Vamos a estudiar, todas las ramas que se han ido dando en la ciencia que es la física, paso a paso:
Mecánica clásica
La mecánica
clásica es la rama de la física que estudia las leyes del
comportamiento de cuerpos físicos macroscópicos (a diferencia de la mecánica
cuántica) en reposo y a velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz.
En la mecánica
clásica en general se tienen tres aspectos invariantes: el tiempo es
absoluto, la naturaleza realiza de forma espontánea la mínima acción y la concepción de un universo determinado.
El primer desarrollo de la mecánica clásica suele denominarse
mecánica newtoniana. Consiste en los conceptos físicos basados en los trabajos
fundacionales de Sir Isaac
Newton, y en los métodos matemáticos inventados por Gottfried Wilhelm Leibniz, Joseph-Louis Lagrange, Leonhard
Euler, y otros contemporáneos, en el siglo XVII para describir el
movimiento de los cuerpos físicos bajo
la influencia de un sistema de fuerzas.
Posteriormente, se desarrollaron métodos más abstractos que dieron lugar a las
reformulaciones de la mecánica clásica conocidas como mecánica lagrangiana y mecánica hamiltoniana. Estos avances,
realizados predominantemente en los siglos XVIII y XIX, van sustancialmente más
allá de los trabajos anteriores, sobre todo por su uso de la mecánica analítica. También se utilizan, con
algunas modificaciones, en todas las áreas de la física moderna.
La mecánica clásica proporciona resultados extremadamente
precisos cuando se estudian objetos grandes que no son extremadamente masivos y
velocidades que no se acercan a la velocidad de la luz. Cuando los objetos que
se examinan tienen el tamaño del diámetro de un átomo, se hace necesario
introducir el otro gran subcampo de la mecánica: la mecánica
cuántica. Para describir las velocidades que no son pequeñas en
comparación con la velocidad de la luz, se necesita la relatividad especial. En los casos en los que
los objetos se vuelven extremadamente masivos, se aplica la relatividad general. Sin embargo, algunas
fuentes modernas incluyen la mecánica relativista en la física
clásica, que en su opinión representa la mecánica clásica en su forma más
desarrollada y precisa.
Existen varias formulaciones diferentes, en mecánica clásica,
para describir un mismo fenómeno natural que, independientemente de los
aspectos formales y metodológicos que utilizan, llegan a la misma conclusión.
La mecánica vectorial, que deviene directamente de
las leyes de
Newton, por lo que también se le conoce como «mecánica newtoniana»,
llega, a partir de las tres
ecuaciones formuladas por Newton y mediante el cálculo diferencial e integral, a una
muy exacta aproximación de los fenómenos físicos. Es aplicable a cuerpos que se
mueven en relación con un observador a velocidades pequeñas comparadas con la
de la luz. Fue construida en un principio para una sola partícula moviéndose en
un campo gravitatorio. Se basa en el tratamiento de
dos magnitudes vectoriales bajo una relación causal: la fuerza y
la acción de la fuerza, medida por la variación del momentum (cantidad de movimiento). El
análisis y síntesis de fuerzas y momentos constituye el método básico de la
mecánica vectorial. Requiere del uso privilegiado de sistemas
de referencia inercial.57
La mecánica analítica (analítica en el sentido matemático de la palabra, no en
el sentido filosófico) es una formulación matemática abstracta sobre la
mecánica; permite desligarse de esos sistemas de referencia privilegiados y tener conceptos más generales al momento
de describir un movimiento con el uso del cálculo de variaciones. Sus métodos son poderosos y trascienden de la mecánica a otros
campos de la física. Se puede encontrar el germen de la mecánica analítica en
la obra de Leibniz, quien propone
que para solucionar problemas en mecánica,
magnitudes escalares (menos
oscuras según Leibniz que la fuerza y el momento de Newton), como energía cinética y el trabajo, son
suficientes y menos oscuras que las cantidades vectoriales, como la fuerza y el momento, propuestos por Newton. Existen dos formulaciones equivalentes:
la llamada mecánica lagrangiana es una reformulación de la mecánica realizada por Joseph Louis Lagrange que se basa en la ahora llamada ecuación de Euler-Lagrange
(ecuaciones diferenciales de segundo orden) y el principio de mínima acción; la
otra, llamada mecánica hamiltoniana, es una reformulación más teórica basada en una funcional llamada
hamiltoniano realizada por William Hamilton. Las mecánicas hamiltoniana y lagrangiana son ejemplos de
mecánicas analíticas, donde las magnitudes se relacionan entre sí por ecuaciones
diferenciales parciales, que son
equivalentes a las ecuaciones de Newton, por ejemplo las ecuaciones canónicas de Hamilton.
