En esta parte de la física, la segunda nos metemos en la clase de historia de esta ciencia, para que entendamos la evolución de las cosas.
La historia de la física abarca los esfuerzos
y estudios realizados por las personas que han tratado de entender el porqué de
la naturaleza y los fenómenos que en ella se observan: el paso de las
estaciones, el movimiento de los cuerpos y de los astros, los fenómenos
climáticos, las propiedades de los materiales, entre otros. Gracias a su vasto
alcance y a su extensa historia, la física es clasificada como una ciencia
fundamental. Esta disciplina científica se puede dedicar a describir las
partículas más pequeñas o a explicar cómo nace una estrella.
La mayoría de las civilizaciones de la antigüedad trataron desde un principio de explicar el funcionamiento de su entorno; miraban las estrellas y pensaban cómo ellas podían regir su mundo. Esto llevó a muchas interpretaciones de carácter más filosófico que físico; no en vano en esos momentos a la física se le llamaba filosofía natural. Muchos filósofos se encuentran en el desarrollo primitivo de la física, como Aristóteles, Tales de Mileto o Demócrito, ya que fueron los primeros en tratar de buscar algún tipo de explicación a los fenómenos que les rodeaban. Las primeras explicaciones que aparecieron en la antigüedad se basaban en consideraciones puramente filosóficas, sin verificarse experimentalmente. Algunas interpretaciones equivocadas, como la hecha por Claudio Ptolomeo en su famoso Almagesto —«La Tierra está en el centro del Universo y alrededor de ella giran los astros»— perduraron durante miles de años. A pesar de que las teorías descriptivas del universo que dejaron estos pensadores eran erradas en sus conclusiones, estas tuvieron validez por mucho tiempo, casi dos mil años, en parte por la aceptación de la Iglesia católica de varios de sus preceptos, como la teoría geocéntrica.
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¿Cómo empezó la física?
La primera rama: Astronomía antigua
Segunda rama: Filosofía natural
Un pequeño apunte de historia: La
física en el mundo medieval europeo e islámico
Tras la introducción histórica, la
física clásica:
Hoy en día… la física moderna
Esta etapa, denominada oscurantismo en la ciencia de Europa,
termina cuando el canónigo y científico Nicolás
Copérnico, quien es considerado padre de la astronomía moderna,
recibe en 1543 la primera copia de su libro, titulado De Revolutionibus Orbium
Coelestium. A pesar de que Copérnico fue el primero en formular teorías
plausibles, es otro personaje al cual se le considera el padre de la física
como la conocemos ahora. Un catedrático de matemáticas de la Universidad de Pisa a finales del siglo XVI cambiaría
la historia de la ciencia, empleando por primera vez experimentos para
comprobar sus afirmaciones: Galileo Galilei. Mediante el uso del telescopio para
observar el firmamento y sus trabajos en planos
inclinados, Galileo empleó por primera vez el método
científico y llegó a conclusiones capaces de ser verificadas. A sus
trabajos se les unieron grandes contribuciones por parte de otros científicos como Johannes
Kepler, Blaise
Pascal y Christian
Huygens.
Posteriormente, en el siglo XVII, un científico inglés reunió las
ideas de Galileo y Kepler en un solo trabajo, unifica las ideas del movimiento
celeste y las de los movimientos en la Tierra en lo que él llamó gravedad. En
1687, Isaac
Newton formuló, en su obra titulada Philosophiae Naturalis
Principia Mathematica, los tres principios del movimiento y una cuarta ley de la gravitación universal, que
transformaron por completo el mundo físico; todos los fenómenos podían ser
vistos de una manera mecánica.
El trabajo de Newton en este campo perdura hasta
la actualidad, ya que todos los fenómenos macroscópicos pueden ser descritos de
acuerdo a sus tres
leyes. Por eso durante el resto de ese siglo y en el posterior,
el siglo
XVIII, todas las investigaciones se basaron en sus ideas. De ahí que
se desarrollaron otras disciplinas como la termodinámica, la óptica,
la mecánica de fluidos y la mecánica estadística. Los conocidos trabajos
de Daniel
Bernoulli, Robert
Boyle y Robert
Hooke, entre otros, pertenecen a esta época.
En el siglo XIX se
produjeron avances fundamentales en la electricidad y el magnetismo,
principalmente de la mano de Charles-Augustin de Coulomb, Luigi
Galvani, Michael
Faraday y Georg
Simon Ohm, que culminaron en el trabajo de James Clerk Maxwell en 1855, que logró
la unificación de ambas ramas en el llamado electromagnetismo. Además,
se producen los primeros descubrimientos sobre radiactividad y
el descubrimiento del electrón por
parte de Joseph John Thomson en 1897.
