Física: ciencia de la materia, la energía y las leyes del universo

Astronomía antigua

La astronomía es la ciencia natural más antigua. Los sumerios y los antiguos egipcios estudiaban las estrellas, sobre todo con vistas a la predicción y la religión. Los primeros mapas estelares babilónicos datan de alrededor del año 1200 a.C. Que los acontecimientos astronómicos son periódicos también se remonta a los babilonios. Su comprensión no era científica, pero sus observaciones influyeron en la astronomía posterior. Gran parte de la astronomía procede de Mesopotamia, Babilonia, el antiguo Egipto y la antigua Grecia. Los astrónomos de Egipto construyeron monumentos que mostraban cómo se movían los objetos en el cielo, y la mayoría de los nombres de las constelaciones del hemisferio norte proceden de los astrónomos griegos.

Filosofía natural

La filosofía natural comenzó en Grecia alrededor del año 650 a.C. cuando un movimiento de filósofos sustituyó la superstición por el naturalismo, que refutaba lo espiritual. Leucipo y su alumno Demócrito sugirieron la idea del átomo alrededor de este período.

La física en el mundo islámico medieval

Los eruditos islámicos continuaron estudiando la física aristotélica durante la Edad de Oro islámica. Una de las principales contribuciones fue la astronomía observacional. Algunos, como Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi y Avicena, trabajaron en la óptica y la visión. En El libro de la óptica, Ibn al-Haytham rechazó las ideas griegas anteriores sobre la visión y propuso una nueva teoría. Estudió cómo entra la luz en el ojo y desarrolló la cámara oscura. Los científicos europeos construyeron posteriormente gafas, lupas, telescopios y cámaras a partir de este libro.

Física clásica

La física se convirtió en un campo de estudio independiente tras la revolución científica. Los experimentos de Galileo contribuyeron a crear la física clásica. Aunque no inventó el telescopio, lo utilizaba cuando miraba el cielo nocturno. Apoyó la idea de Copérnico de que la Tierra se movía alrededor del Sol (heliocentrismo). También investigó la gravedad. Isaac Newton utilizó las ideas de Galileo para crear sus tres leyes del movimiento y su ley de la gravitación universal. En conjunto, estas leyes explicaban el movimiento de los cuerpos que caen cerca de la tierra y el movimiento de la tierra y los planetas alrededor del sol.

En un par de siglos, la Revolución Industrial estaba en pleno apogeo y se hicieron muchos más descubrimientos en muchos campos de la ciencia. Las leyes de la física clásica son lo suficientemente buenas para estudiar objetos que se mueven mucho más despacio que la velocidad de la luz y que no son microscópicos. Cuando los científicos estudiaron por primera vez la mecánica cuántica, tuvieron que crear un nuevo conjunto de leyes, que fue el inicio de la física moderna.

La física moderna

Cuando los científicos investigaron las partículas, descubrieron lo que la mecánica clásica no podía explicar. La mecánica clásica predecía que la velocidad de la luz variaba, pero los experimentos demostraron que la velocidad de la luz permanecía igual. Esto lo predijo la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein. Einstein predijo que la velocidad de la radiación electromagnética a través del espacio vacío sería siempre la misma. Su visión del espacio-tiempo sustituyó la antigua idea de que el espacio y el tiempo eran cosas muy distintas.

Max Planck ideó la mecánica cuántica para explicar por qué el metal libera electrones cuando se le dirige una luz, y por qué la materia emite radiación. La mecánica cuántica se aplica a cosas muy pequeñas como los electrones, protones y neutrones que componen un átomo. Personas como Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y Paul Dirac siguieron trabajando en la mecánica cuántica y finalmente obtuvimos el Modelo Estándar.

La física es el estudio de la energía y la materia en el espacio y el tiempo y de cómo se relacionan entre sí. Los físicos asumen la existencia de la masa, la longitud, el tiempo y la corriente eléctrica y luego definen (dan el significado de) todas las demás magnitudes físicas en términos de estas unidades básicas. La masa, la longitud, el tiempo y la corriente eléctrica nunca se definen, pero sí las unidades estándar utilizadas para medirlas. En el Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI del francés Système International), el kilogramo es la unidad básica de masa, el metro es la unidad básica de longitud, el segundo es la unidad básica de tiempo y el amperio es la unidad básica de corriente eléctrica. Además de estas cuatro unidades, existen otras tres: el mol, que es la unidad de la cantidad de materia, la candela que mide la intensidad luminosa (la potencia de la iluminación) y el kelvin, la unidad de temperatura.