Electromagnetismo
El electromagnetismo es
la rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en
una sola teoría. El electromagnetismo describe la interacción de partículas
cargadas con campos
eléctricos y magnéticos.
La interacción electromagnética es
una de las cuatro fuerzas fundamentales del
universo conocido. Las partículas cargadas interactúan electromagnéticamente
mediante el intercambio de fotones.
El electromagnetismo abarca diversos fenómenos del mundo real
como por ejemplo la luz. La luz
es un campo electromagnético oscilante que se
irradia desde partículas cargadas aceleradas. Aparte de la gravedad, la mayoría
de las fuerzas en la experiencia cotidiana son consecuencia de
electromagnetismo.
Los principios del electromagnetismo encuentran aplicaciones en
diversas disciplinas afines, tales como las microondas, antenas, máquinas
eléctricas, comunicaciones por satélite, bioelectromagnetismo, plasmas, investigación
nuclear, la fibra
óptica, la interferencia y la compatibilidad electromagnéticas, la
conversión de energía electromecánica, la meteorología por radar, y la
observación remota. Los dispositivos electromagnéticos incluyen transformadores, relés, radio/TV, teléfonos, motores
eléctricos, líneas de transmisión, guías de onda y láseres.
Los fundamentos de la teoría electromagnética fueron presentados
por Michael
Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell en 1865. La
formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que
relacionan el campo
eléctrico, el campo
magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización
magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell, lo que ha sido
considerada como la «segunda gran unificación de la física», siendo la primera
realizada por Isaac
Newton.
La teoría electromagnética se puede dividir en electrostática —el
estudio de las interacciones entre cargas en
reposo— y la electrodinámica —el
estudio de las interacciones entre cargas en movimiento y la radiación. La
teoría clásica del electromagnetismo se basa en la fuerza de
Lorentz y en las ecuaciones de Maxwell.
El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de estas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares. La electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta interacción, que puede ser unificada con la interacción nuclear débil según el modelo electrodébil.
Relatividad
La teoría de la relatividad incluye
tanto a la teoría de la relatividad especial como la de relatividad general, formuladas
principalmente por Albert
Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la
incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo.
La teoría de la relatividad especial,
publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia
de fuerzas gravitatorias, en el
que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell del
electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento. En la
teoría de la relatividad especial, Einstein, Lorentz y Minkowski, entre
otros, unificaron los conceptos de espacio y tiempo, en un
ramado tetradimensional al que se le denominó espacio-tiempo. La
relatividad especial fue una teoría revolucionaria para su época, con la que el
tiempo absoluto de Newton quedó relegado y conceptos como la invariabilidad en
la velocidad de la luz, la dilatación del tiempo, la contracción de la longitud y
la equivalencia entre masa y energía fueron
introducidos. Además, con las formulaciones de la relatividad especial,
las leyes de la Física son invariantes en todos
los sistemas de referencia inerciales; como
consecuencia matemática, se encuentra como límite superior de velocidad a la de
la luz y se elimina la causalidad determinista que tenía la
física hasta entonces. Hay que indicar que las leyes del movimiento de Newton
son un caso particular de esta teoría donde la masa, al
viajar a velocidades muy pequeñas, no experimenta variación alguna en longitud
ni se transforma en energía y al tiempo se le puede considerar absoluto.
