Física

La física es la ciencia natural que estudia la materia, sus constituyentes fundamentales, su movimiento y comportamiento a través del espacio y el tiempo, y las entidades relacionadas de energía y fuerza. La física es una de las disciplinas científicas más fundamentales, siendo su principal objetivo comprender cómo se comporta el universo.

La física es una de las disciplinas académicas más antiguas y, a través de la inclusión de la astronomía, quizás la más antigua. Durante gran parte de los últimos dos milenios, la física, la química, la biología y ciertas ramas de las matemáticas fueron parte de la filosofía natural, pero durante la Revolución Científica en el siglo XVII, estas ciencias naturales surgieron como esfuerzos de investigación únicos por derecho propio. La física se cruza con muchas áreas interdisciplinarias de investigación, como la biofísica y la química cuántica, y los límites de la física no están definidos de manera rígida. Las nuevas ideas en física a menudo explican los mecanismos fundamentales estudiados por otras ciencias y sugieren nuevas vías de investigación en estas y otras disciplinas académicas como las matemáticas y la filosofía.

Los avances en física a menudo permiten avances en nuevas tecnologías. Por ejemplo, los avances en la comprensión del electromagnetismo, la física del estado sólido y la física nuclear condujeron directamente al desarrollo de nuevos productos que han transformado drásticamente la sociedad actual, como la televisión, las computadoras, los electrodomésticos y las armas nucleares; los avances en termodinámica condujeron al desarrollo de la industrialización; y los avances en mecánica inspiraron el desarrollo del cálculo.

Historia

La palabra "física" proviene del griego antiguo: φυσική (ἐπιστήμη), romanizado: physikḗ (epistḗmē), que significa "conocimiento de la naturaleza".

Astronomía antigua

La astronomía es una de las ciencias naturales más antiguas. Las primeras civilizaciones que datan de antes del 3000 a. C., como los sumerios, los antiguos egipcios y la civilización del valle del Indo, tenían un conocimiento predictivo y una conciencia básica de los movimientos del Sol, la Luna y las estrellas. A menudo se rendía culto a las estrellas y los planetas, que se creía que representaban dioses. Si bien las explicaciones de las posiciones observadas de las estrellas a menudo no eran científicas y carecían de evidencia, estas primeras observaciones sentaron las bases para 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 occidental se pueden encontrar en Mesopotamia, y todos los esfuerzos occidentales en las ciencias exactas descienden de la astronomía babilónica tardía. Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que mostraban 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; Los astrónomos griegos posteriores proporcionaron nombres, que todavía se usan hoy, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte.

Filosofía natural

La filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante el período Arcaico (650 a. C. - 480 a. C.), cuando los filósofos presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones no naturalistas de los fenómenos naturales y proclamaron que todo evento tenía una causa natural. Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas de sus hipótesis resultaron exitosas en la experimentación; por ejemplo, se descubrió que el atomismo era correcto aproximadamente 2000 años después de que fuera propuesto por Leucipo y su alumno Demócrito.

Medieval europea e islámica

El Imperio Romano Occidental cayó en el siglo V, y esto resultó en una disminución de las actividades intelectuales en la parte occidental de Europa. Por el contrario, el Imperio Romano de Oriente (también conocido como Imperio Bizantino) resistió los ataques de los bárbaros y continuó avanzando en varios campos del aprendizaje, incluida la física.

En el siglo VI, Isidoro de Mileto creó una importante recopilación de las obras de Arquímedes que se copian en el Palimpsesto de Arquímedes.

