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INSTITUTO TECNOLÓGICO
SUPERIOR DE LA HUERTA
Materia: Fundamentos de la
física
Profesor: Raúl Castillón Benavidez
Alumno: Luis Antonio Arreola Sánchez
La física antes de los griegos
Al inicio de los tiempos comenzaron los fenómenos naturales que moldearon y dieron lugar al universo a todo lo que existe en él. El ser humano al observar estos fenómenos comenzó a hacerse preguntas sobre el porqué de los mismos. Al ser curioso por naturaleza, el ser humano empezó a formular explicaciones para poder entender esos sucesos: El día, la noche, la lluvia, las erupciones volcánicas, los eclipses, etc. A estas interrogantes muchas veces las respuestas eran atribuidas a divinidades. Más tarde estos pensamientos dieron el origen a la filosofía de la naturaleza o la filosofía de la física. Estos pensadores se enfocaron en las observaciones de la naturaleza, los cuerpos y el ser siendo solo basado en consideraciones filosóficas y no en verificaciones experimentales la mayoría de estos pensamientos fueron erróneos aunque pasaron cientos de años para que se pudieron desechar. Entre las primeras civilizaciones que aportaron conocimientos a la física destacan los chinos, babilonios, egipcios y mayas, que alcanzaron éxitos notables en la ciencia empírica de los movimientos estelares (incluso crearon sus propios calendarios).También alcanzaron alto nivel en tecnología que usaron en la metalurgia y construcción de herramientas y edificaciones. Emplearon maquinas simples.
Durante los griegos
Se conoce que la mayoría de civilizaciones de la antigüedad trataron desde un
principio de explicar el funcionamiento de su entorno, miraban las estrellas y
pensaban como ellas podían regir su mundo. Esto llevo a muchas interpretaciones
de carácter más filosófico que físico, no en vano en esos momentos de la física se
le llamaba filosofía natural. Muchos filósofos se encuentran en el desarrollo
primigenio de la física, como Aristóteles, Tales de Mileto o Demócrito, por ser los
primeros en tratar de buscar algún tipo de explicación a los fenómenos que los
rodeaban. A pesar de que las teorías descriptivas del universo que dejaron estos
pensadores eran erradas, 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 o las tesis de Aristóteles.
1.-Heraclito (c.540-c. 475 a.C) Filósofo griego, quien sostenía que el fuego era el
origen primordial de la materia y que el mundo entero se encontraba en un estado
constante de cambio.
2.-Leucipo (c.450-370 a.C) Filósofo griego, es reconocido como creador de la
Teoría atómica
3.-Demócrito (c.460 a.C - 370 a.C) Filósofo griego que desarrollo la teoría atómica
del universo.
4.-Aristarco de Samos (310 - 230 a.C) Astrónomo griego, fue el primero en afirmar
que la tierra giraba alrededor del Sol.
5.-Arquímedes (287 - 212 a.C) Arquímedes definió la ley de la palanca, se le
conoce como el inventor de la polea compuesta. Su famosa frase "Dadme un
punto de apoyo y moveré la Tierra" Descubrió la Ley de la Hidrostática, el llamado
principio de Arquímedes, establece que todo cuerpo sumergido en un fluido
experimenta una pérdida de peso igual al peso del volumen del fluido que
desaloja.
6.-Tales de Mileto. Fue el primer filósofo griego que intento dar una explicación
física del Universo.
7.-Aristoteles. Creía que todos los cuerpos caían en tiempos distintos debido al
peso que tenían.
La física en la edad media
Durante el siglo XIII, las universidades medievales fundadas en Europa por las
órdenes monásticas, no registraron grandes avances para la física y otras
ciencias. Esto quiere decir que durante este periodo histórico se produjeron pocos
avances. Sabios como Aberraos o Ibn al-Nafis, conservaron muchos tratados
científicos heredados de la Grecia clásica
Los Comienzos.
Durante la antigüedad, los chinos, babilonios, mayas y egipcios se dedicaron a
observar los movimientos planetarios; sin embargo, no fueron capaces de concluir
por que se producían. Más tarde, los filósofos griegos sacaron a la luz dos ideas
sobre los elementos que componen el Universo, que se convertirían en algo
trascendental. Durante la Edad Media no se observaron grandes adelantos
científicos en el campo de la física; sin embargo, después del Renacimiento, a
fines del siglo XVI y comienzos del XVII, cuatro astrónomos fueron los
responsables de interpretar el movimiento de los cuerpos celestes, convirtiéndose
en los más famosos físicos de la historia:
1.- Nicolás Copérnico: Puso el sistema heliocéntrico, en que todos los planetas,
incluida la Tierra, giraban alrededor del Sol.
2.- Tycho Brahe: Concluyo que eran cinco los planetas que giraban en torno al Sol
(Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno) y que, a su vez, este nuevo sistema
solar giraba alrededor de la Tierra.