La teoría de la relatividad general,
publicada en 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad
newtoniana, aunque coincide numéricamente con ella para campos gravitatorios
débiles y "pequeñas" velocidades. La teoría general se
reduce a la teoría especial en presencia de campos gravitatorios. La
relatividad general estudia la interacción gravitatoria como
una deformación en la geometría del espacio-tiempo. En esta teoría se introducen
los conceptos de la curvatura del espacio-tiempo como
la causa de la interacción gravitatoria, el principio de equivalencia que
dice que para todos los observadores locales inerciales las leyes de la
relatividad especial son invariantes y la introducción del movimiento de una
partícula por líneas geodésicas. La
relatividad general no es la única teoría que describe la atracción gravitatoria,
pero es la que más datos relevantes comprobables ha encontrado. Anteriormente,
a la interacción gravitatoria se la describía matemáticamente por medio de una
distribución de masas, pero en
esta teoría no solo la masa percibe esta interacción, sino también la energía,
mediante la curvatura del espacio-tiempo y por eso se necesita otro lenguaje
matemático para poder describirla, el cálculo
tensorial. Muchos fenómenos, como la curvatura de la luz por acción de la
gravedad y la desviación en la órbita de Mercurio, son perfectamente predichos por
esta formulación. La relatividad general también abrió otro campo de
investigación en la física, conocido como cosmología y es ampliamente utilizado
en la astrofísica.
El 7 de marzo de
2010, la Academia Israelí
de Ciencias exhibió públicamente los
manuscritos originales de Einstein (redactados en 1905). El documento, que
contiene 46 páginas de textos y fórmulas matemáticas escritas a mano, fue
donado por Einstein a la Universidad
Hebrea de Jerusalén en 1925 con motivo de
su inauguración.
Termodinámica
La termodinámica es la rama de la física que describe los estados de equilibrio termodinámico a nivel macroscópico. El Diccionario de la lengua española de la Real Academia, por su parte, define la termodinámica como la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también se pueden tratar por medio de la termodinámica.
La termodinámica trata los procesos de transferencia de calor, que es una de las formas
de energía y
cómo se puede realizar un trabajo con ella. En esta área se
describe cómo la materia en cualquiera de sus fases (sólido, líquido, gaseoso) va
transformándose. Desde un punto de vista macroscópico de la materia, se estudia
cómo esta reacciona a cambios en su volumen, presión y temperatura, entre
otras magnitudes. La termodinámica se basa en cuatro leyes principales: el
equilibrio termodinámico (o ley cero), el principio de conservación de la energía (primera
ley), el aumento temporal de la entropía (segunda
ley) y la imposibilidad del cero absoluto (tercera ley).
Una consecuencia de la termodinámica es lo que hoy se conoce
como mecánica estadística. Esta rama estudia, al
igual que la termodinámica, los procesos de transferencia de calor, pero, al
contrario, a la anterior, desde un punto de vista molecular. La
materia, como se conoce, está compuesta por moléculas, y el conocer el
comportamiento de una sola de sus moléculas nos lleva a medidas erróneas. Por
eso se debe tratar como un conjunto de elementos caóticos o aleatorios y
se utiliza el lenguaje estadístico y
consideraciones mecánicas para describir comportamientos macroscópicos de este
conjunto molecular microscópico.
La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente
a estados de equilibrio,
definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema tiende a evolucionar y
caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan
determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente
aplicadas».Tales estados terminales de equilibrio son, por definición,
independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica —todas
las leyes y variables termodinámicas— se definen de tal modo que se podría
decir que un sistema está en equilibrio si sus propiedades se pueden describir consistentemente
empleando la teoría termodinámica. Los estados de equilibrio son
necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a
las que esté sometido. Por medio de los cambios producidos en estas
restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansión
del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema tenderá a
evolucionar de un estado de equilibrio a otro; comparando ambos estados de equilibrio, la
termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía
térmica entre sistemas térmicos diferentes.