En la Europa del siglo VI, John Philoponus, un erudito bizantino, cuestionó la enseñanza de la física de Aristóteles y señaló sus fallas. Introdujo la teoría del ímpetu. La física de Aristóteles no fue examinada hasta que apareció Philoponus; a diferencia de Aristóteles, que basó su física en argumentos verbales, Philoponus se basó en la observación. Sobre la física de Aristóteles, Philoponus escribió:

Pero esto es completamente erróneo, y nuestra opinión puede ser corroborada por la observación real más efectivamente que por cualquier tipo de argumento verbal. Pues si dejáis caer desde la misma altura dos pesos, uno de los cuales es muchas veces más pesado que el otro, veréis que la razón de los tiempos requeridos para el movimiento no depende de la razón de los pesos, sino que la diferencia en el tiempo es muy pequeño. Y así, si la diferencia de pesos no es considerable, es decir, de uno es, digamos, el doble del otro, no habrá diferencia, o bien diferencia imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso sea por de ninguna manera 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 Philoponus en sus obras al argumentar que la física aristotélica era defectuosa. En la década de 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 especial énfasis en la observación y el razonamiento a priori, desarrollando formas tempranas del método científico.

Las innovaciones más notables se produjeron en el campo de la óptica y la visión, que provinieron de los trabajos de muchos científicos como Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi y Avicenna. El trabajo más notable fue El libro de la óptica.(también conocido como Kitāb al-Manāẓir), escrito por Ibn al-Haytham, en el que refutó de manera concluyente la antigua idea griega sobre la visión, pero también presentó una nueva teoría. En el libro, presentó un estudio sobre el fenómeno de la cámara oscura (su versión milenaria de la cámara estenopeica) y profundizó en el funcionamiento del propio ojo. Usando disecciones y el conocimiento de académicos anteriores, pudo comenzar a explicar cómo entra la luz en el ojo. Afirmó que el rayo de luz está enfocado, pero la explicación real de cómo se proyecta la luz en 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 Óptica de siete volúmenes (Kitab al-Manathir) influyó enormemente en el pensamiento de todas las 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 eruditos europeos posteriores y compañeros eruditos, 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 del trabajo de Newton del mismo título, publicado 700 años después.

La traducción de El libro de la óptica tuvo un gran impacto en Europa. A partir de él, los eruditos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que replicaban los que había construido Ibn al-Haytham y comprender cómo funciona la luz. A partir de esto, se desarrollaron importantes inventos como anteojos, lupas, telescopios y cámaras.

Clásico

La física se convirtió en una ciencia separada cuando los primeros europeos modernos utilizaron métodos experimentales y cuantitativos para descubrir lo que ahora se considera que son las leyes de la física.

Los principales desarrollos en este período incluyen el reemplazo del modelo geocéntrico del Sistema Solar con el modelo copernicano heliocéntrico, las leyes que gobiernan el movimiento de los cuerpos planetarios (determinadas por Kepler entre 1609 y 1619), el trabajo pionero de Galileo sobre telescopios y astronomía observacional en el Siglos XVI y XVII, y descubrimiento y unificación por parte de Newton de las leyes del movimiento y de la gravitación universal (que vendría 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 mayores esfuerzos de investigación durante la Revolución Industrial a medida que aumentaban las necesidades energéticas. Las leyes que comprenden la física clásica siguen siendo muy utilizadas para objetos en escalas cotidianas que viajan 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 en tales situaciones. escamas. Sin embargo, las imprecisiones en la mecánica clásica para objetos muy pequeños y velocidades muy altas llevaron al desarrollo de la física moderna en el siglo XX.

Moderno

La física moderna comenzó a principios del siglo XX con el trabajo de Max Planck en la teoría cuántica y la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Ambas teorías surgieron debido a imprecisiones en la mecánica clásica en ciertas situaciones. La mecánica clásica predecía una velocidad variable de la luz, que no podía resolverse con la velocidad constante predicha por las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell; esta discrepancia fue corregida por la teoría especial de la relatividad de Einstein, que reemplazó la mecánica clásica para cuerpos que se mueven rápidamente y permitió una velocidad constante de la luz.La radiación de cuerpo negro proporcionó otro problema para la física clásica, que fue corregido cuando Planck propuso que la excitación de los osciladores materiales solo es posible en pasos discretos proporcionales a su frecuencia; esto, junto con el efecto fotoeléctrico y una teoría completa que predice los niveles discretos de energía de los orbitales electrónicos, llevó a la teoría de la mecánica cuántica a tomar el relevo de la física clásica a escalas muy pequeñas.

