0.2: Física - Una Introducción

La ciencia y el reino de la física

La ciencia consiste en las teorías y leyes que son las verdades generales de la naturaleza así como el cuerpo de conocimiento que engloban. Los científicos están continuamente tratando de ampliar este cuerpo de conocimientos y perfeccionar la expresión de las leyes que lo describen. La física se ocupa de describir las interacciones de la energía, la materia, el espacio y el tiempo, y está especialmente interesada en qué mecanismos fundamentales subyacen a cada fenómeno. La preocupación por describir los fenómenos básicos en la naturaleza define esencialmente el ámbito de la física.

La física tiene como objetivo describir la función de todo lo que nos rodea, desde el movimiento de pequeñas partículas cargadas hasta el movimiento de personas, automóviles y naves espaciales. De hecho, casi todo lo que te rodea puede ser descrito con bastante precisión por las leyes de la física. Considera un teléfono inteligente (Figura\(\PageIndex{2}\)). La física describe cómo la electricidad interactúa con los diversos circuitos dentro del dispositivo. Este conocimiento ayuda a los ingenieros a seleccionar los materiales adecuados y el diseño del circuito al construir el teléfono inteligente. A continuación, considere un sistema GPS. La física describe la relación entre la velocidad de un objeto, la distancia sobre la que viaja y el tiempo que lleva recorrer esa distancia. Cuando usas un dispositivo GPS en un vehículo, utiliza estas ecuaciones físicas para determinar el tiempo de viaje de una ubicación a otra.

Aplicaciones de la Física

No es necesario ser científico para usar la física. Por el contrario, el conocimiento de la física es útil tanto en situaciones cotidianas como en profesiones no científicas. Puede ayudarte a entender cómo funcionan los hornos microondas, por qué no se deben poner metales en ellos y por qué podrían afectar a los marcapasos. (Ver Figura\(\PageIndex{3}\) y Figura\(\PageIndex{4}\).) La física le permite comprender los peligros de la radiación y evaluar racionalmente estos peligros con mayor facilidad. La física también explica la razón por la que un radiador de automóvil negro ayuda a eliminar el calor en el motor de un automóvil, y explica por qué un techo blanco ayuda a mantener fresco el interior de una casa. De igual manera, el funcionamiento del sistema de encendido de un automóvil así como la transmisión de señales eléctricas a través del sistema nervioso de nuestro cuerpo son mucho más fáciles de entender cuando se piensa en ellas en términos de física básica.

La física es la base de muchas disciplinas importantes y contribuye directamente a otras. La química, por ejemplo, ya que trata de las interacciones de átomos y moléculas, tiene sus raíces en la física atómica y molecular. La mayoría de las ramas de la ingeniería son la física aplicada. En la arquitectura, la física está en el corazón de la estabilidad estructural, y está involucrada en la acústica, calefacción, iluminación y enfriamiento de edificios. Partes de la geología dependen en gran medida de la física, como la datación radiactiva de rocas, el análisis sísmico y la transferencia de calor en la Tierra. Algunas disciplinas, como la biofísica y la geofísica, son híbridos de la física y otras disciplinas.

La física tiene muchas aplicaciones en las ciencias biológicas. A nivel microscópico, ayuda a describir las propiedades de las paredes celulares y las membranas celulares (Figura\(\PageIndex{5}\) y Figura\(\PageIndex{6}\)). A nivel macroscópico, puede explicar el calor, el trabajo y el poder asociados con el cuerpo humano. La física está involucrada en diagnósticos médicos, como rayos X, imágenes por resonancia magnética (MRI) y mediciones ultrasónicas del flujo sanguíneo. La terapia médica a veces involucra directamente la física; por ejemplo, la radioterapia contra el cáncer usa radiación ionizante. La física también puede explicar fenómenos sensoriales, como cómo los instrumentos musicales hacen sonido, cómo el ojo detecta el color y cómo los láseres pueden transmitir información.

No es necesario estudiar formalmente todas las aplicaciones de la física. Lo más útil es el conocimiento de las leyes básicas de la física y una habilidad en los métodos analíticos para su aplicación. El estudio de la física también puede mejorar tus habilidades de resolución de problemas. Además, la física ha conservado los aspectos más básicos de la ciencia, por lo que es utilizada por todas las ciencias, y el estudio de la física hace que otras ciencias sean más fáciles de entender.

