1.4: El alcance de la física
- Page ID
- 129636
La física describe una amplia gama de fenómenos dentro de las ciencias físicas, que van desde el comportamiento de partículas microscópicas que componen la materia hasta la evolución de todo el Universo. A menudo distinguimos entre física “clásica” y “moderna” dependiendo de cuándo se desarrollaron las teorías, y podemos subdividir aún más estas áreas de la física dependiendo de la escala o el tipo de fenómenos que describan.
La palabra física proviene del griego antiguo y se traduce como “naturaleza” o “conocimiento de la naturaleza”. El objetivo de la física es desarrollar teorías a partir de las cuales se puedan derivar modelos matemáticos para describir nuestras observaciones. Uno de los ambiciosos objetivos de los físicos es desarrollar una sola teoría que describa toda la naturaleza, en lugar de tener múltiples teorías para describir diferentes categorías de fenómenos. Esto está en marcado contraste con otros campos de la ciencia, como Bromeó Rutherford: “Toda la ciencia es física o coleccionismo de sellos”. Es decir, los físicos esperan que exista una sola teoría matemática (como la teoría de Chloë sobre la caída de objetos) que describa todo el mundo físico. En Biología, por ejemplo, esta no sería una meta razonable, ya que hay que describir a cada ser viviente, y no existe una “teoría general de cómo son todos los seres vivos”. Actualmente, los físicos han podido reducir el número de teorías requeridas para describir todo el mundo físico a solo tres, lo que es impresionante (la teoría de la gravedad, la teoría de la fuerza nuclear fuerte, y los físicos ahora han unificado aún más la débil fuerza nuclear con electromagnetismo para hacer la “fuerza electrodébil”).
Física Clásica
Este libro de texto se centra en la física clásica, que corresponde a las teorías que se desarrollaron antes de 1905.
Mecánica
La mecánica describe la mayoría de nuestras experiencias cotidianas, como cómo se mueven los objetos, incluyendo cómo se mueven los planetas bajo la influencia de la gravedad. Isaac Newton fue el primero en desarrollar formalmente una teoría de la mecánica, utilizando sus “Tres Leyes” para describir el comportamiento de los objetos en nuestra experiencia cotidiana. Su famosa obra publicada en 1687, “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (“Los Principia”) también incluyó una teoría de la gravedad que describe el movimiento de los objetos celestes.
Tras el descubrimiento del planeta Urano en 1781 por William Herschel, los astrónomos notaron que la órbita del planeta no estaba bien descrita por la teoría de Newton. Esto llevó a Urbain Le Verrier (en París) y John Couch Adams (en Cambridge) a predecir la ubicación de un nuevo planeta que estaba perturbando la órbita de Urano en lugar de afirmar que la teoría de Newton era incorrecta. El planeta Neptuno fue posteriormente descubierto por Le Verrier en 1846, un año después de la predicción, y visto como una contundente confirmación de la teoría de Newton.
En 1859, Urbain Le Verrier también señaló que la órbita de Mercurio alrededor del Sol es diferente a la predicha por la teoría de Newton. Nuevamente, se propuso un nuevo planeta, “Vulcano”, pero ese planeta nunca fue descubierto y la desviación de la órbita de Mercurio de la predicción de Newton permaneció inexplicable hasta 1915, cuando Albert Einstein introdujo una nueva, más completa, teoría de la gravedad, llamada “Relatividad General”. Este es un buen ejemplo del método científico; aunque el descubrimiento de Neptuno fue consistente con la teoría de Newton, no probó que la teoría es correcta, solo que describió correctamente el movimiento de Urano. La discrepancia que surgió al mirar a Mercurio finalmente demostró que la teoría de la gravedad de Newton no logra proporcionar una descripción adecuada de las órbitas planetarias en la proximidad de objetos muy masivos (Mercurio es el planeta más cercano al Sol).
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
Qué mostró la incapacidad de encontrar el planeta Vulcano:
- Demostró que el modelo de Newton de Mercurio era correcto.
- Demostró que la teoría de Newton no describía correctamente las órbitas de todos los planetas.
- Demostró que la tecnología en ese momento era inadecuada.
- Demostró que la teoría de la Relatividad General de Einstein era correcta.
- Contestar
Electromagnetismo
El electromagnetismo describe las cargas eléctricas y el magnetismo. Al principio, no se dio cuenta de que la electricidad y el magnetismo estaban conectados. Charles Augustin de Coulomb publicó en 1784 la primera descripción de cómo las cargas eléctricas se atraen y repelen entre sí. El magnetismo fue descubierto en el mundo antiguo, cuando la gente notó que la piedra magnética (rocas hechas de mineral magnetita magnetizado) podía atraer herramientas de hierro. En 1819, Oersted descubrió que el movimiento de cargas eléctricas podía influir en una aguja de brújula, y se llevaron a cabo varios experimentos posteriores para descubrir cómo interactúan los imanes y las cargas eléctricas móviles.