3.- Galileo Galilei: astrónomo, físico y matemático italiano. Sus investigaciones
sobre las leyes de la naturaleza constituyen los fundamentos de la ciencia
experimental moderna. Entre otras cosas, demostró que los objetos se demoran al
mismo tiempo en caer, independientemente de su masa, y que su velocidad
aumenta uniformemente con el tiempo de caída.
4.- Isaac Newton: Fue uno de los grandes físicos de la historia. Sus tres leyes del
movimiento fueron un aporte trascendental y la base de la física dinámica.
En el renacimiento
Los estudiosos señalan que la ciencia moderna surgió tras el Renacimiento (siglo
XVI y comienzos del XVII). El hito que justifica lo anterior es el logro de cuatro
astrónomos destacados que lograron interpretar de manera muy satisfactoria el
comportamiento de los cuerpos celestes. Nicolás Copérnico propuso un sistema
heliocéntrico, en el que los planetas giran alrededor del Sol, pero el detalle era que
él pensaba que las órbitas planetarias eran circulares. Tycho Brahe, astrónomo
danés, adoptó una fórmula de compromiso entre los sistemas de Copérnico y
Tolomeo, según su fórmula los planetas giraban en torno al Sol, mientras que el
Sol giraba alrededor de la Tierra.
Tycho Brahe
Las medidas tomadas por Brahe permitieron a su ayudante Johannes Kepler
obtener los datos suficientes para atacar al sistema de Tolomeo y enunciar tres
leyes que se ajustaban a una teoría heliocéntrica modificada. Otro hombre clave
de la época es Galileo. Él había oído hablar de la invención del telescopio y
construyó uno. Con el telescopio en 1609 pudo confirmar el sistema heliocéntrico
observando las fases del planeta Venus. También descubrió las irregularidades en
la superficie de la Luna, los cuatro satélites de Júpiter más brillantes, las manchas
solares y muchas estrellas de la Vía Láctea.
Isaac Newton
Isaac Newton, cuando apenas tenía 23 años, desarrolló los principios de la
mecánica, formuló la ley de la gravitación universal, separó la luz blanca en sus
colores constituyentes e inventó el cálculo diferencial e integral.
Todas sus contribuciones permitieron cubrir una amplia gama de fenómenos
naturales. Es decir, que gracias al aporte de Newton se demostraron que tanto las
leyes de Kepler, sobre el movimiento planetario, como los descubrimientos de
Galileo, sobre la caída de los cuerpos, se deducen de la segunda ley del
movimiento (segunda ley de Newton) combinada con la ley de la gravitación.
Newton también fue capaz de explicar el efecto de la Luna sobre las mareas, así
como la precesión de los equinoccios.
Periodo clásico
En 1904 se propuso el primer modelo atómico
En 1905 Einstein formulo la teoría de la relatividad especial el cual coincide con
las leyes de newton y características de la velocidad.
En 1915 se formula la teoría de la relatividad general la cual sustituye la ley de
gravitación de newton.
La Física en el periodo moderno
La definición de física separa a la "moderna" de la "antigua", la primera se refiere
particularmente en la interacción entre partículas la cual será observada con la
ayuda de un microscopio. A través de este enfoque se han obtenido diferentes
avances tecnológicos en infinidad de campos; por ejemplo,
la termodinámica desarrollada en el siglo XIX, es la encargada de establecer y
cuantificar la base de las ingenierías mecánicas y químicas.
Los conceptos termodinámicos como el volumen, la temperatura y la presión de
un gas son necesarios para entender el funcionamiento de los sistemas químicos
e industriales que rigen en la actualidad. Durante el siglo XIX los físicos solían ser
a la vez filósofos, matemáticos, biólogos, químicos o ingenieros; actualmente la
física se ha desarrollado a tan grandes escalas que los físicos modernos limitan
su atención sólo a dos ramas de su ciencia. Los descubrimientos más
preponderantes de esta época en electricidad y magnetismo forman hoy parte del
campo de ingenieros de comunicaciones y electrónicos ya que los mismos poseen
propiedades de este ámbito.
Hacia 1880 la física presentaba un panorama distinto ya que la mayoría de los
fenómenos podían explicarse mediante la mecánica de Newton, la teoría
electromagnética de Maxwell y la termodinámica de Boltzmann, sólo quedaba
resolver unos pocos inconvenientes. La explicación de los espectros de emisión y
absorción de los gases y sólidos y la determinación de las propiedades del éter
eran fenómenos revolucionarios que estallaron en 1895 cuando Wilhelm Roentgen
descubrió los rayos X; luego, Joseph Thompson descubrió el electrón y en 19896
Antoine Becquerel la radiactividad. Estos descubrimientos completaron lo que se
creía "completo" y muchos de ellos desafiaban todas las teorías disponibles.