La mecánica cuántica sería iniciada por Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y Paul Dirac. A partir de este trabajo inicial y del trabajo en campos relacionados, se derivó el modelo estándar de física de partículas. Tras el descubrimiento de una partícula con propiedades consistentes con el bosón de Higgs en el CERN en 2012, todas las partículas fundamentales predichas por el modelo estándar, y ninguna otra, parecen existir; sin embargo, la física más allá del modelo estándar, con teorías como la supersimetría, es un área activa de investigación. Las áreas de las matemáticas en general son importantes para este campo, como el estudio de probabilidades y grupos.

Filosofía

En muchos sentidos, la física se deriva de la filosofía griega antigua. Desde el primer intento de Tales de caracterizar la materia, hasta la deducción de Demócrito de que la materia debería reducirse a un estado invariable, la astronomía ptolemaica de un firmamento cristalino y el libro de Aristóteles Física (un libro antiguo sobre física, que intentaba analizar y definir el movimiento a partir de un punto de vista filosófico), varios filósofos griegos propusieron sus propias teorías de la naturaleza. La física fue conocida como filosofía natural hasta finales del siglo XVIII.

En el siglo XIX, la física se realizó como una disciplina distinta de la filosofía y las demás ciencias. La física, como el resto de la ciencia, se basa en la filosofía de la ciencia y su "método científico" para avanzar en nuestro conocimiento del mundo físico. El método científico emplea un razonamiento a priori, así como un razonamiento a posteriori y el uso de la inferencia bayesiana para medir la validez de una teoría dada.

El desarrollo de la física ha respondido a muchas preguntas de los primeros filósofos, pero también ha planteado nuevas preguntas. El estudio de las cuestiones filosóficas que rodean a la física, la filosofía de la física, implica cuestiones como la naturaleza del espacio y el tiempo, el determinismo y puntos de vista metafísicos como el empirismo, el naturalismo y el realismo.

Muchos físicos han escrito sobre las implicaciones filosóficas de su trabajo, por ejemplo, Laplace, que defendió el determinismo causal, y Schrödinger, que escribió sobre mecánica cuántica. El físico matemático Roger Penrose había sido llamado platónico por Stephen Hawking, una opinión que Penrose analiza en su libro El camino a la realidad. Hawking se refirió a sí mismo como un "reduccionista desvergonzado" y discrepó con las opiniones de Penrose.

Teorías fundamentales

Aunque la física se ocupa de una amplia variedad de sistemas, todos los físicos utilizan ciertas teorías. Cada una de estas teorías se probó experimentalmente numerosas veces y se encontró que era una aproximación adecuada a la naturaleza. Por ejemplo, la teoría de la mecánica clásica describe con precisión el movimiento de los objetos, siempre que sean mucho más grandes que los átomos y se muevan a una velocidad mucho menor que la de la luz. Estas teorías continúan siendo áreas de investigación activa en la actualidad. La teoría del caos, un aspecto notable de la mecánica clásica, se descubrió en el siglo XX, tres siglos después de la formulación original de la mecánica clásica por parte de Newton (1642-1727).

Estas teorías centrales son herramientas importantes para la investigación de temas más especializados, y se espera que cualquier físico, independientemente de su especialización, esté alfabetizado en ellas. Estos incluyen la mecánica clásica, la mecánica cuántica, la termodinámica y la mecánica estadística, el electromagnetismo y la relatividad especial.