Durante el siglo XX, la
física se desarrolló plenamente. En 1904, Hantarō
Nagaoka había propuesto el primer modelo del átomo, el cual
fue confirmado en parte por Ernest Rutherford en 1911, aunque ambos
planteamientos serían después sustituidos por el modelo atómico de Bohr, de 1913. En 1905,
Einstein formuló la teoría de la relatividad especial, la cual
coincide con las leyes de
Newton al decir que los fenómenos se desarrollan a velocidades
pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. En 1915 extendió la teoría de
la relatividad especial, formulando la teoría de la relatividad general, la cual
sustituye a la ley de gravitación de Newton y la comprende en los casos de
masas pequeñas. Max
Planck, Albert
Einstein, Niels
Bohr y otros, desarrollaron la teoría
cuántica, a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la
radiación de los cuerpos. En 1911, Ernest
Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado
positivamente, a partir de experiencias de dispersión de partículas. En
1925 Werner
Heisenberg, y en 1926 Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac,
formularon la mecánica
cuántica, la cual comprende las teorías cuánticas precedentes y
suministra las herramientas teóricas para la Física de la materia condensada.
Posteriormente se formuló la teoría cuántica de campos, para
extender la mecánica cuántica de acuerdo con la Teoría de la Relatividad
especial, alcanzando su forma moderna a finales de la década de 1940, gracias
al trabajo de Richard
Feynman, Julian
Schwinger, Shin'ichirō Tomonaga y Freeman
Dyson, los cuales formularon la teoría de la electrodinámica cuántica. Esta
teoría formó la base para el desarrollo de la física de partículas. En 1954, Chen Ning
Yang y Robert Mills desarrollaron las bases
del modelo
estándar. Este modelo se completó en los años 1970, y con
él fue posible predecir las propiedades de partículas no observadas
previamente, pero que fueron descubiertas sucesivamente, siendo la última de
ellas el quark top.
Los intentos de
unificar las cuatro interacciones fundamentales han llevado a los físicos a nuevos campos impensables. Las
dos teorías más aceptadas, la mecánica cuántica y la relatividad general, que son capaces de describir con gran exactitud el macro y el
micromundo, parecen incompatibles cuando se las quiere ver desde un mismo punto
de vista. Por eso se han formulado nuevas teorías, como la supergravedad o la teoría de cuerdas, donde se
centran las investigaciones a inicios del siglo XXI. Esta ciencia no desarrolla únicamente teorías, también es una
disciplina de experimentación. Sus hallazgos, por lo tanto, pueden ser
comprobados a través de experimentos. Además, sus teorías permiten establecer
previsiones sobre pruebas que se desarrollen en el futuro.
La Astronomía es
una de las más antiguas ciencias naturales. Las primeras civilizaciones que
se remontan a antes del año 3000 a.C., como la de Sumeria, la
del antiguo
Egipto y la de la Civilización del Valle del Indo, tenían
un conocimiento predictivo y una comprensión básica de los movimientos del Sol,
la Luna y las estrellas. Las estrellas y los planetas, que se creía que
representaban a los dioses, eran a menudo adorados. Aunque las explicaciones de
las posiciones observadas de las estrellas eran a menudo poco científicas y
carentes de pruebas, estas primeras observaciones sentaron las bases de la
astronomía posterior, ya que se descubrió que las estrellas atravesaban grandes círculos en
el cielo, lo que, sin embargo, no explicaba las posiciones de los planetas.
Según Asger Aaboe, los
orígenes de la astronomía del occidental se encuentran en Mesopotamia, y todos
los esfuerzos occidentales en las ciencias
exactas descienden de la tardía astronomía babilónica. 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, la astrónomos
griegos proporcionó nombres, que todavía se utilizan hoy en día,
para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio
norte.
La Filosofía
natural tiene sus orígenes en Grecia durante la período
arcaico (650 a.C. - 480 a.C.), cuando los filósofos
presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones del no naturalista para
los fenómenos naturales y proclamaron que todo acontecimiento tenía una causa
natural. Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas
de sus hipótesis tuvieron éxito en la experimentación; por ejemplo, el atomismo se
encontró correcto aproximadamente 2000 años después de ser propuesto por Leucipo y
su alumno Demócrito.
El Imperio Romano de Occidente cayó
en el siglo V, lo que provocó un declive de las actividades intelectuales en la
parte occidental de Europa. En cambio, el Imperio Romano de Oriente (también
conocido como Imperio
Bizantino) resistió los ataques de los bárbaros, y continuó avanzando en
diversos campos del saber, entre ellos la física.
En el siglo VI, Isidoro de Mileto realizó una importante
recopilación de las obras de Arquímedes que están copiadas en el Palimpsesto de Arquímedes.