La física estudia cómo se mueven las cosas y las fuerzas que las hacen moverse. Por ejemplo, la física utiliza la velocidad y la aceleración para mostrar cómo se mueven las cosas. Además, los físicos estudian las fuerzas de la gravedad, la electricidad, el magnetismo y las fuerzas que mantienen unidas las cosas.

La física estudia cosas muy grandes y cosas muy pequeñas. Por ejemplo, los físicos pueden estudiar las estrellas, los planetas y las galaxias, pero también podrían estudiar pequeñas piezas de materia, como los átomos y los electrones.También podrían estudiar el sonido, la luz y otras ondas. Además, podrían examinar la energía, el calor y la radiactividad, e incluso el espacio y el tiempo. La física no sólo ayuda a entender cómo se mueven los objetos, sino también cómo cambian de forma, cómo hacen ruido, lo calientes o fríos que estarán y de qué están hechos en el nivel más pequeño. En resumen, la física es la rama de la ciencia que se ocupa de las propiedades de la materia y la energía junto con la interacción entre ellas.

La física es una ciencia cuantitativa porque se basa en la medición con números. Las matemáticas se utilizan en la física para hacer modelos que intentan predecir lo que ocurrirá en la naturaleza. Estas predicciones se comparan con el funcionamiento del mundo real. Los físicos siempre están trabajando para mejorar sus modelos del mundo.

La mecánica clásica contiene temas importantes como las leyes del movimiento de Newton, la mecánica lagrangiana, la mecánica hamiltoniana, la cinemática, la estática, la dinámica, la teoría del caos, la acústica, la dinámica de fluidos y la mecánica del continuo. La mecánica clásica trata de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo en la naturaleza, el equilibrio de fuerzas, el mantenimiento del estado de equlibrio, etc .

El electromagnetismo es el estudio de las cargas en un cuerpo determinado. Contiene subtemas como la electrostática, la electrodinámica, la electricidad, el magnetismo, la magnetostática, las ecuaciones de Maxwell, la óptica...

La termodinámica y la mecánica estadística están relacionadas con la temperatura. Incluye temas principales como el motor térmico y la teoría cinética. Utiliza términos como calor (Q), trabajo (W) y energía interna (U). La primera ley de la termodinámica nos da la relación entre ellos mediante la siguiente ecuación (ΔU = Q - W)

La mecánica cuántica es el estudio de las partículas a nivel atómico teniendo en cuenta el modelo atómico. Incluye los subtemas Formulación integral del camino, teoría de la dispersión, ecuación de Schrödinger, teoría cuántica de campos, mecánica estadística cuántica.

Relatividad

Descripción general

La física es la ciencia de la materia y de cómo interactúa la materia. La materia es cualquier material físico del universo. Todo está hecho de materia. La física se utiliza para describir el universo físico que nos rodea y para predecir su comportamiento. La física es la ciencia que se ocupa del descubrimiento y la caracterización de las leyes universales que rigen la materia, el movimiento y las fuerzas, así como el espacio y el tiempo, y otras características del mundo natural.

Amplitud y objetivos de la física

El barrido de la física es amplio, desde los componentes más pequeños de la materia y las fuerzas que la mantienen unida, hasta las galaxias e incluso cosas más grandes. Sólo hay cuatro fuerzas que parecen operar en toda esta gama. Sin embargo, incluso estas cuatro fuerzas (la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza débil asociada a la radiactividad y la fuerza fuerte que mantiene unidos a los protones y neutrones de un átomo) se cree que son partes diferentes de una única fuerza.

La física se centra principalmente en el objetivo de elaborar reglas cada vez más simples, más generales y más precisas que definan el carácter y el comportamiento de la materia y del propio espacio. Uno de los principales objetivos de la física es elaborar teorías que se apliquen a todo en el universo. En otras palabras, la física puede considerarse como el estudio de aquellas leyes universales que definen, en el nivel más básico posible, el comportamiento del universo físico.

La física utiliza el método científico

La física utiliza el método científico. Es decir, se recogen datos de experimentos y observaciones. Se elaboran teorías que intentan explicar estos datos. La física utiliza estas teorías no sólo para describir los fenómenos físicos, sino para modelar sistemas físicos y predecir cómo se comportarán estos sistemas físicos. A continuación, los físicos comparan estas predicciones con las observaciones o las pruebas experimentales para demostrar si la teoría es correcta o incorrecta.

