LA FISICA ¿QUÉ ES? Y CADA UNA DE LAS RAMAS DE LA FISICA

LA FISICA ¿QUÉ ES? Y CADA UNA DE LAS RAMAS DE LA FISICA

Entendiendo que la fisica es parte nada despreciable y por el contrario fundamental en cada momento de nuestras vidas, vamos a dar un concepto de la fisica, su historia origen y ramas de acuerdo con lo que mencionan y definen la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, la Universidad de Columbia y la reconocida Academia Khan.

QUE ES LA FISICA?

Según la Universidad Noruega, la física es una ciencia natural basada en experimentos, mediciones y análisis matemáticos con el propósito de encontrar leyes físicas y cuantitativas para todo, desde el emergente nanomundo del microcosmos hasta los grandioso planetas, sistemas solares y galaxias que ocupan el macrocosmos.

Las leyes de la naturaleza se pueden usar para predecir el comportamiento del mundo y todo tipo de maquinaria. Muchos de los inventos tecnológicos cotidianos que hoy damos por descontados son el resultado de descubrimientos en física. Si bien es cierto que las leyes básicas en la física son universales, la física en nuestros tiempos es un campo tan vasto que muchos subcampos son casi considerados como ciencias separadas.

Los primeros griegos establecieron las primeras leyes físicas cuantitativas, como las descripciones de Arquímedes sobre el principio de las palancas y la flotabilidad de los cuerpos en el agua pero en realidad no llevaron a cabo experimentos y la física como ciencia se estancó durante muchos siglos.

Aún así, en el siglo XVII, Galileo Galilei en conjunto con el apoyo posterior de Isaac Newton ayudaron a utilizar las matemáticas como una herramienta fundamental en la física, lo que llevó a avances en la descripción del movimiento de los cuerpos celestes, así como también a descubrir y conocer las leyes de la gravedad en donde emergen del anonimato las tres leyes del movimiento.

Sólo como por tener en el radar, las leyes de la electricidad, el magnetismo y las ondas electromecánicas fueron desarrolladas en la década de 1800 por Faraday y Maxwell, mientras que muchas otras contribuyeron a nuestra comprensión de la óptica y la termodinámica.

Se puede decir que la física moderna comenzó a finales del siglo XX, con el descubrimiento de los rayos X (por Röntgen en 1895), la radioactividad (por Becquerel en 1896), la hipótesis cuántica (por Planck en 1900), la relatividad (por Einstein en 1905) y la teoría atómica (por Bohr en 1913).

La mecánica cuántica (atribuida a Heisenberg y Schrödinger), que inició en 1926 también dio a los científicos una mejor comprensión de la química y la física del estado sólido, lo que a su vez ha conducido a nuevos materiales y mejores componentes electrónicos y ópticos.

Finalmente, la física de partículas nucleares y elementales se han convertido en campos importantes y la física de partículas es ahora la base de la astrofísica y la cosmología.

Ahora bien, la Universidad de Columbia define, o mejor describe, a la física como aquello que es a menudo como el estudio de la materia y la energía. Se trata de cómo la materia y la energía se relacionan entre sí y cómo se afectan mutuamente a través del tiempo y del espacio.

Los físicos se hacen las preguntas fundamentales: ¿cómo comenzó el universo? ¿Cómo y de qué está hecho? ¿Cómo cambia? ¿Qué reglas gobiernan su comportamiento?

Los físicos pueden dividirse aproximadamente en dos campos: físicos experimentales y físicos teóricos.

Los físicos experimentales diseñan y realizan investigaciones cuidadosas sobre una amplia gama de fenómenos en la naturaleza, a menudo en condiciones atípicas de nuestra vida cotidiana. Pueden, por ejemplo, investigar qué sucede con las propiedades eléctricas de los materiales a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-460 ° F; -273 ° C) o medir las características de la energía emitida por los gases muy calientes.

Los físicos teóricos proponen y desarrollan modelos y teorías para explicar matemáticamente los resultados de las observaciones experimentales. De ahí que es por ello que el experimento y la teoría tienen una gran superposición.

