La Historia de la Física
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La historia de la física ciertamente abarca un largo período de tiempo, pero no hay acuerdo sobre la fecha exacta de su nacimiento: algunos eruditos incluso han apoyado su comienzo documentado en la civilización del valle del Indo , cuando se utilizaron conchas para construir herramientas para la observación de la cielo. El progreso de la ciencia que hoy llamamos Física, partiendo oficialmente de la física moderna , ha traído enormes avances no solo en los campos científico y filosófico , sino también -a través de la tecnología- grandes transformaciones socioeconómicas de la sociedad. la revolución científica en el siglo XVII con la formulación del método científico y el comienzo de la llamada física clásica y luego continuó en el siglo XX y más allá con el . Hoy en día, la ciencia física continúa su evolución, y aún deben entenderse y estudiarse muchas más cuestiones, como la naturaleza del vacío y las partículas subatómicas .
En la antigüedad la física fue objeto de investigaciones filosóficas, tanto que antes del desarrollo de la ciencia moderna coincidió con la filosofía de la naturaleza , disciplina considerada contraparte, o por positivistas la precursora, de lo que hoy se llama ciencia natural .
Como también sostiene la "escuela sociológica" de Émile Durkheim , Lucien Lévy-Bruhl , etc., la forma que tenían los antiguos de relacionarse con la realidad puede en cierto sentido compararse, aunque con diversas distinciones, a la mágica y clara visionaria. Pensó en los pueblos hoy llamados " primitivos ".
a física aristotélica estudió principalmente la cualidad , o esencia , del mundo natural " sublunar ", que se encuentra por debajo de la zona de influencia de la Luna, en contraposición al celeste . Estas cualidades consistían principalmente en los cuatro elementos clásicos, a saber, tierra , agua , aire , fuego , con los que se explicaba la naturaleza de cada movimiento , que a su vez se reducía a cuatro. causas fundamentales : formal, material, eficiente y final. [3]
Un estudio matematizado de fenómenos reproducibles aparece en la civilización griega en el momento helenística y conduce al nacimiento de una serie de disciplinas que, si luego se concibieron como parte de las ciencias matemáticas , se incorporaron a la física. Son:
La mecánica , dentro de la cual los principales resultados obtenidos se refieren a un estudio de equilibrio y cálculo de la ventaja mecánica de máquinas simples . Algunos resultados interesantes (por ejemplo, por Stratone di Lampsaco ) también se refieren al estudio de la caída de los cuerpos .
La hidrostática , desarrollada principalmente por Arquímedes ;
La óptica , dirigida sobre todo al estudio de los fenómenos de reflexión y refracción; en este contexto, gracias al teorema de Heron , se obtuvo la primera aplicación a la física de un principio mínimo.
La neumatica , que resulta especialmente interesante para el desarrollo de una serie de equipos, que incluía, por ejemplo, el termoscopio .
Las disciplinas anteriores se desarrollaron en la Edad Media principalmente gracias a una serie de científicos del mundo islámico . Particularmente relevantes fueron los resultados en el campo de la óptica, gracias sobre todo a Ibn Sahl , en cuyo trabajo encontramos la primera enunciación de la llamada ley de refracción de Snell , ya Alhazen .
Sin embargo, las explicaciones cualitativas siguieron prevaleciendo en la Edad Media latina sobre las cuantitativas, también en óptica y mecánica. Sin embargo, con la expansión de las corrientes nominalistas , se superaron las concepciones aristotélicas del movimiento cuando, por ejemplo, Giovanni Buridano introdujo la teoría del ímpetu , basada en las ideas de Giovanni Filopono , como una fuerza que opera no sólo en el mundo terrestre sublunar sino también en el movimiento revolucionario de las estrellas . Aunque ridiculizada en los siglos venideros, la teoría del ímpetu anticipó conceptos similares a la de la inercia., que de hecho habría excluido cualquier explicación viva y panpsíquica de la naturaleza.
Entre finales del siglo XVI y principios del siglo siguiente se produce un salto cualitativo en el desarrollo de la física, representado sobre todo por Galileo Galilei y su escuela, entre cuyos representantes hay que recordar al menos a Bonaventura Cavalieri. y Evangelista Torricelli .