Clásico

La física clásica incluye las ramas y temas tradicionales que fueron reconocidos y bien desarrollados antes del comienzo del siglo XX: mecánica clásica, acústica, óptica, termodinámica y electromagnetismo. La mecánica clásica se ocupa de los cuerpos sobre los que actúan fuerzas y los cuerpos en movimiento y puede dividirse en estática (estudio de las fuerzas sobre un cuerpo o cuerpos no sujetos a una aceleración), cinemática (estudio del movimiento sin tener en cuenta sus causas) y dinámica (estudio del movimiento y las fuerzas que lo afectan); la mecánica también se puede dividir en mecánica de sólidos y mecánica de fluidos (conocidas juntas como mecánica de medios continuos); esta última incluye ramas como la hidrostática, la hidrodinámica, la aerodinámica y la neumática. La acústica es el estudio de cómo se produce, controla, transmite y recibe el sonido. Importantes ramas modernas de la acústica incluyen ultrasonidos, el estudio de ondas de sonido de muy alta frecuencia más allá del rango del oído humano; bioacústica, la física de las llamadas y la audición de los animales, y electroacústica, la manipulación de ondas sonoras audibles mediante la electrónica.

La óptica, el estudio de la luz, se ocupa no solo de la luz visible, sino también de la radiación infrarroja y ultravioleta, que presentan todos los fenómenos de la luz visible excepto la visibilidad, por ejemplo, reflexión, refracción, interferencia, difracción, dispersión y polarización de la luz.. El calor es una forma de energía, la energía interna que poseen las partículas que componen una sustancia; la termodinámica se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. La electricidad y el magnetismo se han estudiado como una sola rama de la física desde que se descubrió la íntima conexión entre ellos a principios del siglo XIX; una corriente eléctrica da lugar a un campo magnético, y un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. La electrostática se ocupa de las cargas eléctricas en reposo, la electrodinámica de las cargas en movimiento,

Moderno

física moderna
{displaystyle {sombrero {H}}|psi _{n}(t)rangle =ihbar {frac {parcial }{parcial t}}|psi _{n}(t) rango }{displaystyle {frac {1}{{c}^{2}}}{frac {{parcial}^{2}{phi }_{n}}{{parcial t}^{2} }}-{{nabla }^{2}{phi }_{n}}+{left({frac {mc}{hbar }}right)}^{2}{phi }_ {n}=0}Dinámica múltiple: ecuaciones de Schrödinger y Klein-Gordon
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La física clásica generalmente se ocupa 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 en una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo, la física atómica y nuclear estudia la materia en la escala más pequeña en la que se pueden identificar los elementos químicos. La física de las partículas elementales está 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. En esta escala, las nociones ordinarias y de sentido común de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas.

Las dos teorías principales de la física moderna presentan una imagen diferente de los conceptos de espacio, tiempo y materia de la que presenta la física clásica. La mecánica clásica se aproxima a 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 tales 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.

Conceptos fundamentales de la física moderna

• Causalidad
• covarianza
• Acción
• campo fisico
• Simetría
• Interacción física
• Conjunto estadístico
• Cuántico
• Onda
• Partícula

Diferencia

Si bien la física tiene como objetivo descubrir leyes universales, sus teorías se encuentran en dominios explícitos de aplicabilidad.

En términos generales, las leyes de la física clásica describen con precisión sistemas cuyas escalas de longitud importantes son mayores que la escala atómica y cuyos movimientos son mucho más lentos que la velocidad de la luz. Fuera de este dominio, las observaciones no coinciden con las predicciones proporcionadas por la mecánica clásica. Einstein contribuyó con el marco de la relatividad especial, que reemplazó las nociones de tiempo y espacio absolutos con espacio-tiempo y permitió una descripción precisa de los sistemas cuyos componentes tienen velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Planck, Schrödinger y otros introdujeron la mecánica cuántica, una noción probabilística de partículas e interacciones que permitió una descripción precisa de las escalas atómicas y subatómicas. Posteriormente, la teoría cuántica de campos unificó la mecánica cuántica y la relatividad especial. La relatividad general permitió un espacio-tiempo dinámico y curvo, con el cual se pueden describir bien los sistemas altamente masivos y la estructura a gran escala del universo. La relatividad general aún no se ha unificado con las otras descripciones fundamentales; se están desarrollando varias teorías candidatas de la gravedad cuántica.