Modelos, teorías y leyes; el papel de la experimentación

Las leyes de la naturaleza son descripciones concisas del universo que nos rodea; son declaraciones humanas de las leyes subyacentes o reglas que siguen todos los procesos naturales. Tales leyes son intrínsecas al universo; los humanos no las crearon y así no pueden cambiarlas. Sólo podemos descubrirlos y entenderlos. Su descubrimiento es un esfuerzo muy humano, con todos los elementos de misterio, imaginación, lucha, triunfo y decepción inherentes a cualquier esfuerzo creativo. (Ver Figura\(\PageIndex{7}\) y Figura\(\PageIndex{8}\).) La piedra angular del descubrimiento de las leyes naturales es la observación; la ciencia debe describir al universo tal como es, no como nos imaginemos que es.

Todos somos curiosos hasta cierto punto. Miramos a nuestro alrededor, hacemos generalizaciones e intentamos entender lo que vemos; por ejemplo, miramos hacia arriba y nos preguntamos si un tipo de nube señala una tormenta que se aproxima. A medida que nos tomamos en serio la exploración de la naturaleza, nos volvemos más organizados y formales en la recopilación y análisis de datos. Intentamos una mayor precisión, realizamos experimentos controlados (si podemos) y escribimos ideas sobre cómo pueden organizarse y unificarse los datos. Luego formulamos modelos, teorías y leyes con base en los datos que hemos recopilado y analizado para generalizar y comunicar los resultados de estos experimentos.

Un modelo es una representación de algo que a menudo es demasiado difícil (o imposible) de mostrar directamente. Si bien un modelo se justifica con pruebas experimentales, solo es preciso en situaciones limitadas. Un ejemplo es el modelo planetario del átomo en el que los electrones se representan orbitando el núcleo, análogo a la forma en que los planetas orbitan el Sol. (Ver Figura\(\PageIndex{9}\).) No podemos observar órbitas electrónicas directamente, pero la imagen mental ayuda a explicar las observaciones que podemos hacer, como la emisión de luz de gases calientes (espectros atómicos). Los físicos utilizan modelos para una variedad de propósitos. Por ejemplo, los modelos pueden ayudar a los físicos a analizar un escenario y realizar un cálculo, o pueden ser utilizados para representar una situación en forma de simulación por computadora. Una teoría es una explicación de patrones en la naturaleza que está respaldada por evidencia científica y verificada múltiples veces por diversos grupos de investigadores. Algunas teorías incluyen modelos para ayudar a visualizar fenómenos, mientras que otras no. La teoría de la gravedad de Newton, por ejemplo, no requiere un modelo o imagen mental, porque podemos observar los objetos directamente con nuestros propios sentidos. La teoría cinética de los gases, por otro lado, es un modelo en el que se considera que un gas está compuesto por átomos y moléculas. Los átomos y las moléculas son demasiado pequeños para ser observados directamente con nuestros sentidos; así, los imaginamos mentalmente para entender lo que nuestros instrumentos nos dicen sobre el comportamiento de los gases.

Una ley utiliza un lenguaje conciso para describir un patrón generalizado en la naturaleza que se sustenta en evidencia científica y experimentos repetidos. A menudo, una ley se puede expresar en forma de una sola ecuación matemática. Las leyes y teorías son similares en que ambas son afirmaciones científicas que resultan de una hipótesis probada y están respaldadas por evidencia científica. Sin embargo, la ley de designación está reservada para una declaración concisa y muy general que describa fenómenos en la naturaleza, como la ley de que la energía se conserva durante cualquier proceso, o la segunda ley del movimiento de Newton, que relaciona la fuerza, la masa y la aceleración mediante la ecuación simple \(\mathbf{F}=m \mathbf{a}\). Una teoría, en contraste, es una declaración menos concisa de los fenómenos observados. Por ejemplo, la Teoría de la Evolución y la Teoría de la Relatividad no pueden expresarse de manera suficientemente concisa como para considerarse una ley. La mayor diferencia entre una ley y una teoría es que una teoría es mucho más compleja y dinámica. Una ley describe una sola acción, mientras que una teoría explica todo un grupo de fenómenos relacionados. Y, mientras que una ley es un postulado que forma la base del método científico, una teoría es el resultado final de ese proceso.

Las declaraciones de aplicación menos amplia suelen llamarse principios (como el principio de Pascal, que solo es aplicable en fluidos), pero la distinción entre leyes y principios a menudo no se hace cuidadosamente.

Los modelos, teorías y leyes que diseñamos a veces implican la existencia de objetos o fenómenos aún no observados. Estas predicciones son notables triunfos y homenajes al poder de la ciencia. Es el orden subyacente en el universo lo que permite a los científicos hacer predicciones tan espectaculares. No obstante, si el experimento no verifica nuestras predicciones, entonces la teoría o la ley están equivocadas, por elegante o conveniente que sea. Las leyes nunca pueden conocerse con absoluta certeza porque es imposible realizar todos los experimentos imaginables para confirmar una ley en cada escenario posible. Los físicos operan bajo el supuesto de que todas las leyes y teorías científicas son válidas hasta que se observe un contraejemplo. Si un experimento de buena calidad y verificable contradice una ley bien establecida, entonces la ley debe ser modificada o derrocada por completo.