En 1865, James Clerk Maxwell publicó “Una teoría dinámica del campo electromagnético”, donde propuso por primera vez una teoría que unificaba la electricidad y el magnetismo como dos facetas del mismo fenómeno. Un concepto importante de la teoría de Maxwell es que la luz es una onda electromagnética con una velocidad bien definida. Esto destapó algunos problemas potenciales con la teoría ya que requería un marco de referencia absoluto en el que describir la propagación de la luz. Los experimentos de finales del siglo XIX no lograron detectar la existencia de este marco de referencia.
Física Moderna
En 1905, Albert Einstein publicó tres artículos importantes que sentaron las bases de lo que ahora llamamos “Física Moderna”. Estos artículos cubrieron las siguientes áreas que no fueron bien descritas por la física clásica:
- Una descripción del movimiento browniano que implicaba que toda la materia está hecha de átomos.
- Una descripción del efecto fotoeléctrico que implicaba que la luz está hecha de partículas.
- Una descripción del movimiento de objetos muy rápidos que implicaba que la masa es equivalente a la energía, y que el tiempo y la distancia son conceptos relativos.
Para dar cabida a las descripciones de Einstein, los físicos tuvieron que reformular dramáticamente nuevas teorías.
Mecánica cuántica y física de partículas
La mecánica cuántica es una teoría que se desarrolló en la década de 1920 para incorporar la conclusión de Einstein de que la luz está hecha de partículas (o más bien, de bultos cuantificados de energía llamados cuantos) y describir la naturaleza a las escalas más pequeñas. Esto sólo podría hacerse a costa del determinismo, la idea de que podemos predecir cómo evolucionan situaciones particulares en el tiempo. Esto llevó a una teoría que solo podría proporcionar las probabilidades de que ciertos resultados se concreten. La mecánica cuántica se refinó aún más durante el siglo XX en la Teoría Cuántica de Campos, lo que condujo al Modelo Estándar de física de partículas que describe nuestra comprensión actual de la materia a través de las teorías de las fuerzas electrodébiles y fuertes.
Las teorías especiales y generales de la relatividad
En 1905, Einstein publicó su “Teoría especial de la relatividad”, que describe cómo la luz se propaga a una velocidad constante sin necesidad de un marco de referencia absoluto, resolviendo así el problema introducido por Maxwell. Esto requirió que los físicos consideraran el espacio y el tiempo en igualdad de condiciones (“espacio-tiempo”), en lugar de dos aspectos independientes del mundo natural, y condujo a una avalancha de predicciones experimentales extrañas pero verificadas. Una de esas predicciones es que el tiempo fluye más lento para los objetos que se mueven rápido, lo que ha sido verificado experimentalmente volando relojes atómicos precisos en aviones y satélites. En 1915, Einstein refinó aún más su teoría en Relatividad General, que es nuestra mejor descripción actual de la gravedad e incluye una descripción de la órbita de Mercurio que no fue descrita por la teoría de Newton.
Ejercicio\(\PageIndex{2}\)
¿Se puede aplicar la relatividad especial a cuál de estas tramas de ciencia ficción?
- Un dúo excéntrico viaja en el tiempo para alterar el pasado.
- Un astronauta que viaja cerca de la velocidad de la luz durante muchos años llega a casa y descubre que ha envejecido menos que su familia en la Tierra.
- Un superhéroe aprovecha los relámpagos para usarlo como arma.
- Contestar
Cosmología y astrofísica
La cosmología describe procesos en las escalas más grandes y se basa principalmente en aplicar la Relatividad General a la escala del Universo. Por ejemplo, la cosmología describe cómo nuestro Universo partió del Big Bang y cómo las estructuras a gran escala, como galaxias y cúmulos de galaxias, se han formado y evolucionado hacia nuestro Universo actual.
La astrofísica se centra en describir la formación y evolución de estrellas, galaxias y otros “objetos astrofísicos” como estrellas de neutrones y agujeros negros.
Astrofísica de partículas
La astrofísica de partículas es un campo relativamente nuevo que hace uso de partículas subatómicas producidas por objetos astrofísicos para aprender tanto sobre los objetos como sobre las partículas. Por ejemplo, el Premio Nobel de Física 2015 fue otorgado a Art McDonald (un físico canadiense de la Queen's University) por utilizar neutrinos 1 producidos por el Sol tanto para aprender sobre la naturaleza de los neutrinos como sobre cómo funciona el Sol.
Notas al pie
1. Los neutrinos son las partículas subatómicas más ligeras que conocemos