Algunos de los descubrimientos más importantes de la física en el periodo
moderno:
1895: Se descubren los rayos X y se estudian sus propiedades El físico alemán
Wilhelm Roentgen logra la primera radiografía experimentando con un tubo de
rayos catódicos que había forrado en un grueso papel negro. Se da cuenta que el
tubo además emitía unos misteriosos rayos a los que llamó X, estos tenían
la propiedad de penetrar los cuerpos opacos. Por este aporte fue galardonado con
el primer Premio Nobel de Física en 1901
1905: La Teoría de la Relatividad redefine el tiempo y el espacio Albert Einstein
publica su Teoría de la Relatividad Especial, la cual postula que nada puede
moverse más rápido que la luz, que el tiempo y el espacio no son absolutos, y que
la materia y la energía son equivalentes. (E=mc2)
1913: Se expone el modelo de átomo de Niels Bohr, físico danés, presenta su
modelo atómico en que los electrones giran a grandes velocidades en órbitas
circulares alrededor del núcleo ocupando la órbita de menor energía posible, esto
es, la órbita más cercana al núcleo. El electrón puede "subir" o "caer" de nivel de
energía, para lo cual necesita "absorber" o "emitir" energía, por ejemplo en forma
de radiación o de fotones.
1930: Se inventa el plástico El químico alemán Herman Staudinger muestra cómo
las pequeñas moléculas forman cadenas de polímeros, estructura fundamental
del plástico, y sugiere cómo hacer polímeros. En la Compañía E.I. du Pont de
Nemours, el químico norteamericano Wallace Humé Carohers desarrolla el nylon y
la goma sintética.
1932: Se descubre el neutrón El físico británico James Chadwick bombardea
berilio con núcleos de helio, y encuentra el neutrón, el segundo constituyente del
núcleo atómico junto con el protón. Esta partícula eléctricamente neutra puede ser
usada para bombardear y probar el núcleo.
1969: El ser humano llega a la Luna En una proeza que dio inicio a la exploración
humana directa de los cuerpos astronómicos, el astronauta estadounidense Neil
Armstrong se convierte en el primer ser humano que camina en la Luna.
Experimentos cruciales
Galileo: La caída de los cuerpos con un plano inclinado en contra de lo que
planteaba Aristóteles que creía que los objetos más pesados caían más de prisa
que los ligeros. Realizó experimentos con el plano inclinado para llegar a la
conclusión, que «los objetos se aceleran independientemente de su masa» ya que
en un plano inclinado sólo ralentiza el movimiento de caída (disminuye el valor de
la aceleración) pero no altera su naturaleza (la aceleración sigue siendo
constante).
En sus experimentos Galileo dejaba rodar esferas de distinta masa por un plano
inclinado y de sus resultados concluyó además que partiendo del reposo, con la
bola parada en el punto más alto del plano inclinado, la distancia recorrida era
proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido.
Newton: Descomposición de la luz solar mediante un prisma.
Isaac Newton nació el año que murió Galileo. Graduado por el Trinity Collage en
Cambridge en 1665, estuvo escondido en casa durante un par de años esperando
el fin de la plaga.
El saber común sostenía que la luz blanca era la forma más pura (otra vez
Aristóteles) y que la luz coloreada tenía por tanto que ser alterada de alguna
forma. Para probar esta hipótesis, Newton dirigió un haz de luz solar a través de
un prisma de cristal y mostró que esta se descomponía en un fundido espectral
sobre la pared. La gente ya conocía los arcos iris, por supuesto, pero eran
considerados sólo como preciosas aberraciones. En realidad, Newton concluyó,
que eran esos colores - rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil, violeta y las
graduaciones intermedias - los que eran fundamentales. Lo que parecía simple en
su superficie, un haz de luz blanca, era bellamente complejo si uno lo miraba más
detenidamente.
En los anteriores experimentos nos podemos dar cuenta que estos filósofos
hicieron predicciones muy bien acertadas y así realizaron teorías, hipótesis y
demás en sus experimentaciones en el ámbito de la física.
Textos clásicos
SIDEREUS NUNCIUS
Es un tratado escrito por Galileo Galilei y publicado en Venecia en marzo de
1610.En sus observaciones de la Luna Galileo observó que la línea que separa
el día de la noche. De estas observaciones dedujo que las regiones oscuras
son planas y de poca altitud, mientras que las regiones brillantes estarían
cubiertas por irregularidades orográficas. Galileo descubrió más de diez veces
más estrellas con su telescopio que con el ojo desnudo publicando cartas
celestes del cinturón de Orión y de las Pléyades. Galileo informa de sus
observaciones de cuatro estrellas cercanas a Júpiter y de su movimiento
alrededor del planeta.
PRINCIPIO MATEMATICO
Principio matemático donde habla de la formulación de las leyes y la
gravitación. Las leyes del movimiento de Newton, son tres principios a partir de
los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la
mecánica, en particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos, que
revolucionaron los conceptos básicos de la física y el movimiento de los
cuerpos en el universo.1.-Ley de la inercia2.-Ley de aceleración o ley de fuerza
3.-Ley de acción y reacción.
