general en una sola teor√≠a de la gravedad cu√°ntica, un programa en marcha durante m√°s de medio siglo, a√ļn no se han resuelto de manera decisiva. Los principales candidatos actuales son la teor√≠a M, la teor√≠a de supercuerdas y la gravedad cu√°ntica de bucles.

Muchos fen√≥menos astron√≥micos y cosmol√≥gicos a√ļn no se han explicado satisfactoriamente, incluido el origen de los rayos c√≥smicos de energ√≠a ultra alta, la asimetr√≠a del bari√≥n, la aceleraci√≥n del universo y las tasas de rotaci√≥n an√≥mala de las galaxias.

Aunque se ha avanzado mucho en la f√≠sica de alta energ√≠a, cu√°ntica y astron√≥mica, muchos fen√≥menos cotidianos que involucran complejidad, caos, o turbulencia ¬†a√ļn son poco conocidos. Los problemas complejos que parecen que podr√≠an resolverse mediante una aplicaci√≥n inteligente de din√°mica y mec√°nica siguen sin resolverse; los ejemplos incluyen la formaci√≥n de pilas de arena, nodos en el agua que gotea, la forma de las gotas de agua, los mecanismos de cat√°strofes de tensi√≥n superficial y la auto clasificaci√≥n en colecciones heterog√©neas 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 formas nuevas. 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: 

Ahora soy un anciano, y cuando muero e voy al cielo, hay dos asuntos sobre los cuales espero la iluminación. Uno es la electrodinámica cuántica, y el otro es el movimiento turbulento de los fluidos. Y sobre el primero, soy bastante optimista.

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Terminamos

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