En la Europa del siglo VI, Juan
Filopón, un erudito bizantino, cuestionó la enseñanza de la física
de Aristóteles y
señaló sus defectos. Introdujo la teoría
del ímpetu. La física de Aristóteles no fue examinada hasta que apareció
Filopón; a diferencia de Aristóteles, que basaba su física en la argumentación
verbal, Filopón se basó en la observación. Sobre la física de Aristóteles,
Filopón escribió:
Pero esto es completamente
erróneo, y nuestro punto de vista puede ser corroborado por la observación real
más eficazmente que por cualquier tipo de argumento verbal. Pues 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 de tiempo es muy
pequeña. Y así, si la diferencia de pesos no es considerable, es decir, si uno
es, digamos, el doble que el otro, no habrá diferencia, o bien una diferencia
imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso no es en absoluto
despreciable, con un cuerpo que pesa el doble que el otro.
La crítica de Philoponus a los principios aristotélicos de la
física sirvió de inspiración a Galileo Galilei diez siglos después,
durante la Revolución Científica. Galileo citó
sustancialmente a Filopón en sus obras al argumentar que la física aristotélica
era defectuosa. En el año 1300 Jean Buridan, profesor de la facultad de
artes de la Universidad de París, desarrolló el concepto de ímpetu. Fue un 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, poniendo especialmente énfasis en la observación y el razonamiento a
priori, desarrollando las primeras formas del método
científico.
Las innovaciones más notables se produjeron en el campo de la
óptica y la visión, que procedieron de los trabajos de muchos científicos
como Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn
al-Haytham, Al-Farisi y Avicena. La obra
más notable fue El Libro
de la Óptica (también conocido como Kitāb
al-Manāẓir), escrito por Ibn al-Haytham, en el que refutaba de forma
concluyente la antigua idea griega sobre la visión, pero también aportaba una
nueva teoría. En el libro, presentó un estudio del fenómeno de la cámara
oscura (su versión milenaria de la cámara estenopeica) y profundizó en el
funcionamiento del propio ojo. Utilizando disecciones y los conocimientos de
estudiosos anteriores, pudo empezar a explicar cómo entra la luz en el ojo.
Afirmó que el rayo de luz se enfoca, pero la explicación real de cómo la luz se
proyecta a la parte posterior del ojo tuvo que esperar hasta 1604. Su Tratado
sobre la luz explicó la cámara oscura, cientos de años antes del
desarrollo moderno de la fotografía.
El Libro de la Óptica (Kitab al-Manathir),
de siete volúmenes, influyó enormemente en el pensamiento de distintas
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 estudiosos europeos posteriores y compañeros polímatas, 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 equipara a la de 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 los que Ibn al-Haytham había
construido, y comprender el funcionamiento de la luz. A partir de ello, se
desarrollaron cosas tan importantes como gafas, lupas, telescopios y cámaras.
La física se convirtió en una ciencia independiente cuando la
Europa moderna temprana utilizó métodos experimentales y cuantitativos para
descubrir lo que ahora se consideran las leyes de la física.
Entre los principales avances de este periodo se encuentran la
sustitución del modelo geocéntrico del Sistema
Solar por el modelo copernicano heliocéntrico,
las leyes que
rigen el movimiento de los cuerpos planetarios determinadas
por Kepler entre 1609 y 1619, los trabajos pioneros sobre telescopios y astronomía observacional de
Galileo en los siglos XVI y XVII, y el descubrimiento y la unificación por
parte de Newton de las leyes del movimiento y
de la ley de la
gravitación universal de Newton, que llegarían a llevar su
nombre. Newton también desarrolló el cálculo, 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 un mayor esfuerzo de investigación durante la Revolución Industrial al aumentar las
necesidades energéticas. Las leyes que componen la física clásica siguen siendo
muy utilizadas para objetos a escalas cotidianas que se desplazan 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 se
simplifican a sus equivalentes clásicos a tales escalas. Sin embargo, las
imprecisiones de la mecánica clásica para objetos muy pequeños y velocidades
muy altas condujeron al desarrollo de la física moderna en el siglo XX.
La física clásica se ocupa generalmente 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 a una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo,
la atómica y
la Física
nuclear estudian la materia a la escala más pequeña en 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 energías extremadamente altas necesarias para
producir muchos tipos de partículas en los aceleradores de partículas. A esta
escala, las nociones ordinarias y comunes 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 la presentada
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 de los aspectos complementarios
de las partículas y las ondas en la descripción de dichos fenómenos. La teoría
de la relatividad se ocupa de 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 ocupa del movimiento en ausencia de campos gravitatorios y la teoría general de la relatividad del
movimiento 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.
En la próxima publicación os encontraréis con los nombres destacados en esta ciencia que han ganado premios nobel y la filosofía detrás de está ciencia, acercándonos más a entenderla.
Gracias por leer, ya sabes compartir es vivir, así que ... comparte!
Que la ciencia y la fuerza te acompañe
Ammu
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