Fronteras y perspectivas
El impacto de los conocimientos físicos en la sociedad moderna abarca
prácticamente todos los ámbitos de su realidad. Pero tres símbolos de los grandes
retos de la humanidad, la conquista del cosmos, el dominio de nuevas fuentes
energéticas, y la revolución en las comunicaciones han recibido un impulso
decisivo con el progreso de las Ciencias Físicas.
Tal es que hoy veamos híbridos de la física y demás ciencias, que surgieron como
dije en un principio, para dar respuesta a una amplia gama de preguntas que no
acabarán nunca, debido a que como humanos tenemos una naturaleza curiosa y a
partir de una respuesta tendemos a formular otra pregunta, para generar un
conocimiento abstracto acerca de dichos conocimientos y teorías.
El progreso en física a menudo es resultado de que, 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 está muy relacionada con las matemáticas. Esta suministra 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
matemática son áreas de investigación activas.
Evolución de la física.
Desarrollo de la física
Desde tiempos muy remotos El hombre sintió el interés por los fenómenos físicos.
Entre los siglos VI a. de c. y VII de nuestra era surgieron las ideas sobre las
estructuras atómica de la materia (Demócrito, Epicuro y Lucrecio); Fue
desarrollado El sistema geocéntrico de Ptolomeo. Se establecieron las leyes más
simples de la estática, la propagación de la luz y sus leyes de reflexión, se
formularon los principios de Hidrostática (Arquímedes) y se observaron las
manifestaciones más simples de la electricidad y El magnetismo.
SIGLO XVII El desarrollo de la física empezó en el siglo XVII y se inició con el
físico italiano Galileo Galilei quien comprendió la necesidad de describir
matemáticamente el movimiento. El mostró que la acción del medio sobre un
cuerpo dado está definido no por la velocidad como consideraba Aristóteles, sino
por la aceleración del cuerpo. Esta afirmación era la primera formulación del
principio de Inercia. Galileo demostró que la aceleración de un cuerpo en caída
libre no depende de la masa ni de su densidad, fundamentó la teoría de Copérnico
y obtuvo resultados significativos en astronomía, en el estudio de los fenómenos
óptico y térmico entre otros. El científico italiano Torricelli, alumno de Galileo,
estableció la existencia de la presión atmosférica y creó El primer barómetro. El
científico ingle Boyle y El francés Mariotte estudiaron la elasticidad de los gases y
formulación la primera ley de los gases que lleva su nombre. El hóndales Snell y
El francés Descartes descubrieron la ley de refracción de la luz y fue creado El
primer Microscopio. Un logro fundamental de la física en el siglo XVII fue la
creación de la Mecánica Clásica. En el trabajo "principios matemáticos de la
filosofía natural" (1687). Isaac Newton formuló todas las leyes fundamentales de la
mecánica. A partir de las leyes del movimiento de los planetas desarrollados por
Kepler, Newton obtuvo la ley de Gravitación Universal, con la cual pudo calcular El
movimiento de la luna, los planetas y los cometas y además se pudieron explicar
las mareas en el mar. Newton formuló de manera precisa los conceptos de
espacio y tiempo absolutos que permanecieron inalterados hasta la relatividad de
Einsten. El científico holandés Hyuggens y el científico alemán Leibnitz formularon
la ley de conservación de la cantidad de movimiento. Hyuggens creó la teoría del
péndulo. Se inició El desarrollo de la acústica. A partir de la segunda mitad del
siglo XVII se desarrolla vertiginosamente la óptica geométrica, la construcción del
telescopio y otros instrumentos ópticos ondulatorios. El físico italiano Grimaldi
descubrió la difracción de la luz y Newton realizó investigaciones sobre la
dispersión de la luz. En el 1976 el astrónomo dane Riómer midió la velocidad de la
luz por primera vez: casi simultáneamente surgieron y empezaron a desarrollarse
las teorías corpuscular y ondulatoria de la luz. SIGLO XVII Con el desarrollo de la
mecánica de la partícula y del cuerpo sólido se desarrolló la mecánica de los
fluidos (líquidos y gases). Con los trabajos del científico suizo Bernuulli, de Euler,
del científico francés Lagrange y otros más, en la primera mitad del siglo XVII, se
echaron las bases de la hidrodinámica del líquido ideal.