El estudio de la ciencia en general y de la física en particular es una aventura muy parecida a la exploración de un océano inexplorado. Se hacen descubrimientos; se formulan modelos, teorías y leyes; y la belleza del universo físico se vuelve más sublime para los conocimientos adquiridos.

La evolución de la filosofía natural hacia la física moderna

La física no siempre fue una disciplina separada y distinta. Sigue conectado a otras ciencias hasta el día de hoy. La palabra física proviene del griego, que significa naturaleza. El estudio de la naturaleza llegó a llamarse “filosofía natural”. Desde la antigüedad hasta el Renacimiento, la filosofía natural abarcó muchos campos, incluyendo la astronomía, la biología, la química, la física, las matemáticas y la medicina. En los últimos siglos, el crecimiento del conocimiento ha dado como resultado una especialización cada vez mayor y la ramificación de la filosofía natural en campos separados, con la física conservando las facetas más básicas. (Ver Figura\(\PageIndex{10}\)\(\PageIndex{11}\), Figura y Figura\(\PageIndex{12}\).) La física tal como se desarrolló desde el Renacimiento hasta finales del siglo XIX se llama física clásica. Se transformó en física moderna por descubrimientos revolucionarios realizados a partir de principios del siglo XX.

La física clásica no es una descripción exacta del universo, pero es una excelente aproximación bajo las siguientes condiciones: La materia debe moverse a velocidades inferiores a aproximadamente 1% de la velocidad de la luz, los objetos tratados deben ser lo suficientemente grandes para ser vistos con un microscopio, y solo campos gravitacionales débiles , como el campo generado por la Tierra, pueden estar involucrados. Debido a que los humanos viven en tales circunstancias, la física clásica parece intuitivamente razonable, mientras que muchos aspectos de la física moderna parecen extraños. Es por ello que los modelos son tan útiles en la física moderna, nos permiten conceptualizar fenómenos que normalmente no experimentamos. Podemos relacionarnos con modelos en términos humanos y visualizar qué sucede cuando los objetos se mueven a altas velocidades o imaginar cómo podrían ser los objetos demasiado pequeños para observar con nuestros sentidos. Por ejemplo, podemos entender las propiedades de un átomo porque podemos imaginarlo en nuestra mente, aunque nunca hemos visto un átomo con nuestros ojos. Nuevas herramientas, por supuesto, nos permiten imaginar mejor fenómenos que no podemos ver. De hecho, la nueva instrumentación nos ha permitido en los últimos años realmente “imaginar” el átomo.

Algunos de los avances más espectaculares de la ciencia se han hecho en la física moderna. Muchas de las leyes de la física clásica han sido modificadas o rechazadas, y han resultado cambios revolucionarios en la tecnología, la sociedad y nuestra visión del universo. Al igual que la ciencia ficción, la física moderna está llena de objetos fascinantes más allá de nuestras experiencias normales, pero tiene la ventaja sobre la ciencia ficción de ser muy real. ¿Por qué, entonces, la mayor parte de este texto se dedica a temas de la física clásica? Hay dos razones principales: La física clásica da una descripción extremadamente precisa del universo bajo una amplia gama de circunstancias cotidianas, y el conocimiento de la física clásica es necesario para comprender la física moderna.

La física moderna en sí misma consiste en las dos teorías revolucionarias, la relatividad y la mecánica cuántica. Estas teorías tratan de lo muy rápido y lo muy pequeño, respectivamente. La relatividad debe usarse siempre que un objeto viaje a más de aproximadamente 1% de la velocidad de la luz o experimente un campo gravitacional fuerte como el que está cerca del Sol. La mecánica cuántica se debe utilizar para objetos más pequeños de lo que se puede ver con un microscopio. La combinación de estas dos teorías es la mecánica cuántica relativista, y describe el comportamiento de pequeños objetos que viajan a altas velocidades o experimentan un fuerte campo gravitacional. La mecánica cuántica relativista es la mejor teoría universalmente aplicable que tenemos. Debido a su complejidad matemática, se utiliza sólo cuando es necesario, y las demás teorías se utilizan siempre que produzcan resultados suficientemente precisos.

Resumen

• La ciencia busca descubrir y describir el orden subyacente y la simplicidad en la naturaleza.
• La física es la más básica de las ciencias, concerniente a sí misma con la energía, la materia, el espacio y el tiempo, y sus interacciones.
• Las leyes y teorías científicas expresan las verdades generales de la naturaleza y el cuerpo de conocimiento que engloban. Estas leyes de la naturaleza son reglas que todos los procesos naturales parecen seguir.