En consecuencia, los físicos experimentales siguen siendo muy conscientes del trabajo teórico actual en sus campos, mientras que los físicos teóricos deben conocer los resultados de los experimentadores y el contexto en el que los resultados deben ser interpretados.

La física clásica tiene su origen hace aproximadamente cuatrocientos años en los estudios de mecánica de Galileo y Newton  y de manera similar en el trabajo de Ampere, Faraday, Maxwell y Oersted hace poco más de 150 años en los campos de la electricidad y el magnetismo. Esta física maneja objetos que no son ni demasiado grandes ni demasiado pequeños, que se mueven a velocidades relativamente bajas (al menos en comparación con la velocidad de la luz: 186,282 millas / segundo o 299,792 kilómetros / segundo).

La aparición de la física moderna a principios del siglo XX estuvo marcada por tres logros:

El primero, en 1905, fue el brillante modelo de luz de Einstein como una corriente de partículas (fotones).

El segundo, que siguió unos meses más tarde, fue su revolucionaria teoría de la relatividad que describía objetos que se movían a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.

El tercer avance se produjo en 1910 con el descubrimiento de Rutherford del núcleo del átomo. El trabajo de Rutherford fue seguido por el modelo del átomo de Bohr , que a su vez estimuló el trabajo de De Broglie, Heisenberg, Schroedinger, Born, Pauli, Dirac y otros en la teoría cuántica. La avalancha de descubrimientos emocionantes en la física moderna continúa hoy.

Dadas estas distinciones dentro del campo de la física (experimental y teórica, clásica y moderna) es útil subdividir aún más la física en varias disciplinas, que incluyen a la astrofísica, la física atómica y la física molecular, la biofísica, la física de estado sólido, física óptica y láser, los fluidos y plasma física, la física nuclear y la física de partículas.

Para finalizar a continuación se resalta lo que menciona Khan Academy:

Es realmente difícil definir exactamente qué es la fisica. Por un lado, la física sigue cambiando a medida que progresamos y hacemos nuevos descubrimientos. Las nuevas teorías no solo traen nuevas respuestas. También crean nuevas preguntas que podrían no tener ningún sentido cuando se ven desde dentro de la teoría de la física anterior. Esto hace que la física sea emocionante e interesante, pero también fuerza los intentos por definir la física en generalizaciones sobre lo que ha sido la física en lugar de lo que podría ser en algún momento en el futuro.

De acuerdo con lo anterior, las definiciones son útiles. Entonces, si es una definición que quieres, es una definición que obtendrás. En su mayor parte, los físicos están tratando de hacer lo siguiente:


Defina con precisión las cantidades mensurables más fundamentales en el universo (por ejemplo: la Velocidad, el Campo Eléctrico, la Energía Cinética). El esfuerzo por encontrar la descripción más fundamental del universo es una búsqueda que, históricamente, siempre ha sido una gran parte de la física.

Encuentra relaciones entre esas cantidades medidas fundamentales (por ejemplo las Leyes de Newton, la Conservación de la Energía, la Relatividad Especial). Estos patrones y correlaciones se expresan usando palabras, ecuaciones, gráficos, diagramas, modelos y cualquier otro medio que nos permita expresar una relación de una manera que nosotros, como seres humanos, podemos comprender y usar mejor.

Así que, entonces, reducir la física a solo dos cosas es, sin dudas, una gran simplificación y pasa por alto algunos de los puntos más sutiles de lo que hacen los físicos y cómo lo hacen. Pero tratar de describir un universo complejo con leyes esclarecedoras simples y útiles es de lo que se trata la física. Entonces, tal vez tratar de describir la actividad compleja de lo que hacen los físicos con una definición simple y esclarecedora no es tan mala idea después de todo.

Physikḗ (epistḗmē), literalmente "conocimiento de la naturaleza", de φύσις phýsis "naturaleza") es la ciencia natural que estudia la materia y su movimiento y comportamiento a través del espacio y el tiempo y que estudia las entidades relacionadas de energía y fuerza. Así pues, la física es una de las disciplinas científicas más fundamentales, y su objetivo principal es comprender cómo el universo se comporta.