El físico americano Franklin, estableció la ley de conservación de la carga
eléctrica. El científico inglés Cavendisk y en forma independiente el físico francés
Charles Coulomb enunciaron la ley fundamental de la electricidad. Con los
trabajos de Boyle, Hooke, Bernoulli, y otros se establecieron las bases de la teoría
Cinético-Molecular del calor. SIGLO XIX A principios del siglo XIX la lucha entre
las teorías corpuscular y ondulatoria de la luz, llegó a su fin con el triunfo de la
teoría ondulatoria gracias a los trabajos de Young y Fresnel. Un enorme
significado en el desarrollo de la física tuvieron El descubrimiento de la corriente
eléctrica y la creación de la batería galvánica por parte de los científicos italianos
Galván y Volta. El descubrimiento por parte del físico danes Oersted (1820) de la
acción de la corriente eléctrica sobre una aguja imantada demostró la relación
existente entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. En el 1820 el físico francés
Ampere estableció experimentalmente la ley que lleva su nombre. En el
1831Faraday descubrió la inducción electromagnética. Un poco antes Faraday
formuló la hipótesis sobre la existencia del campo electromagnético.
A mediados del siglo XIX se demostró, experimentalmente la equivalencia de la
cantidad de calor y El trabajo, y de esa manera, se estableció que El calor era una
forma de energía. El científico francés Gay-Lussac jugó un papel importante en el
desarrollo de la termodinámica al realizar investigaciones que le permitieron al
físico francés Clapeyron enunciar la ecuación de estado de los gases ideales. En
la segunda mitad del siglo XIX El proceso de investigación de los fenómenos
electromagnéticos se completa con los trabajos de Maxuwell quien creó la
Electrodinámica Clásica, introdujo el Concepto de pro validad y obtuvo la ley de
distribución de las velocidades de las Moléculas distribución de Maxuwell. En 1985
se utilizaron por primera vez las ondas electromagnéticas para la comunicación
inalámbrica. El físico austriaco Boltzman creó la teoría cinética de los gases y
fundó estadísticamente las leyes de la termodinámica. Una nueva etapa en el
desarrollo de la física se enuncia con El descubrimiento del Electrón en 1897 por
El físico holandés Thompson. Se observó entonces que los átomos son
elementales, sino que constituye sistemas complicados en cuya información
intervienen los electrones. Al final del siglo XIX y a principios del siglo XX El físico
holandés Lorente sentó las bases de las teorías eléctricas. SIGLO XX A principios
del siglo XX la electrodinámica necesitaba una revisión profunda de los conceptos
de espacio y tiempo Newtonianos. En el 1905 Einten creó la teoría de la
Relatividad Especial que no era mas que una nueva esperanza sobre El espacio y
El tiempo. Esta teoría mostró que El campo electromagnético es una forma
especial de la materia y cuyo comportamiento no puede ser explicado en las leyes
de la mecánica. En el 1916 Einsten creó la teoría General de la Relatividad que es
la teoria del despacio y El tiempo con gravitación. A finales del siglo XIX y
principios del siglo XX se inició una revolución en la física con el surgimiento y
desarrollo de la teoría Cuántica. En el 1990 El físico Alemán Max Planck supuso
que El espectro de energía del átomo era discreta, Es decir que la energía se
irradiaba en porciones llamadas cuantos. La energía de cada cuanto Es
directamente proporcional a la frecuencia. En el 1905 E inste desarrolló la
hipótesis de Planck suponiendo que las porciones de energía se observan
completamente como si fueran partículas (mas tardes fueron llamadas Fotones.)
El físico ingles Rutherford estudió la dispersión de las partículas en la memoria y
en base a los resultados experimentales estableció la existencia del Núcleo
Atómico y elaboró el modelo planetario del átomo. En los años 20 fue creada la
mecánica ondulatoria sobre la base de las ideas de Planck, Einsten, Bohor y la
hipótesis del físico Louis de Broglie sobre la dualidad Onda-Partícula de cualquier
forma de materia. En 1926 Schrodignger formuló las ecuaciones fundamentales de
la mecánica cuántica. Un año antes Heisenberg y Bron desarrollaron la forma
matricial de esta teoría. En 1928 el físico ingles Dirac obtuvo la ecuación relativista
cuántica del movimiento del electrón. A partir de esta ecuación Dirac predijo la
existencia del Positrón, la primera Antipartícula descubierta en El año 1932 por El
físico americano Ander son. En la segunda mitad del siglo XX ocurrió una segunda
revolución en la física con El descubrimiento de la estructura del Núcleo Atómico y
de las partículas elementales. La creación de los auleradores de partículas
permitió no solo estudiar diferentes reacciones nucleares, sino también explorar
con fines pacíficos la inmensa cantidad de energía contenida en el Núcleo
Atómico. LA FISICA ORIGENES-HISTORICOS La física es la ciencia que estudia
las regularidades más simples y a la vez mas generales de los fenómenos de la
naturaleza, las propiedades y la estructura de la materia, así como también las
leyes del movimiento. La física y sus leyes constituyen El fundamento del
conocimiento sobre la naturaleza y es una ciencia exacta que estudia
cuantitativamente los fenómenos. La palabra física proviene del griego Physis
(naturaleza). La física es una ciencia experimental: sus leyes se basan en hechos
que se establecen por medio de experimentos. Se distinguen dos física: una
Experimental y otra Teórica La física experimental: Crea experimentos que tienen
por objeto observar hechos nuevos o verificar leyes físicas ya establecidas. La
física teórica: Tiene por objetivo la formulación de leyes sobre la naturaleza y la
explicación de fenómenos concretos y también la predicción de nuevos
fenómenos. En el estudio de cualquier fenómeno, El experimento y la teoria son
igualmente necesarios y esta interrelacionados.