Las principales innovaciones son metodológicas: la afirmación del método experimental (que, sin embargo, como se hace cada vez más evidente, no era una novedad absoluta) se acompaña del uso sistemático de las matemáticas y el desarrollo de instrumentos científicos: entre estos últimos en la fase inicial Las fases que tienen particularmente importantes son el telescopio y el microscopio (llamado "occhialino" por Galileo). Entre los resultados obtenidos, los principales se referían al principio de inercia , la ley del movimiento de los cuerpos, el descubrimiento de la presión atmosférica , la recuperación de la hidrostática antigua y los descubrimientos astronómicos. Los estudios de óptica también progresaron en el mismo período: Thomas Harriot y Willebrord Snell redescubren la ley de refracción difracción de la luz.que había sido conocido por los científicos islámicos y Francesco Maria Grimaldi la descubre.
En la segunda mitad del siglo XVII, el centro de gravedad de la investigación científica se desplazó de Italia al norte de Europa: sobre todo, en esta primera fase, a los Países Bajos e Inglaterra . El foco sigue siendo la mecánica y la óptica . Gracias a científicos como Christiaan Huygens y Robert Hooke , los estudios sobre los fenómenos de interferencia y difracción dan lugar a la teoría ondulatoria de la luz , se aclara el papel de la aceleración vectorial en la dinámica y se formula una teoría de la gravitación . Finalmente Isaac Newton , en la Philosophiae Naturalis Principia Mathematica y en la Óptica , realiza una nueva síntesis de la física que tendrá un enorme éxito. El primer trabajo constituye un avance esencial con respecto a todas las mecánicas anteriores, proporcionando un marco unitario en el que es posible deducir de los famosos tres principios de la dinámica y de la ley de la gravitación universal todas las características conocidas de los movimientos planetarios (y satélites). . Más cuestionable es el papel del trabajo de óptica, que si por un lado logra explicar muchos fenómenos de forma unitaria, por otro lado bloqueará el desarrollo de la óptica ondulatoria durante algún tiempo, lo que Newton él se había negado.
Del Siglo XVIII al Siglo XIX, En estos dos siglos se está formando la todavía llamada " física clásica ": la mecánica y la óptica, que progresan sustancialmente, están flanqueadas por sectores total o esencialmente nuevos: la acústica, la termodinámica y el estudio de lo eléctrico y magnético. La mecánica newtoniana, esencialmente basada en métodos geométricos, fue reemplazada por la mecánica analítica , construida con herramientas matemáticas más poderosas y capaz de explicar los fenómenos de la mecánica celeste incluso más allá de las simplificaciones hechas por Newton. Entre los fundadores de los nuevos métodos, cabe mencionar al menos a Joseph-Louis Lagrange y Pierre Simon Laplace .
El estudio de los fenómenos ópticos reabrió el estudio de la óptica ondulatoria, que recibió una formulación coherente y unitaria gracias a científicos como Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel . El primer paso hacia el desarrollo de la termodinámica tal vez pueda considerarse la demostración, por Benjamin Thompson en 1798 , de que es posible convertir el trabajo mecánico en calor. La termodinámica se desarrolló luego durante el siglo XIX . Entre sus fundadores recordamos al menos a Jean Baptiste Joseph Fourier , Sadi Carnot , Joule y Lord Kelvin .
Los estudios de fenómenos eléctricos y magnéticos fueron durante mucho tiempo un área marginal de la física, que se ocupaba de explicar las propiedades de los imanes y la atracción entre objetos electrificados por fricción, o encontrar formas de provocar pequeñas descargas eléctricas demostrativas. La entrada de los fenómenos eléctricos entre los sectores importantes de la física se produjo en 1800 , cuando la invención de la batería por parte de Alessandro Volta permitió la primera producción de una corriente eléctrica. .
En 1821 , el físico y químico inglés Michael Faraday integró los estudios del magnetismo con los de la electricidad. Esto se hizo demostrando que un imán en movimiento inducía una corriente eléctrica en un conductor . Faraday también formuló una concepción física de los campos electromagnéticos . James Clerk Maxwell se basó en esta concepción, en 1864 , una serie de 20 ecuaciones interconectadas que explicaban las interacciones entre campos eléctricos y magnéticos . Estas 20 ecuaciones se redujeron luego, utilizando cálculo vectorial. , en una serie de cuatro ecuaciones de Oliver Heaviside..