La física es una de las disciplinas académicas más antiguas y, a través de su inclusión de la astronomía, quizás la más antigua. Durante los últimos dos milenios, la física, la química, la biología y ciertas ramas de las matemáticas formaron parte de la filosofía natural, pero durante la revolución científica en el siglo XVII, estas ciencias naturales surgieron como proyectos de investigación únicos por derecho propio. [b] 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 rígidamente definidos. Las nuevas ideas en física a menudo explican los mecanismos fundamentales estudiados por otras ciencias  y sugieren nuevas avenidas de investigación en disciplinas académicas como las matemáticas y la filosofía.

Los avances en 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. 

Según Asger Aaboe, los orígenes de la astronomía occidental se pueden encontrar en Mesopotamia, y todos los esfuerzos occidentales en las ciencias exactas descienden de la astronomía babilónica tardía. Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que muestran el conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, mientras que el poeta griego Homero escribió sobre varios objetos celestes en su Ilíada y Odisea; más tarde, los astrónomos griegos proporcionaron nombres, que todavía se usan hoy en día, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte. 

La Filosofía Natural

La filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante el período arcaico (650 aC - 480 aC), cuando filósofos presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones no naturalistas de los fenómenos naturales y proclamaron que cada evento tenía una causa natural. Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas de sus hipótesis demostraron ser exitosas en el experimento;  por ejemplo, se encontró que el atomismo era correcto aproximadamente 2000 años después de que Leucippus y su alumno Demócrito lo propusieran por primera vez.

La Física en el Mundo Medieval Europeo e Islámico

Debido al período de la migración del Imperio Romano de Occidente cayó, y por lo tanto una disminución en el nivel intelectual encontró lugar en la parte occidental de Europa en los años 400. En contraste, el Imperio Romano de Oriente (también conocido como el Imperio Bizantino ) resistió los ataques de los bárbaros, y conservó y mejoró el aprendizaje incluyendo la física. 

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 enseñanzas de física de Aristóteles y señalar sus defectos. Él introdujo la teoría del ímpetu. La física de Aristóteles no fue examinada hasta que apareció John Philoponus y, a diferencia de Aristóteles, que basó su física en argumentos verbales, Philoponus se basó en la observación. En la física de Aristóteles, John Philoponus escribió:

Pero esto es completamente erróneo, y nuestra visión puede ser corroborada por la observación real de manera más efectiva que por cualquier tipo de argumento verbal. Porque si dejas caer desde la misma altura dos pesos de los cuales uno es muchas veces más pesado que el otro, verás que la relación de los tiempos requeridos para el movimiento no depende de la relación de los pesos, sino que la diferencia en el tiempo es muy pequeño. Y entonces, si la diferencia en los pesos no es considerable, es decir, de uno es, digamos, el doble del otro, no habrá diferencia, o una diferencia imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso es por no significa insignificante, con un cuerpo que pesa el doble que el otro.

La crítica de John Philoponus a los principios aristotélicos de la física sirvió de inspiración para Galileo Galilei diez siglos más tarde cuando Galileo citó a Filoponus sustancialmente en sus obras cuando Galileo también argumentó por qué la física aristotélica era defectuosa durante la Revolución científica. En el año 1300, Jean Buridan, profesor de la facultad de artes de la Universidad de París, desarrolló el concepto de ímpetu. Fue el primer paso hacia las ideas modernas de inercia e impulso. 

La erudición islámica heredó la física aristotélica de los griegos y durante la Edad de oro islámica la desarrolló aún más, haciendo especial hincapié en la observación y el razonamiento a priori, desarrollando las primeras formas del método científico.