Teoría clásica
Los orígenes de la física clásica se remontan a la antigüedad. Ya en la antigua Babilonia, en el antiguo Egipto y en la Grecia antigua se desarrollaron ciertos aspectos en el campo de la astronomía, la óptica y la mecánica
Sin embargo, es en la época del renacimiento, que la física clásica tiene un desarrollo considérale especialmente en el área de la astronomía con el abandono de la teoría geocéntrica y con el advenimiento de la teoría heliocéntrica (el movimiento de los planetas alrededor del Sol) con las obras de Copérnico, Galileo (el desarrollo del telescopio) y Kepler sin embargo, la física clásica como la conocemos hoy en día se debe a Sir Isaac Newton (1643-1727), que formuló las tres leyes fundamentales de la física clásica: “Las leyes de Newton”. Newton es considerado el “padre” de la física clásica, también conocida como la física newtoniana.En los siglos posteriores, las teorías de la física clásica se han desarrollado hasta llegar a su apogeo en el siglo XIX. En este momento, la sociedad creyó que todos los principios científicos de la física habían sido descubiertos y que poco que quedaba por descubrir, a no ser, explicar algunos problemas de importancia menor y mejorar considerablemente los métodos experimentales.
La física clásica o Física Newtoniana se divide en las siguientes grandes disciplinas:• Cinemática • Mecánica Clásica • Hidrostática e Hidrodinámica • Termodinámica • Ondas y Óptica • Electricidad y Magnetismo (electromagnetismo).
Teoría relativista
Esta teoría desarrollada a principios del siglo XX, que originalmente
pretendía explicar ciertas anomalías en el concepto de movimiento relativo,
pero que en su evolución se ha convertido en una de las teorías básicas
más importantes en las ciencias físicas.
Esta teoría, desarrollada fundamentalmente por Albert Einstein, fue la base
para que los físicos demostraran la unidad esencial de la materia y la
energía, el espacio y el tiempo, y la equivalencia entre las fuerzas de la
gravitación y los efectos de la aceleración de un sistema.
La teoría de la relatividad esta compuesta a grandes rasgos por dos
grandes teorías (la de la relatividad especial y la de la relatividad general)
formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían
resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el
electromagnetismo.
La primera teoría, 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. La segunda, de 1915, es una
teoría de la gravedad que remplaza a la gravedad newtoniana pero coincide
numéricamente con ella en campos gravitatorios débiles. La teoría general
se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios.
Relatividad especial
La teoría de la relatividad especial, también llamada teoría de la relatividad
restringida, publicada por Albert Einstein en 1905, describe la física del
movimiento en el marco de un espacio-tiempo plano, describe
correctamente el movimiento de los cuerpos incluso a grandes velocidades
y sus interacciones electromagnéticas y se usa básicamente para estudiar
sistemas de referencia inerciales.
Relatividad general
La relatividad general fue publicada por Einstein en 1915, y fue presentada
como conferencia en la Academia de Ciencias Prusiana el 25 de noviembre.
La teoría generaliza el principio de relatividad de Einstein para un
observador arbitrario. Esto implica que las ecuaciones de la teoría deben
tener una forma de covariancia más general que la covariancia de Lorentz
usada en la teoría de la relatividad especial.
En años recientes, las teorías de Einstein, de la relatividad especial y de la
general, han sido confirmadas como acertadas a un muy alto grado, y los
datos demuestran que corroboran muchas predicciones claves. Siendo la
más famosa el eclipse solar de 1919, el cual dio testimonio de que la luz de
las estrellas es ciertamente desviada por el sol cuando la luz pasa cerca del
sol en su camino a la tierra.
Henri Poincare
En el ámbito de las matemáticas aplicadas estudió numerosos problemas sobre
óptica, electricidad, telegrafía, capilaridad, elasticidad, termodinámica, mecánica
cuántica, teoría de la relatividad y cosmología. Ha sido descrito a menudo como el
último universalista de la disciplina matemática.
En el campo de la mecánica elaboró diversos trabajos sobre las teorías de la luz y
las ondas electromagnéticas, y desarrolló, junto a Albert Einstein y Hendrik
Lorentz, la teoría de la relatividad restringida.
En su teoría, la materia aparece como un complejo de átomos formados por
electrones negativos (poco después, en efecto, se afirmó que el átomo está
integrado por electrones de tal signo que recorren órbitas elípticas en torno al
núcleo).