Como ciencia fenomenológica, la termodinámica no se ocupa de
ofrecer una interpretación física de sus magnitudes. La primera de ellas, la
energía interna, se acepta como una manifestación macroscópica de las leyes de
conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el
estado energético del sistema macroscópico. El punto de partida para la mayor parte de
las consideraciones termodinámicas son los que postulan que la energía se puede
intercambiar entre sistemas en forma de calor o trabajo, y que
solo se puede hacer de una determinada manera. También se introduce una
magnitud llamada entropía, que se define como aquella función extensiva de la
energía interna, el volumen y la composición molar que toma valores máximos en
equilibrio: el principio de maximización de la entropía define el sentido en el
que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro, Es la mecánica estadística, íntimamente relacionada
con la termodinámica, la que ofrece una interpretación física de ambas
magnitudes: la energía interna se identifica con la suma de las energías
individuales de los átomos y moléculas del sistema, y la entropía mide el grado
de orden y
el estado dinámico de los sistemas, y tiene una conexión muy fuerte con
la teoría de información. En la termodinámica se
estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a
definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un
sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí
mediante las ecuaciones de estado. Estas se pueden combinar
para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles
para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos
espontáneos.
Con estas
herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas reaccionan a los
cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de
la ciencia y de
la ingeniería, tales
como motores, cambios de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte e incluso agujeros negros.
Mecánica cuántica
La mecánica
cuántica es la rama de la física que estudia la naturaleza a
escalas espaciales pequeñas. Los sistemas atómicos y subatómicos, sus
interacciones con la radiación electromagnética y otras fuerzas, en términos de
cantidades observables. Se basa
en la observación de que todas las formas de energía se
liberan en unidades discretas o paquetes llamados cuantos. Estos
cuantos tienen la característica de pertenecer todos a un grupo específico
de bosones, estando
cada uno ligado a una interacción fundamental. (Ej: el
fotón pertenece a la electromagnética). Sorprendentemente, la teoría
cuántica solo permite normalmente cálculos probabilísticos o estadísticos de
las características observadas de las partículas elementales, entendidos en términos
de funciones de onda. La ecuación de Schrödinger desempeña el papel
en la mecánica cuántica que las leyes de Newton y
la conservación de la energía hacen
en la mecánica clásica. Es decir, la predicción del comportamiento futuro de
un sistema
dinámico y es una ecuación de onda en términos de una función
de onda la que predice analíticamente la probabilidad precisa de
los eventos o resultados.
En teorías anteriores de la física clásica, la energía era
tratada únicamente como un fenómeno continuo, en tanto que la materia se supone
que ocupa una región muy concreta del espacio y
que se mueve de manera continua. Según la teoría cuántica, la energía se emite
y se absorbe en cantidades discretas y minúsculas. Un paquete individual de
energía, llamado cuanto, en algunas situaciones se comporta como una partícula de materia. Por otro lado,
se encontró que las partículas exponen algunas propiedades ondulatorias cuando
están en movimiento y ya no son vistas como localizadas en una región
determinada, sino más bien extendidas en cierta medida. La luz u otra radiación
emitida o absorbida por un átomo solo
tiene ciertas frecuencias (o longitudes
de onda), como puede verse en la línea del
espectro asociado al elemento
químico representado por tal átomo. La teoría cuántica demuestra
que tales frecuencias corresponden a niveles definidos de los cuantos de luz,
o fotones, y es el
resultado del hecho de que los electrones del átomo solo pueden tener ciertos
valores de energía permitidos. Cuando un electrón pasa de un nivel permitido
a otro, una cantidad de energía es emitida o absorbida, cuya frecuencia es
directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles.