Las innovaciones más notables se encuentran en el campo de la óptica y la visión, que provienen de los trabajos de muchos científicos como Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi y Avicenna. La obra más notable fue The Book of Optics (también conocido como Kitāb al-Manāẓir), escrita por Ibn al-Haytham, en la que no solo fue el primero en refutar la antigua idea griega sobre la visión, sino que también ideó una nueva teoría. En el libro, también fue el primero en estudiar el fenómeno de la cámara oscura (su versión milenaria de la cámara estenopeica) y profundizar en la forma en que funciona el ojo mismo. Usando disecciones y el conocimiento de eruditos previos, pudo comenzar a explicar cómo la luz entra al ojo. Afirmó que el rayo de luz está enfocado, pero la explicación real de cómo la luz proyectada en la parte posterior del ojo tuvo que esperar hasta 1604. Su Treatise on Light explicó la primera cámara oscura del mundo, cientos de años antes del desarrollo moderno de la fotografía. 

El Dibujo de Ibn Al-Haytham (Alhazen)

El Libro de Óptica de siete volúmenes ( Kitab al-Manathir ) influyó enormemente en el pensamiento sobre disciplinas desde la teoría de la percepción visual hasta la naturaleza de la perspectiva en el arte medieval, tanto en Oriente como en Occidente, durante más de 600 años. Muchos eruditos europeos posteriores y colegas polimatosos, desde Robert Grosseteste y Leonardo da Vinci hasta René Descartes, Johannes Kepler e Isaac Newton, estaban en deuda con él. De hecho, la influencia de la Óptica de Ibn al-Haytham se corresponde con la obra de Newton del mismo título, publicada 700 años después.

La traducción de El Libro de la Óptica tuvo un gran impacto en Europa. A partir de ella, los eruditos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que replicaban aquellos que Ibn al-Haytham había construido, y comprender cómo funciona la luz. A partir de esto, se desarrollaron cosas tan importantes como anteojos, lentes de aumento, telescopios y cámaras.

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 termodinámica, química y electromagnética fue el resultado de mayores esfuerzos de investigación durante la Revolución Industrial a medida que las necesidades de energía aumentaron. Las leyes que comprenden la física clásica siguen siendo muy utilizadas para objetos en escalas cotidianas que viajan a velocidades no relativistas, ya que proporcionan una aproximación muy cercana en tales situaciones, y teorías como la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad simplifican a su 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.

La Física Moderna

La física moderna comenzó a principios del siglo XX con el trabajo de Max Planck en la teoría cuántica y la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Ambas teorías surgieron debido a inexactitudes en la mecánica clásica en ciertas situaciones. La mecánica clásica predijo una velocidad variable de la luz, que no podía resolverse con la velocidad constante predicha por las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell; esta discrepancia fue corregida por la teoría de la relatividad especial de Einstein, que reemplazó la mecánica clásica para cuerpos de movimiento rápido y permitió una velocidad de luz constante. Radiación del cuerpo negro proporcionó otro problema para la física clásica, que se corrigió cuando Planck propuso que la excitación de los osciladores materiales es posible solo 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 electrones, condujo a la teoría de la mecánica cuántica reemplazando a la física clásica a escalas muy pequeñas. 

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 físicos han escrito sobre las implicaciones filosóficas de su trabajo, por ejemplo, Laplace, que defendió el determinismo causal, y Erwin Schrödinger, que escribió sobre mecánica cuántica. El físico matemático Roger Penrose ha sido llamado platonista por Stephen Hawking, una opinión que Penrose discute en su libro, El camino hacia la realidad. Hawking se refiere a sí mismo como un "reduccionista sin vergüenza" 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 física clásica incluye las ramas tradicionales y temas que fueron reconocidos y bien desarrollados antes del comienzo del siglo XX: mecánica clásica, acústica, óptica, termodinámica y electromagnetismo. La mecánica clásica se ocupa de los cuerpos en los que actúan fuerzas y cuerpos en movimiento y puede dividirse en estática (estudio de las fuerzas en un cuerpo o cuerpos no sujetos a aceleración), cinemática (estudio del movimiento sin tener en cuenta sus causas) y dinámica(estudio del movimiento y las fuerzas que lo afectan); la mecánica también se puede dividir en mecánicas sólidas y mecánica de fluidos (conocidas juntas como mecánica continua ), estas últimas incluyen ramas tales como hidrostática, hidrodinámica, aerodinámica y neumática. La acústica es el estudio de cómo se produce, controla, transmite y recibe el sonido. Las ramas modernas importantes de la acústica incluyen ultrasonidos, el estudio de ondas de sonido de muy alta frecuencia más allá del alcance del oído humano; bioacústica, la física de las llamadas y la audición de los animales, y la electroacústica, la manipulación de ondas de sonido audibles mediante la electrónica. 