Predijo la fórmula de Fresnel sobre el comportamiento de la luz en un medio en
movimiento. Publicó, en 1892, su Teoría del electrón, que interpretaba a los
electrones como partículas inmersas en el éter transmisor de los campos
electromagnéticos de Maxwell, obedeciendo la relación adicional de la fuerza del
campo sobre el electrón. En 1889 fue propuesta la fuerza de Lorentz con
independencia de Heaviside.
Demostró, calculando el promedio de las fuerzas microscópicas sobre los
electrones para inferir de ahí las fuerzas macroscópicas ejercidas sobre los
materiales, cómo surge la corriente de desplazamiento de Maxwell, así como de la
necesidad de un término adicional. Lorenz acuñó el término electrón, en 1899,
identificando a los electrones con los rayos catódicos.
Teoría cuántica
Teoría cuántica, teoría física basada en la utilización del concepto de unidad
cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y
las interacciones entre la materia y la radiación.
Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en
1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas
unidades discretas llamadas cuantos.
Introducción del cuanto de Planck
• El primer avance que llevó a la solución, fue la introducción por parte de
Planck del concepto de cuanto, como resultado de los estudios de la
radiación del cuerpo negro realizados por los físicos en los últimos años del
siglo XIX (el término ‘cuerpo negro’ se refiere a un cuerpo o superficie ideal
que absorbe toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Un cuerpo a
temperatura alta (al rojo vivo) emite la mayor parte de su radiación en las
zonas de baja frecuencia; un cuerpo a temperatura más alta (al rojo blanco)
emite proporcionalmente más radiación en frecuencias más altas. La teoría
clásica, o pre cuántica, predecía un conjunto de curvas radicalmente
diferentes de las observadas. Lo que hizo Planck fue diseñar una fórmula
matemática que describiera las curvas reales con exactitud.
Aportes de Einstein
• Los siguientes avances importantes en la teoría cuántica se debieron a
Albert Einstein, que empleó el concepto del cuanto introducido por
Planck para explicar determinadas propiedades del efecto fotoeléctrico.
Según la teoría clásica, la energía de los electrones emitidos (medida por la
tensión eléctrica que generan) debería ser proporcional a la intensidad de la
radiación. Sin embargo, se comprobó que esta energía era independiente de la
intensidad (que sólo determinaba el número de electrones emitidos) y
dependía exclusivamente de la frecuencia de la radiación. Cuanto mayor es la
frecuencia de la radiación incidente, mayor es la energía de los electrones; por
debajo de una determinada frecuencia crítica, no se emiten electrones.
Marco de aplicación de la Teoría Cuántica.
• El marco de aplicación de la Teoría Cuántica se limita, casi exclusivamente,
a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta totalmente
imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica
(en el diseño de transistores, microprocesadores y todo tipo de
componentes electrónicos), en la física de altas energías, en el diseño de
instrumentación médica (láseres, tomógrafos, etc.), en la criptografía y la
computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano.
De manera que la Teoría Cuántica se extiende con éxito a contextos muy
diferentes, lo que refuerza su validez.
Cuándo entra en juego la Teoría Cuántica
• Debemos asumir, pues, el carácter absoluto de la pequeñez de los sistemas
a los que se aplica la Teoría Cuántica. Es decir, la cualidad “pequeño” o
“cuántico” deja de ser relativa al tamaño del sistema, y adquiere un carácter
absoluto. Hay una “regla”, un “patrón de medida” que se encarga de esto,
pero no se trata de una regla calibrada en unidades de longitud, sino en
unidades de otra magnitud física importante denominada “acción”.
• La acción es una magnitud física, al igual que lo son la longitud, el tiempo,
la velocidad, la energía, la temperatura, la potencia, etc., aunque menos
conocida. Y al igual que la temperatura indica la cualidad de frío o caliente
del sistema, y la velocidad, su cualidad de reposo o movimiento, la acción
indica la cualidad de pequeño (cuántico) o grande (clásico) del sistema.
Como la energía, o una longitud, todo sistema posee también una acción
que lo caracteriza.
La función de onda
• La acción es una magnitud física, al igual que lo son la longitud, el tiempo,
la velocidad, la energía, la temperatura, la potencia, etc., aunque menos
conocida. Y al igual que la temperatura indica la cualidad de frío o caliente
del sistema, y la velocidad, su cualidad de reposo o movimiento, la acción
indica la cualidad de pequeño (cuántico) o grande (clásico) del sistema.
Como la energía, o una longitud, todo sistema posee también una acción
que lo caracteriza.
•
La probabilidad de la teoría cuántica
• La Teoría Cuántica es una teoría netamente probabilista. Nos habla de
la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento
determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión.
En opinión de Einstein, habría que completar la Teoría Cuántica introduciendo
en su formalismo un conjunto adicional de elementos de realidad (a los que se
denominó “variables ocultas”), supuestamente obviados por la teoría, que al
ser tenidos en cuenta aportarían la información faltante que convertiría sus
predicciones probabilistas en predicciones deterministas.
