Para terminar, os dejo abajo la bibliografía, y por aquí las posibles investigaciones que se están dando ya en esta maravillosa y curiosa ciencia.
Física teórica
La física
teórica es la rama de la física que elabora teorías y modelos
usando el lenguaje matemático con el fin de
explicar y comprender fenómenos físicos, aportando las herramientas necesarias
no solo para el análisis sino para la predicción del comportamiento de
los sistemas
físicos. El objetivo de la física teórica es comprender el universo
elaborando modelos
matemáticos y conceptuales de
la realidad que se utilizan para racionalizar, explicar y predecir los
fenómenos de la naturaleza,
planteando una teoría física de la realidad.
Aunque trabajos anteriores se pueden considerar parte de esta
disciplina, la física teórica cobra especial fuerza desde la formulación de
la mecánica analítica (Joseph-Louis de Lagrange, William Rowan Hamilton) y adquiere una
relevancia de primera línea a partir de las revoluciones cuántica y relativista de
principios del siglo XX (por ejemplo la bomba atómica fue una predicción de la
física teórica).
La cultura de la investigación en física en los últimos tiempos
se ha especializado tanto que ha dado lugar a una separación de los físicos que
se dedican a la teoría y otros que se dedican a los experimentos. Los teóricos
trabajan en la búsqueda de modelos matemáticos que expliquen los resultados
experimentales y que ayuden a predecir resultados futuros. Así pues, teoría y
experimentos están relacionados íntimamente. El progreso en física a menudo
ocurre cuando un experimento encuentra un resultado que no se puede explicar
con las teorías actuales, por lo que hay que buscar un nuevo enfoque conceptual
para resolver el problema.
La física teórica tiene una importante relación con la física
matemática, en esta última se pone énfasis en analizar las propiedades de
las estructuras matemáticas empleadas en la física teórica, y en teorizar
posibles generalizaciones que puedan servir como descripciones matemáticas más
complejas y generales de los sistemas estudiados en la física teórica. La
física teórica está muy relacionada con las matemáticas ya
que estas suministran el lenguaje usado en el desarrollo de las teorías
físicas. Los teóricos confían en el cálculo diferencial e integral,
el análisis
numérico y en simulaciones por ordenador para validar y probar sus
modelos físicos. Los campos de física computacional y matemáticas son
áreas de investigación activas.
Los teóricos
pueden concebir conceptos tales como universos paralelos,
espacios multidimensionales, minúsculas cuerdas que vibran o la teoría del todo y a partir de ahí,
realizar hipótesis físicas.
Física de la materia condensada
La física de la materia condensada es
la rama de la física que estudia las características físicas macroscópicas de
la materia, tales
como la densidad,
la temperatura,
la dureza o
el color de
un material. En particular, se refiere a las fases «condensadas»
que aparecen siempre en que el número de constituyentes en un sistema sea
extremadamente grande y que las interacciones entre los componentes sean
fuertes, a diferencia de estar libres sin interactuar. Los ejemplos más
familiares de fases condensadas son los sólidos y los líquidos, que
surgen a partir de los enlaces y uniones causados por interacciones electromagnéticas entre
los átomos. Entre
las fases condensadas más exóticas se cuentan las fases superfluidas y
el condensado de Bose-Einstein, que se
encuentran en ciertos sistemas atómicos sometidos a temperaturas extremadamente
bajas, la fase superconductora exhibida por los electrones de la conducción en
ciertos materiales, y las fases ferromagnética y antiferromagnética de espines en redes atómicas. La física de la materia
condensada busca hacer relaciones entre las propiedades macroscópicas, que se
pueden medir y el comportamiento de sus constituyentes a nivel microscópico o
atómico y así comprender mejor las propiedades de los materiales.
La física de la materia condensada es la rama más extensa de la
física contemporánea. Como estimación, un tercio de todos los físicos
norteamericanos se identifica a sí mismo como físicos trabajando en temas de la
materia condensada. Históricamente, dicho campo nació a partir de la física del estado sólido, que
ahora es considerado como uno de sus subcampos principales. El término física
condensada de la materia fue acuñado, al parecer, por Philip Anderson, cuando
renombró a su grupo de investigación, hasta entonces teoría del estado
sólido, en 1967. En 1978, la División de Física del Estado Sólido de
la American Physical Society fue
renombrada como División de Física de Materia Condensada. La física de la
materia condensada tiene una gran superposición con áreas de estudio de
la química,
la ciencia de materiales, la nanotecnología y
la ingeniería.