La óptica, el estudio de la luz, se ocupa no solo de la luz visible sino también de la radiación infrarroja y ultravioleta, que exhibe todos los fenómenos de luz visible excepto la visibilidad, por ejemplo, reflexión, refracción, interferencia, difracción, dispersión y polarización de la luz. El calor es una forma de energía, la energía interna que poseen las partículas de las que se compone una sustancia; La termodinámica se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. Electricidad y magnetismose han estudiado como una rama única de la física ya que la conexión íntima entre ellos se descubrió a principios del siglo XIX; una corriente eléctrica da lugar a un campo magnético, y un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. La electrostática trata con cargas eléctricas en reposo, electrodinámica con cargas en movimiento y magnetostáticas con polos magnéticos en reposo.

La Física Moderna

La física clásica generalmente se ocupa de la materia y la energía en la escala normal de observación, mientras que gran parte de la física moderna se ocupa del comportamiento de la materia y la energía en condiciones extremas o en una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo, los estudios de física atómica y nuclear importan en la escala más pequeña a la que se pueden identificar los elementos químicos. La física de las partículas elementales 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 extremadamente altas energías necesarias para producir muchos tipos de partículas en los aceleradores de partículas. En esta escala, las nociones de sentido común ordinarias de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas. 

Las dos principales teorías de la física moderna presentan una imagen diferente de los conceptos de espacio, tiempo y materia de los presentados por la física clásica. La mecánica clásica aproxima la naturaleza como continua, mientras que la teoría cuántica se ocupa de la naturaleza discreta de muchos fenómenos a nivel atómico y subatómico y con los aspectos complementarios de partículas y ondas en la descripción de tales fenómenos. La teoría de la relatividad se 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 física pretende descubrir leyes universales, sus teorías se encuentran en dominios explícitos de aplicabilidad. En términos generales, las leyes de la física clásica describen con precisión los sistemas cuyas escalas de longitud importantes son mayores que la escala atómica y cuyos movimientos son mucho más lentos que la velocidad de la luz. Fuera de este dominio, las observaciones no coinciden con las predicciones proporcionadas por la mecánica clásica. Albert Einstein contribuyó con el marco de la relatividad especial, que reemplazó las nociones de tiempo y espacio absolutos con el espacio -tiempo y permitió una descripción precisa de los sistemas cuyos componentes tienen velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Max Planck, Erwin Schrödingery otros introdujeron la mecánica cuántica, una noción probabilística de partículas e interacciones que permitía una descripción precisa de las escalas atómicas y subatómicas. Más tarde, la teoría cuántica de campos unificó la mecánica cuántica y la relatividad especial. La relatividad general permitió un espacio-tiempo dinámico y curvado, con el cual los sistemas altamente masivos y la estructura a gran escala del universo pueden ser bien descritos. La relatividad general aún no se ha unificado con otras descripciones fundamentales; varias teorías candidatas de la gravedad cuántica se están desarrollando.

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 ontología es un requisito previo para la física, pero no para las matemáticas. Significa que la física está en última instancia relacionada con las descripciones del mundo real, mientras que las matemáticas se ocupan de los patrones abstractos, incluso más allá del mundo real. Por lo tanto, los enunciados de física son sintéticos, mientras que los enunciados matemáticos son analíticos. Las matemáticas contienen hipótesis, mientras que la física contiene teorías. Los enunciados matemáticos tienen que ser lógicamente verdaderos, mientras que las predicciones de los enunciados físicos deben coincidir con los datos observados y experimentales.

La distinción es clara, pero no siempre obvia. Por ejemplo, la física matemática es la aplicación de las matemáticas en física. Sus métodos son matemáticos, pero su tema es físico. Los problemas en este campo comienzan con un " modelo matemático de una situación física " (sistema) y una "descripción matemática de una ley física" que se aplicará a ese sistema. Cada enunciado matemático utilizado para resolver tiene un significado físico difícil de encontrar. La solución matemática final tiene un significado más fácil de encontrar, porque es lo que el solucionador está buscando. 