La mecánica cuántica surge tímidamente en los inicios del
siglo xx dentro de las
tradiciones más profundas de la física para dar una solución a problemas para
los que las teorías conocidas hasta el momento habían agotado su capacidad de
explicar, como la llamada catástrofe ultravioleta en la radiación
de cuerpo negro predicha por la física estadística clásica y la inestabilidad
de los átomos en el modelo atómico de Rutherford. La
primera propuesta de un principio propiamente cuántico se debe a Max
Planck en 1900, para resolver el problema de la radiación de
cuerpo negro, que fue duramente cuestionado, hasta que Albert Einstein lo
convierte en el principio que exitosamente pueda explicar el efecto fotoeléctrico. Las primeras
formulaciones matemáticas completas de la mecánica cuántica no se alcanzan
hasta mediados de la década de 1920, sin que hasta el día de hoy se tenga una
interpretación coherente de la teoría, en particular del problema de la medición.
El formalismo de la mecánica cuántica se desarrolló durante
la década de
1920. En 1924, Louis de Broglie propuso que, al igual que
las ondas de luz presentan propiedades de partículas, como ocurre en el efecto fotoeléctrico, las partículas, también
presentan propiedades ondulatorias. Dos
formulaciones diferentes de la mecánica cuántica se presentaron después de la
sugerencia de Broglie. En 1926, la mecánica ondulatoria de Erwin
Schrödinger implica la utilización de una entidad matemática, la función
de onda, que está relacionada con la probabilidad de encontrar una
partícula en un punto dado en el espacio. En 1925, la mecánica matricial de Werner
Heisenberg no hace mención alguna de las funciones de onda o
conceptos similares, pero ha demostrado ser matemáticamente equivalente a la
teoría de Schrödinger. Un descubrimiento importante de la teoría cuántica es
el principio de incertidumbre,
enunciado por Heisenberg en 1927, que pone un límite teórico absoluto en la
precisión de ciertas mediciones. Como resultado de ello, la asunción clásica de
los científicos de que el estado físico de un sistema podría medirse
exactamente y utilizarse para predecir los estados futuros tuvo que ser
abandonada. Esto supuso una revolución filosófica y dio pie a numerosas
discusiones entre los más grandes físicos de la época.
La mecánica cuántica propiamente dicha no incorpora a la relatividad en
su formulación matemática. La parte de la mecánica cuántica que incorpora elementos
relativistas de manera formal para abordar diversos problemas se conoce
como mecánica cuántica relativista o
ya, en forma más correcta y acabada, teoría cuántica de campos (que
incluye a su vez a la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica y teoría electrodébil dentro del modelo estándar) y más
generalmente, la teoría
cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La
única interacción elemental que no se ha podido cuantizar hasta el momento ha
sido la interacción
gravitatoria. Este problema constituye entonces uno de los mayores desafíos
de la física del siglo xxi.
La mecánica cuántica se combinó con la teoría de la relatividad en la
formulación de Paul
Dirac de 1928, lo que,
además, predijo la existencia de antipartículas. Otros desarrollos de la teoría
incluyen la estadística cuántica, presentada en una forma por Einstein y Bose
(la estadística de Bose-Einstein) y en
otra forma por Dirac y Enrico
Fermi (la estadística de Fermi-Dirac);
la electrodinámica cuántica,
interesada en la interacción entre partículas cargadas y los campos
electromagnéticos, su generalización, la teoría cuántica de campos y
la electrónica cuántica.
La mecánica cuántica proporciona el fundamento de la fenomenología del átomo, de su núcleo y de las partículas elementales (lo cual requiere necesariamente el enfoque relativista). También su impacto en teoría de la información, criptografía y química ha sido decisivo entre esta misma.
En la próxima y última publicación os dejo las investigaciones del futuro de la física, así como la bibliografía consultada por si queréis buscar más.
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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