Teorías de unificación de la física
En lo que refiere a la unificación de fuerzas se puede decir que se ha tratado de
hacer, en la época de Newton, surge la primera unificación de Fuerza la
Gravitación Universal, un tiempo después. Todavía en la antigüedad se creía que
solo tres fuerzas habían; la fuerza de la gravitación, la fuerza de electricidad, la
fuerza del magnetismo. Pero, luego de hacer experimentos se logró la primera
unificación de la electricidad y el magnetismo con ayuda de Maxwell. Es entonces
que en el año 1860, se pensó que solo había dos fuerzas. Hasta que el siglo XX
de se dio un conocimiento de la estructura microscópica de la materia y se
identificó como la interacción débil y la interacción fuerte. Y entonces en lugar de
dos fuerzas, había ya aparecido cuatro fuerzas. La Gravitatoria, la
Electromagnética, la débil y la fuerte. Datos que no duro mucho tiempo porque en
los años 60 del siglo pasado, la teoría de Weinberg-Salam (ganadores de premio
Nobel por unificación electro-débil) demostró basado en experimentos que la
electromagnética y la débil son solo una fuerza. Por lo tanto, solo quedaron
reconocidas tres fuerzas; la gravitatoria, la electro-débil y la fuerte. Claro que son
teoría que tenemos hoy en día por que se han podido demostrar en base de
experimentos. Pero, muchos Físicos en la actualidad argumentan con algunas
teorías que la fuerza fuerte es la misma que la electro-débil, esto sin poder
demostrarlo con experimentos. Hasta que se logre demostrar esta hipótesis se
lograría una nueva unificación que los físicos llamarían las Gran Unificación y solo
quedarían dos fuerzas; la gravitatoria y la electro-magneto-fuerte-débil, sería mejor
tener un nombre más simplificado en dado que surgiera la unificación.
Teoría de las cuerdas
Es un modelo fundamental de física teórica que básicamente asume que
las materiales aparentemente puntuales son en realidad "estados vibraciones" de
un objeto extendido más básico llamado "cuerda" o "filamento".
De acuerdo con esta propuesta, un electrón no es un "punto" sin estructura interna
y de dimensión cero, sino un amasijo de cuerdas minúsculas que vibran en
un espacio-tiempo de más de cuatro dimensiones. Un punto no puede hacer nada
más que moverse en un espacio tridimensional. De acuerdo con esta teoría, a
nivel "microscópico" se percibiría que el electrón no es en realidad un punto, sino
una cuerda en forma de lazo. Una cuerda puede hacer algo además de moverse;
puede oscilar de diferentes maneras. Si oscila de cierta manera,
entonces, macroscópicamente veríamos un electrón; pero si oscila de otra
manera, entonces veríamos un fotón, o un quark, o cualquier otra partícula
del modelo estándar. Esta teoría, ampliada con otras como la de
las supercuerdas o la Teoría M, pretende alejarse de la concepción del punto-
partícula.
La siguiente formulación de una teoría de cuerdas se debe a Joel Scherk y John
Henry Schwartz, que en 1974 publicaron un artículo en el que mostraban que una
teoría basada en objetos unidimensionales o "cuerdas" en lugar de partículas
puntuales podía describir la fuerza gravitatoria. Aunque estas ideas no recibieron
en ese momento mucha atención hasta la Primera de 1984. De acuerdo con la
formulación de la teoría de cuerdas surgida de esta revolución, las teorías de
cuerdas pueden considerarse de hecho un caso general de teoría de Kaluza-
Klein cuan tizada. Las ideas fundamentales son dos:
Los objetos básicos de la teoría no serían partículas puntuales sino objetos
unidimensionales extendidos (en las cinco teorías de cuerdas convencionales
estos objetos eran unidimensionales o "cuerdas"; actualmente en la teoría-M
se admiten también de dimensión superior o "p-branas"). Esto re
normaliza algunos infinitos de los cálculos per turbativos.
El espacio-tiempo en el que se mueven las cuerdas y p-branas de la teoría no
sería el espacio-tiempo ordinario de 4 dimensiones sino un espacio de tipo
Kaluza-Klein, en el que a las cuatro dimensiones convencionales se añaden 6
dimensiones compactificadas en forma de variedad de Calabi-Yau. Por tanto
convencionalmente en la teoría de cuerdas existe 1 dimensión temporal, 3
dimensiones espaciales ordinarias y 7 dimensiones compactificadas e
inobservables en la práctica.
La inobservabilidad de las dimensiones adicionales está ligada al hecho de que
éstas estarían compactificadas, y sólo serían relevantes a escalas pequeñas
comparables con la longitud de Planck. Igualmente, con la precisión de medida
convencional las cuerdas cerradas con una longitud similar a la longitud de Planck
se asemejarían a partículas puntuales.