Una de las
razones para que la física de materia condensada reciba tal nombre es que
muchos de los conceptos y técnicas desarrollados para estudiar sólidos se
aplican también a sistemas fluidos. Por ejemplo, los electrones de conducción
en un conductor eléctrico forman un tipo de líquido cuántico que tiene esencialmente
las mismas características que un fluido conformado por átomos. De hecho, el
fenómeno de la superconductividad, en el cual los electrones se condensan en una nueva fase
fluida en la cual puedan fluir sin disipación, presenta una gran analogía con
la fase superfluida que se encuentra en el helio-3 a muy
bajas temperaturas.
Física molecular
La física
molecular es la rama de la física que estudia los problemas
relacionados con la estructura atómica de la materia y
su interacción con el medio, es decir con la materia o la luz.
Por ejemplo, se tratan problemas como dinámica y de reacciones,
dispersión, interacciones con campos electromagnéticos estáticos
y dinámicos, enfriamiento y atrapamiento de átomos, interferometría
atómica, interacciones de haces de iones y átomos con superficies y sólidos.
Además, tiene múltiples conexiones con la biología, la fisicoquímica,
las ciencias de los materiales,
la óptica,
la física de la atmósfera, la física
del plasma y la astrofísica, entre otras. Desempeña un papel
fundamental en la solución de preguntas fundamentales sin resolver en el
estudio de los átomos y las moléculas.
La física
molecular incluye tratamientos tanto clásicos como cuánticos, ya que puede
tratar sus problemas desde puntos de vista microscópicos o macroscópicos.
Física atómica
La física
atómica es la rama de la física que estudia las propiedades y el
comportamiento de los átomos (electrones y núcleos
atómicos) así como las interacciones materia-materia y luz-materia en la
escala de átomos individuales. El estudio de la física atómica incluye a
los iones, así
como a los átomos neutros y a cualquier otra partícula que sea considerada
parte de los átomos. La física atómica incluye tratamientos tanto clásicos como
cuánticos, ya que puede tratar sus problemas desde puntos de vista
microscópicos y macroscópicos.
La física atómica y la física nuclear tratan cuestiones
distintas, la primera trata con todas las partes del átomo, mientras que la
segunda lo hace solo con el núcleo del átomo, siendo este último especial por
su complejidad. Se podría decir que la física atómica trata con las fuerzas
electromagnéticas del átomo y convierte al núcleo en una partícula puntual, con
determinadas propiedades intrínsecas de masa, carga y espín.
La investigación
actual en física atómica se centra en actividades tales como el enfriamiento y
captura de átomos e iones, lo cual es interesante para eliminar «ruido» en las
medidas y evitar imprecisiones a la hora de realizar otros experimentos o
medidas (por ejemplo, en los relojes atómicos); aumentar la precisión de las mediciones de constantes físicas
fundamentales, lo cual ayuda a validar otras
teorías como la relatividad o el modelo estándar; medir los efectos de correlación electrónica en la estructura
y dinámica atómica y la medida y comprensión del comportamiento colectivo de
los átomos de gases que interactúan débilmente (por ejemplo, en un condensado de Bose-Einstein de pocos átomos).
Física nuclear
La física
nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades,
comportamiento e interacciones de los núcleos atómicos. En un contexto más amplio, se
define la física nuclear y de partículas como la rama de la física que estudia
la estructura fundamental de la materia y las interacciones entre las partículas subatómicas.
La física
nuclear es conocida mayoritariamente por el aprovechamiento de la energía nuclear en centrales nucleares y
en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión nuclear como
de fusión nuclear, pero este
campo ha dado lugar a aplicaciones en diversos campos, incluyendo medicina
nuclear e imágenes por resonancia magnética, ingeniería de implantación de
iones en materiales y datación por radiocarbono en geología y arqueología.
Física de partículas o de altas
energías
La física de partículas es la rama de la
física que estudia los componentes elementales de la materia y las
interacciones entre ellos.76 Se
conoce a esta rama también como física de altas energías, debido a que a muchas
de estas partículas solo se les puede ver en grandes colisiones provocadas en
los aceleradores de partículas.