La física es una rama de la ciencia fundamental, no de la ciencia práctica. La física también se llama "la ciencia fundamental" porque el sujeto de estudio de todas las ramas de las ciencias naturales como la química, la astronomía, la geología y la biología están limitadas por leyes de la física, similar a la química a menudo llamada ciencia central 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 física aplicada es un término general para la investigación de la física que está destinado a un uso particular. Un plan de estudios de física aplicada generalmente contiene algunas clases en una disciplina aplicada, como geología o ingeniería eléctrica. Por lo general, difiere de la ingeniería en que un físico aplicado puede no estar diseñando algo en particular, sino que está usando física o realizando investigación física con el objetivo de desarrollar nuevas tecnologías o resolver un problema.

El enfoque es similar al de las matemáticas aplicadas. Los físicos aplicados usan la física en la investigación científica. Por ejemplo, las personas que trabajan en la física de aceleradores pueden buscar construir mejores detectores de partículas para la investigación en física teórica.

La física se usa mucho en ingeniería. Por ejemplo, la estática, un subcampo de la mecánica, se usa en la construcción de puentes y otras estructuras estáticas. La comprensión y el uso de la acústica da como resultado un control de sonido y mejores salas de conciertos; de manera similar, el uso de la óptica crea mejores dispositivos ópticos. La comprensión de la física hace que los simuladores de vuelo, los videojuegos y las películas sean más realistas, y a menudo es fundamental en las investigaciones forenses.

Con el consenso estándar de que las leyes de la física son universales y no cambian con el tiempo, la física se puede utilizar para estudiar cosas que normalmente estarían sumidas en la incertidumbre. Por ejemplo, en el estudio del origen de la tierra, uno puede modelar razonablemente la masa, la temperatura y la velocidad de rotación de la Tierra, como una función del tiempo que permite extrapolar hacia adelante o hacia atrás en el tiempo y así predecir eventos futuros o anteriores. También permite simulaciones en ingeniería que aceleran drásticamente el desarrollo de una nueva tecnología.

Pero también existe una considerable interdisciplinariedad en los métodos del físico, por lo que muchos otros campos importantes están influenciados por la física (por ejemplo, los campos de la econofísica y la socio-física).

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 teóricos buscan desarrollar modelos matemáticos que concuerden con los experimentos existentes y predecir con éxito los resultados experimentales futuros, mientras que los experimentadores diseñan y realizan experimentos para evaluar predicciones teóricas y explorar nuevos fenómenos. Aunque la teoría y el experimento se desarrollan por separado, dependen fuertemente el uno del otro. El progreso en la física ocurre con frecuencia cuando los experimentadores hacen un descubrimiento que las teorías existentes no pueden explicar, o cuando las nuevas teorías generan predicciones experimentalmente comprobables, que inspiran nuevos experimentos. 

Los físicos que trabajan en la interacción de la teoría y la experimentación se llaman fenomenólogos, que estudian fenómenos complejos observados en experimentos y trabajan para relacionarlos con una teoría fundamental. 

La física teórica se ha inspirado históricamente en la filosofía; el electromagnetismo se unificó de esta manera. [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 física experimental se expande, y se expande por ingeniería y tecnología. Físicos experimentales involucrados en el diseño de investigación básica y realizan experimentos con equipos tales como aceleradores de partículas y láser, mientras que aquellos involucrados en la investigación aplicada a menudo trabajan en la industria desarrollando tecnologías como la resonancia magnética (MRI) y transistores. Feynman ha observado que los experimentadores pueden buscar áreas que los teóricos no exploran bien. 

El Alcance y los Objetivos de la Física

La física abarca una amplia gama de fenómenos, desde partículas elementales (como quarks, neutrinos y electrones) hasta los supercúmulos más grandes de galaxias. Incluidos en estos fenómenos están los objetos más básicos que componen todas las otras cosas. Por lo tanto, la física a veces se llama la " ciencia fundamental ". La física tiene como objetivo describir los diversos fenómenos que ocurren en la naturaleza en términos de fenómenos más simples. Por lo tanto, la física tiene como objetivo conectar las cosas observables a los seres humanos a las causas de raíz, y luego conectar estas causas juntas.