Además de otros fenómenos electromagnéticos, las ecuaciones de Maxwell también se pueden utilizar para describir la luz . La confirmación de esta observación llegó en 1888 con el descubrimiento por Heinrich Hertz de las ondas que fueron llamadas hertzianas y en 1895 cuando Wilhelm Roentgen trazó los rayos X , que luego resultaron ser radiación electromagnética de alta frecuencia.
La capacidad de describir la luz en términos electromagnéticos proporcionó un trampolín para que Albert Einstein publicara su teoría especial de la relatividad en 1905. Esta teoría combina la mecánica clásica con las ecuaciones de Maxwell. La teoría especial de la relatividad unifica el espacio y el tiempo en una sola entidad, el espacio-tiempo . La relatividad prescribe una transformación diferente entre marcos de referencia inerciales con respecto a la mecánica clásica; esto requirió el desarrollo de la mecánica relativista para reemplazar la mecánica clásica. En el régimen de velocidades muy bajas (en comparación con el de la luz), las dos teorías conducen a los mismos resultados. Einstein trabajó más en la teoría restringida al incluir la gravedad en sus cálculos y publicó su teoría de larelatividad general en 1915 .
Parte de la teoría de la relatividad general es la ecuación de campo de Einstein . Esto describe la curvatura del espacio-tiempo, en función de la densidad de materia, energía y presión, representada por el tensor tensión-energía, y forma la base de la relatividad general. La investigación adicional de la ecuación de campo de Einstein arrojó resultados que predijeron el Big Bang , los agujeros negros y la expansión del universo . Einstein creía en un universo estático e intentó (y falló) modificar sus ecuaciones en esta dirección. Sin embargo, a partir de 1929 las observaciones astronómicas de Edwin Hubble sugirieron que el universo se estaba expandiendo.
El neutrón , el componente nuclear neutro, fue descubierto en 1932 por James Chadwick . La equivalencia de masa y energía (Einstein, 1905) quedó espectacularmente demostrada durante la Segunda Guerra Mundial , como investigación en física nuclear realizada por ambos bandos, con el objetivo de crear una bomba nuclear . El intento alemán, liderado por Heisenberg, no tuvo éxito, pero los Aliados, con el Proyecto Manhattan, lograron su objetivo. En Estados Unidos, un equipo dirigido por Enrico Fermi llevó a cabo la primera reacción nuclear en cadena en 1942 , y en 1945la primera bomba nuclear de la historia fue detonada en la prueba trinity , en el rango de Alamogordo , Nuevo México .
En 1900 , Max Planck proporcionó su explicación de la radiación del cuerpo negro . Esta ecuación asume que los radiadores están cuantificados en la naturaleza, con este estudio comenzó la mecánica cuántica. la mecánica cuántica . A partir de 1900 , Planck , Einstein, Niels Bohr y otros desarrollaron teorías cuánticas para explicar varios resultados experimentales anómalos mediante la introducción de distintos niveles de energía. En 1925 , Werner Karl Heisenberg y en 1926 , Erwin Schrödinger y Paul Dirac formularon el , que explicó las teorías heurísticas cuánticas anteriores. En mecánica cuántica, los resultados de las mediciones físicas son intrínsecamente probabilísticos ; la teoría describe el cálculo de estas probabilidades. Describe con éxito el comportamiento de la materia en una escala de distancias muy pequeña. Durante la década de 1920, Erwin Schrödinger , Werner Karl Heisenberg y Max Born lograron formular una imagen coherente del comportamiento químico de la materia, una teoría completa de la estructura completa del átomo, como un subproducto de la teoría cuántica.
La teoría cuántica de campos se formuló con el fin de ampliar la mecánica cuántica para que sea coherente con la relatividad especial. Fue inventada a finales de la década de 1940 gracias al trabajo de Richard Feynman. , Julian Schwinger , Sin-Itiro Tomonaga y Freeman Dyson . Formularon la teoría de la electrodinámica cuántica , que describe la interacción electromagnética y explica con éxito el cambio de Lamb . La teoría cuántica de campos proporcionó la columna vertebral de la física de partículas moderna , que estudia las fuerzas fundamentales y las partículas elementales.