En la actualidad, las partículas elementales se clasifican
siguiendo el llamado modelo
estándar en dos grandes grupos: bosones y fermiones. Los
bosones tienen espín entero
(0, 1 o 2) y son las partículas que interactúan con la materia, mientras que
los fermiones tienen espín semientero (1/2 o 3/2) y son las partículas
constituyentes de la materia. En el modelo estándar se explica cómo las interacciones fundamentales en
forma de partículas (bosones) interactúan con las partículas de materia
(fermiones). Así, el electromagnetismo tiene
su partícula llamada fotón, la
interacción nuclear fuerte tiene al gluón, la interacción nuclear débil a los bosones W
y Z y la gravedad a una partícula hipotética llamada gravitón. Entre
los fermiones hay más variedad; se encuentran dos tipos: los leptones y
los quarks. En
conjunto, el modelo estándar contiene 24 partículas fundamentales que
constituyen la materia (12 pares de partículas y sus correspondientes
anti-partículas) junto con tres familias de bosones
de gauge responsables de transportar las interacciones.
Los principales
centros de estudio sobre partículas son el Laboratorio Nacional Fermi o Fermilab, en Estados Unidos y el
Centro Europeo para la Investigación Nuclear o CERN, en la frontera entre Suiza y Francia. En estos
laboratorios lo que se logra es obtener energías similares a las que se cree
que existieron en el Big Bang y así se
intenta tener cada vez más pruebas del origen del universo.
Astrofísica
La astrofísica es
el desarrollo y estudio de la física aplicada a la astronomía.80 Estudia
las estrellas,
los planetas,
las galaxias,
los agujeros
negros y demás objetos astronómicos como cuerpos de la
física, incluyendo su composición, estructura y evolución. La astrofísica
emplea la física para explicar las propiedades y fenómenos de los cuerpos
estelares a través de sus leyes, fórmulas y magnitudes.
El inicio de la astrofísica fue posiblemente en el siglo XIX cuando
gracias a los espectros se
pudo averiguar la composición física de las estrellas. Una vez que se
comprendió que los cuerpos celestes están
compuestos de los mismos que conforman la Tierra y que las mismas leyes de
la física y de la química se
aplican a ellos, nace la astrofísica como una aplicación de la física a los
fenómenos observados por la astronomía. La astrofísica se basa, pues, en la
asunción de que las leyes de la física y la química son universales, es decir,
que son las mismas en todo el universo.
Debido a que la astrofísica es un campo muy amplio, los
astrofísicos aplican normalmente muchas disciplinas de la física, incluyendo
la física
nuclear (véase Nucleosíntesis estelar), la física relativísta, la mecánica
clásica, el electromagnetismo,
la física estadística, la termodinámica,
la mecánica
cuántica, la física de partículas, la física
atómica y molecular. Además,
la astrofísica está íntimamente vinculada con la cosmología, que es
el área que pretende describir el origen del universo.
Esta área, junto a la física de partículas, es una de las áreas
más estudiadas y más apasionantes del mundo contemporáneo de la física. Desde
que el telescopio espacial Hubble nos
brindó detallada información de los más remotos confines del universo, los
físicos pudieron tener una visión más objetiva de lo que hasta ese momento eran
solo teorías.
En la
actualidad, todos o casi todos los astrónomos tienen una sólida formación en
física y las observaciones siempre se ponen en su contexto astrofísico, así que
los campos de la astronomía y astrofísica están frecuentemente enlazados.
Tradicionalmente, la astronomía se centra en la comprensión de los movimientos
de los objetos, mientras que la astrofísica busca explicar su origen, evolución
y comportamiento. Actualmente los términos «astronomía» y «astrofísica» se
suelen usar indistintamente para referirse al estudio del universo.
Biofísica
La biofísica es
la ciencia que
estudia la biología con
los principios y métodos de la física. Al aplicar el carácter probabilístico de
la mecánica
cuántica a sistemas biológicos, se
obtienen métodos puramente físicos para la explicación de propiedades
biológicas.