Por ejemplo, los antiguos chinos observaron que ciertas rocas ( magnetita y magnetita ) se atraían entre sí por una fuerza invisible. Este efecto se llamó más tarde magnetismo, que se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII. Pero incluso antes de que los chinos descubrieran el magnetismo, los antiguos griegos conocían otros objetos, como el ámbar, que cuando se frotaban con el pelaje causaban una atracción invisible similar entre los dos. Esto también se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII y pasó a llamarse electricidad. Por lo tanto, la física llegó a comprender dos observaciones de la naturaleza en términos de alguna causa raíz (electricidad y magnetismo). Sin embargo, otros trabajos en el siglo XIX revelaron que estas dos fuerzas eran solo dos aspectos diferentes de una fuerza: el electromagnetismo. Este proceso de fuerzas "unificadoras" continúa hoy, y el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil ahora se consideran dos aspectos de la interacción electrodébil. La física espera encontrar una razón fundamental ( Teoría de todo ) para saber por qué la naturaleza es como es (ver la investigación actual a continuación para obtener más información). 

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 física se han vuelto cada vez más especializados, y hoy la mayoría de los físicos trabajan en un solo campo para sus carreras. Los "universalistas" como Albert Einstein (1879-1955) y Lev Landau (1908-1968), que trabajaron en múltiples campos de la física, son ahora muy raros. [F]

La Física Nuclear y de Partículas

La física de partículas es el estudio de los constituyentes elementales de la materia y la energía y las interacciones entre ellos. Además, los físicos de partículas diseñan y desarrollan aceleradores de alta energía, detectores, y programas de computadora  necesarios para esta investigación. El campo también se denomina "física de alta energía" porque muchas partículas elementales no se producen de forma natural, sino que se crean solo durante las colisiones de alta energía de otras partículas. 

Actualmente, las interacciones de las partículas elementales y los campos están descritas por el Modelo Estándar. El modelo da cuenta de las 12 partículas conocidas de materia ( quarks y leptones ) que interactúan a través de las fuerzas fundamentales fuertes, débiles y electromagnéticas. Las dinámicas se describen en términos de partículas de materia que intercambian bosones gauge ( gluones, bosones W y Z, y fotones, respectivamente). El modelo estándar también predice una partícula conocida como laBosón de Higgs. En julio de 2012, el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, anunció la detección de una partícula consistente con el bosón de Higgs, una parte integral de un mecanismo de Higgs.

La física nuclear es el campo de la física que estudia los constituyentes e interacciones de los núcleos atómicos. Las aplicaciones más comúnmente conocidas de la física nuclear son la generación de energía nuclear y la tecnología de armas nucleares, pero la investigación ha proporcionado aplicaciones en muchos campos, incluidos los de medicina nuclear y resonancia magnética, implantación de iones en ingeniería de materiales y datación por radiocarbono en geología y arqueología..

La Física Atómica, Molecular y Óptica

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 física atómica estudia las capas electrónicas de los átomos. La investigación actual se centra en actividades de control cuántico, enfriamiento y captura de átomos e iones,  dinámica de colisión a baja temperatura y los efectos de la correlación de electrones en la estructura y la dinámica. La física atómica está influenciada por el núcleo (véase, por ejemplo, la división hiperfina ), pero los fenómenos intranucleares como la fisión y la fusión se consideran parte de la física nuclear.

La física molecular se enfoca en estructuras multi-atómicas y sus interacciones internas y externas con la materia y la luz. La física óptica se distingue de la óptica en que tiende a centrarse no en el control de campos de luz clásicos mediante objetos macroscópicos, sino en las propiedades fundamentales de los campos ópticos y sus interacciones con la materia en el ámbito microscópico.