Las teorías que están bien respaldadas por los datos y que son especialmente sencillas y generales se denominan a veces leyes científicas. Por supuesto, todas las teorías, incluidas las conocidas como leyes, pueden ser sustituidas por leyes más precisas y más generales, cuando se encuentra un desacuerdo con los datos.

La física es cuantitativa

La física es más cuantitativa que la mayoría de las demás ciencias. Es decir, muchas de las observaciones en física pueden representarse en forma de mediciones numéricas. La mayoría de las teorías de la física utilizan las matemáticas para expresar sus principios. La mayoría de las predicciones de estas teorías son numéricas. Esto se debe a que las áreas que la física ha abordado funcionan mejor con enfoques cuantitativos que otras áreas. Las ciencias también tienden a volverse más cuantitativas con el tiempo a medida que se desarrollan más, y la física es una de las ciencias más antiguas.

Campos de la física

La física clásica incluye normalmente los campos de la mecánica, la óptica, la electricidad, el magnetismo, la acústica y la termodinámica. La física moderna es un término que se utiliza normalmente para abarcar los campos que se basan en la teoría cuántica, incluyendo la mecánica cuántica, la física atómica, la física nuclear, la física de partículas y la física de la materia condensada, así como los campos más modernos de la relatividad general y especial, pero estos dos últimos suelen considerarse campos de la física clásica ya que no se basan en la teoría cuántica. Aunque esta diferencia se puede encontrar en escritos más antiguos, tiene poco interés nuevo, ya que ahora se entiende que los efectos cuánticos tienen importancia incluso en campos que antes se llamaban clásicos.

Enfoques en física

Hay muchas formas de estudiar la física, y muchos tipos de actividades diferentes en la física. Los dos tipos principales de actividades son la recogida de datos y el desarrollo de teorías.

Algunos subcampos de la física pueden estudiarse mediante experimentos. Por ejemplo, Galileo Galilei inventó la cinemática haciendo experimentos y estudiando los datos. La física experimental se centra principalmente en un enfoque empírico. Algunos experimentos se realizan para explorar la naturaleza, y otros experimentos se realizan para producir datos que se comparen con las predicciones de las teorías.

Algunos otros campos de la física, como la astrofísica y la geofísica, son en su mayoría ciencias observacionales porque la mayoría de sus datos deben recogerse de forma pasiva en lugar de mediante la experimentación. Galileo, por ejemplo, sólo pudo mirar a Júpiter y descubrir que tiene lunas. Sin embargo, los programas de observación en estos campos utilizan muchas de las mismas herramientas y tecnología que se emplean en los subcampos experimentales de la física.

La física teórica suele utilizar enfoques cuantitativos para desarrollar las teorías que intentan explicar los datos. De este modo, los físicos teóricos suelen utilizar herramientas procedentes de las matemáticas. La física teórica a menudo puede implicar la creación de predicciones cuantitativas de las teorías físicas y la comparación cuantitativa de estas predicciones con los datos. La física teórica a veces crea modelos de sistemas físicos antes de que los datos estén disponibles para probar y apoyar estos modelos.

Estas dos actividades principales de la física, la recopilación de datos, la elaboración de teorías y las pruebas, utilizan muchas habilidades diferentes. Esto ha llevado a una gran especialización en la física, y a la introducción, desarrollo y uso de herramientas de otros campos. Por ejemplo, los físicos teóricos utilizan en su trabajo las matemáticas y el análisis numérico, así como la estadística y la probabilidad y los programas informáticos. Los físicos experimentales desarrollan instrumentos y técnicas de recogida de datos, utilizando la ingeniería y la informática y muchos otros campos de la tecnología. A menudo, las herramientas de estas otras áreas no son del todo apropiadas para las necesidades de la física y hay que cambiarlas o hacer versiones más avanzadas.

Es frecuente que se descubra nueva física si los físicos experimentales hacen un experimento que las teorías actuales no pueden explicar, o que los físicos teóricos generen teorías que luego puedan ser puestas a prueba por los físicos experimentales.

La física experimental, la ingeniería y la tecnología están relacionadas. Los experimentos necesitan a menudo herramientas especializadas como aceleradores de partículas o láseres, y aplicaciones industriales importantes como los transistores y las imágenes por resonancia magnética han surgido de la investigación aplicada.

Físicos prominentes

• Sociedad Americana de Física
• Astronomía
• Energía
• Materia
• Tiempo