Se discute si la biofísica es una rama de la física, de la
biología o de ambas. Se puede decir que el intercambio de conocimientos es
únicamente en dirección a la biología, ya que esta se ha ido enriqueciendo de
los conceptos físicos y no viceversa. Desde un punto de vista se puede
concebir que los conocimientos y enfoques acumulados en la física «pura» se
pueden aplicar al estudio de sistemas biológicos. En ese caso la biofísica le
aporta conocimientos a la biología, pero no a la física. Sin embargo, la
biofísica ofrece a la física evidencia experimental que permite corroborar
teorías. Ejemplos en ese sentido son la física de la audición, la biomecánica,
los motores moleculares, comunicación molecular, entre
otros campos de la biología abordada por la física. La biomecánica, por
ejemplo, consiste en la aplicación de conceptos de la dinámica
clásica y la mecánica de sólidos deformables al
comportamiento cinemático, dinámico y estructural de las diferentes partes del
cuerpo.
Se estima que durante los inicios del siglo XXI, la confluencia
de físicos, biólogos y químicos a
los mismos laboratorios aumentará. Los estudios en neurociencia, por
ejemplo, han aumentado y cada vez han tenido mayores frutos desde que se
comenzó a implementar las leyes del electromagnetismo,
la óptica y
la física
molecular al estudio de las neuronas.
Otros estudios consideran que existen ramas de la física que se
deben desarrollar a profundidad como problemas físicos específicamente
relacionados con la materia viviente. Así, por ejemplo, los polímeros biológicos
(como las proteínas) no son
lo suficientemente grandes como para poderlos tratar como un sistema mecánico,
a la vez que no son lo suficientemente pequeños como para tratarlos como
moléculas simples en solución. Los cambios energéticos que ocurren durante una
reacción química catalizada por
una enzima, o
fenómenos como el acoplamiento químico-osmótico parecen requerir más de un enfoque
físico teórico profundo que de una evaluación biológica.
Entre esos dos extremos aparecen problemas como la generación y
propagación del impulso
nervioso donde se requiere un pensamiento biológico, más un
pensamiento físico así como algo cualitativamente nuevo que aparece con la
visión integradora del problema.87
Una
subdisciplina de la biofísica es la dinámica molecular, que intenta explicar las propiedades químicas de las
biomoléculas a través de su estructura y sus propiedades dinámicas y de
equilibrio.
Resumen de las disciplinas físicas
Clasificación de la física con respecto a teorías:
·
Mecánica
Clásica
·
Mecánica
cuántica
·
Teoría cuántica de campos
·
Teoría de la relatividad
o
Relatividad especial
o
Relatividad general
·
Mecánica Estadística
·
Termodinámica
·
Mecánica de medios continuos
o
Mecánica del sólido rígido, Mecánica de sólidos deformables, Elasticidad, Plasticidad
o
Mecánica de fluidos.
·
Electromagnetismo
o
Electricidad
o
Magnetismo
·
Electrónica
·
Astrofísica (rama
de la astronomía)
·
Geofísica (rama
de la geología)
·
Biofísica (rama
de la biología)
·
Óptica
Las matemáticas están en la física:
La física tan relacionada con las matemáticas de las cuales
también hablaremos se encuentra con muchas magnitudes que son propias de la
física:
Las unidades indicadas para cada magnitud son las utilizadas en
el Sistema Internacional de Unidades.
·
Geométricas
o
Longitud: cuya
unidad es el metro
o
Área: cuya
unidad es el metro
cuadrado
o
Volumen: cuya
unidad es el metro
cúbico
·
Relacionadas con el tiempo y proporciones respecto al tiempo:
o
Tiempo: cuya
unidad es el segundo
o
Velocidad: cuya
unidad es el metro por segundo
o
Aceleración: cuya
unidad es el metro por segundo al cuadrado
o
Frecuencia: cuya
unidad es el hercio o hertz.
·
Relacionadas con la dinámica:
o
Fuerza: cuya
unidad es el newton
o
Trabajo: cuya
unidad es el julio o joule
o
Energía: cuya
unidad es el julio o joule
o
Potencia: cuya
unidad es el vatio o watt
·
Termodinámicas y relacionadas con la cantidad de materia:
o
Masa: cuya
unidad es el kilogramo
o
Cantidad de sustancia: cuya unidad es el mol
o
Temperatura: cuya
unidad es el kelvin
o Presión: cuya unidad es el pascal
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Artículo escrito por Ana María Morón Usero.
Podéis aprender mucho más en el Glosario de Física y de los científicos destacados de la misma.
Gracias por leer. Que la ciencia y la fuerza os acompañen
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