La Física de la Materia Condensada

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

Los ejemplos más familiares de fases condensadas son sólidos y líquidos, que surgen del enlace por medio de la fuerza electromagnética entre átomos. Las fases condensadas más exóticas incluyen el superfluido  y el condensado de Bose-Einstein  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 física de la materia condensada es el campo más grande de la física contemporánea. Históricamente, la física de la materia condensada surgió de la física del estado sólido, que ahora se considera uno de sus principales subcampos. El término condensado física de la materia aparentemente fue acuñada por Philip Anderson cuando renombró su investigación previamente grupo de la teoría de estado sólido -en 1967. En 1978, la División de Física del Estado Sólido de la Sociedad Americana de Física fue renombrada como la División de Física de la Materia Condensada. La física de la materia condensada tiene una gran superposición con la química, la ciencia de materiales,nanotecnología e ingeniería. 

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 señales de radio eran emitidas por cuerpos celestes inició la ciencia de la radioastronomía. Más recientemente, las fronteras de la astronomía se han expandido mediante la exploración espacial. Las perturbaciones y la interferencia de la atmósfera de la tierra hacen observaciones basadas en el espacio necesario para la 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 desempeña un papel central en todas las teorías cosmológicas modernas. A principios del siglo XX, el descubrimiento del Hubble de que el universo se está expandiendo, como lo muestra el diagrama de Hubble, provocó explicaciones rivales conocidas como el universo de estado estable y el Big Bang.

El Big Bang fue confirmado por el éxito de la nucleosíntesis del Big Bang y el descubrimiento del fondo de microondas cósmico en 1964. El modelo del Big Bang se basa en dos pilares teóricos: la relatividad general de Albert Einstein y el principio cosmológico. Los cosmólogos han establecido recientemente el modelo ΛCDM de la evolución del universo, que incluye la inflación cósmica, la energía oscura y la materia oscura.

Se prevé que surgirán numerosas posibilidades y descubrimientos a partir de los nuevos datos del Telescopio Espacial de rayos gamma de Fermi durante la próxima década y revisará o clarificará en gran medida los modelos existentes del universo. En particular, el potencial de un gran descubrimiento en torno a la materia oscura es posible en los próximos años. Fermi buscará evidencia de que la materia oscura está compuesta de partículas masivas que interactúan débilmente, complementando experimentos similares con el Gran Colisionador de Hadrones y otros detectores subterráneos.

IBEX ya está generando nuevos descubrimientos astrofísicos : "Nadie sabe qué está creando la cinta ENA (átomos neutros energéticos) a lo largo del choque de terminación del viento solar ", pero todos están de acuerdo en que significa la imagen de libro de texto de la heliosfera en la que El bolsillo envolvente del Sistema Solar lleno de partículas cargadas del viento solar está atravesando el "viento galáctico" del medio interestelar en forma de cometa, es incorrecto ". 

La Investigación Actual 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 teóricos de unificar la mecánica cuántica y la relatividad general en una sola teoría de la gravedad cuántica, un programa en marcha durante más de medio siglo, aún no se han resuelto de manera decisiva. Los principales candidatos actuales son la teoría M, la teoría de supercuerdas y la gravedad cuántica de bucles.

Muchos fenómenos astronómicos y cosmológicos aún no se han explicado satisfactoriamente, incluido el origen de los rayos cósmicos de energía ultra alta, la asimetría del barión, la aceleración del universo y las tasas de rotación anómala de las galaxias.

Aunque se ha avanzado mucho en la física de alta energía, cuántica y astronómica, muchos fenómenos cotidianos que involucran complejidad, caos, o turbulencia  aún son poco conocidos. Los problemas complejos que parecen que podrían resolverse mediante una aplicación inteligente de dinámica y mecánica siguen sin resolverse; los ejemplos incluyen la formación de pilas de arena, nodos en el agua que gotea, la forma de las gotas de agua, los mecanismos de catástrofes de tensión superficial y la auto clasificación en colecciones heterogéneas sacudidas. 

Estos fenómenos complejos han recibido una atención creciente desde la década de 1970 por varias razones, incluida la disponibilidad de modernos métodos matemáticos y computadoras, que permitieron modelar sistemas complejos de 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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