Chen Ning Yang y Tsung-Dao Lee , en la década de 1950, descubrieron una asimetría inesperada en la desintegración de una partícula subatómica . En 1954 , Yang y Robert Mills desarrollaron una clase de teorías de escala que proporcionaron la columna vertebral para comprender las fuerzas nucleares. La teoría de la fuerza nuclear fuerte fue propuesta por primera vez por Murray Gell-Mann . La fuerza electrodébil , la unificación de la fuerza nuclear débil con el electromagnetismo, fue propuesta por Sheldon Lee Glashow , Abdus Salam y Steven Weinberg . Esto llevó al llamado Modelo Estándar de física de partículas de la década de 1970, que describe con éxito todas las partículas elementales observadas hasta ese momento. En 1964 , la simetría CP fue descubierta por James Watson Cronin y Val Fitch .
La mecánica cuántica también proporciona las herramientas teóricas para la física de la materia condensada , cuya rama más amplia es la física del estado sólido . estudia el comportamiento físico de sólidos y líquidos, incluyendo fenómenos como estructuras cristalinas , semiconductividad y superconductividad . Entre los pioneros de la física de la materia condensada se encuentra Felix Bloch , quien creó una descripción en mecánica cuántica del comportamiento de los electrones en estructuras cristalinas en 1928 . El transistor fue desarrollado por los físicos John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley.en 1947 en Bell Telephone Laboratories .
Los dos temas del siglo XX , la relatividad general y la mecánica cuántica, parecen incompatibles. La relatividad general describe el universo en la escala de medición de planetas y sistemas solares, mientras que la mecánica cuántica opera en escalas subatómicas. Esta competencia ahora es atacada por la teoría de cuerdas , que considera el espacio-tiempo compuesto, no de puntos, sino de objetos unidimensionales, las cuerdas . Las cuerdas tienen propiedades similares a las cuerdas comunes que conocemos (por ejemplo, voltaje y vibración). Las teorías son prometedoras, pero aún no tienen efectos detectables. La búsqueda de la verificación experimental de la teoría de cuerdas todavía está en curso.
Las Naciones Unidas han declarado el año 2005 , el centenario del annus mirabilis de Einstein, el Año Internacional de la Física .
La teoría del caos y la complejidad
En la segunda mitad del siglo XX, la invención de la computadora condujo a un tercer cambio de paradigma en la física (y la ciencia en general): la teoría del caos . Su origen se remonta a 1963 , cuando Edward Lorenz publicó un artículo sobre lo que más tarde se conocería como el atractor de Lorenz : en un sistema de tres ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales (versión extremadamente simplificada de las ecuaciones utilizadas en meteorología ), se observó que pequeñas variaciones en las condiciones iniciales llevaron a consecuencias impredecibles. Por tanto, fue el nacimiento del concepto de , aunque se pueden identificar varios precursores, como los estudios de Poincaré. caos determinista sobre el problema de los tres cuerpos o el llamado problema de Fermi - Pasta - Ulam - Tsingou .
La computadora hizo posible, por primera vez, analizar el comportamiento no lineal de incluso sistemas físicos aparentemente triviales (como el doble péndulo ), que no pueden ser investigados con métodos puramente analíticos, destacando cómo comportamientos extremadamente complejos pueden derivar de ecuaciones simples. Tras un período inicial, en el que la teoría del caos parecía poco más que una curiosidad para los matemáticos, comenzamos a observar y estudiar el comportamiento caótico en un gran número de campos de la física clásica ( dinámica de fluidos , geofísica , mecánica celeste ), de la moderna. una ( física de la materia condensada , óptica no lineal , biofísica), sino también de otras ciencias y disciplinas ( química , dinámica de poblaciones las interacciones fundamentales ., economía , sociología ), todos unidos por el concepto de complejidad : el comportamiento general del sistema no está dado simplemente por la suma de los comportamientos de sus componentes. Luego, los sistemas complejos se analizan con un enfoque emergente , contrario al reduccionista que durante mucho tiempo (y en parte todavía hoy) ha dominado en la física de partículas y partículas.
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