Relación con otros campos

Requisitos previos

Las matemáticas proporcionan un lenguaje compacto y exacto que se usa para describir el orden en la naturaleza. Esto fue señalado y defendido por Pitágoras, Platón, Galileo y Newton.

La física utiliza las matemáticas para organizar y formular resultados experimentales. A partir de esos resultados se obtienen soluciones precisas o estimadas, o resultados cuantitativos, a partir de los cuales se pueden hacer nuevas predicciones y confirmarlas o negarlas experimentalmente. Los resultados de los experimentos de física son datos numéricos, con sus unidades de medida y estimaciones de los errores en las medidas. Las tecnologías basadas en las matemáticas, como la computación, han hecho de la física computacional un área activa de investigación.

La ontología es un requisito previo para la física, pero no para las matemáticas. Significa que la física se ocupa en última instancia de las descripciones del mundo real, mientras que las matemáticas se ocupan de los patrones abstractos, incluso más allá del mundo real. Así, los enunciados de la física son sintéticos, mientras que los enunciados matemáticos son analíticos. Las matemáticas contienen hipótesis, mientras que la física contiene teorías. Las declaraciones matemáticas tienen que ser solo lógicamente verdaderas, mientras que las predicciones de las declaraciones físicas deben coincidir con los datos observados y experimentales.

La distinción es clara, pero no siempre obvia. Por ejemplo, la física matemática es la aplicación de las matemáticas en la física. Sus métodos son matemáticos, pero su tema es físico. Los problemas en este campo comienzan con un "modelo matemático de una situación física" (sistema) y una "descripción matemática de una ley física" que se aplicará a ese sistema. Cada declaración matemática utilizada para resolver tiene un significado físico difícil de encontrar. La solución matemática final tiene un significado más fácil de encontrar, porque es lo que busca el solucionador.

La física pura es una rama de la ciencia fundamental (también llamada ciencia básica). La física también se llama " la ciencia fundamental" porque todas las ramas de las ciencias naturales como la química, la astronomía, la geología y la biología están limitadas por las leyes de la física.De manera similar, la química a menudo se llama la ciencia central debido a su papel en la vinculación de las ciencias físicas. Por ejemplo, la química estudia las propiedades, estructuras y reacciones de la materia (el enfoque de la química en la escala atómica y molecular la distingue de la física). Las estructuras se forman porque las partículas ejercen fuerzas eléctricas entre sí, las propiedades incluyen características físicas de sustancias dadas y las reacciones están sujetas a las leyes de la física, como la conservación de la energía, la masa y la carga. La física se aplica en industrias como la ingeniería y la medicina.

Aplicación e influencia

La física aplicada es un término general para la investigación física, que está destinado a un uso particular. Un plan de estudios de física aplicada generalmente contiene algunas clases en una disciplina aplicada, como geología o ingeniería eléctrica. Por lo general, se diferencia de la ingeniería en que un físico aplicado puede no estar diseñando algo en particular, sino que está utilizando la física o realizando investigaciones físicas con el objetivo de desarrollar nuevas tecnologías o resolver un problema.

El enfoque es similar al de las matemáticas aplicadas. Los físicos aplicados utilizan la física en la investigación científica. Por ejemplo, las personas que trabajan en física de aceleradores podrían intentar construir mejores detectores de partículas para la investigación en física teórica.

La física se utiliza mucho en la ingeniería. Por ejemplo, la estática, un subcampo de la mecánica, se usa en la construcción de puentes y otras estructuras estáticas. La comprensión y el uso de la acústica da como resultado el control del sonido y mejores salas de conciertos; de manera similar, el uso de la óptica crea mejores dispositivos ópticos. Una comprensión de la física hace que los simuladores de vuelo, los videojuegos y las películas sean más realistas y, a menudo, es fundamental en las investigaciones forenses.

Con el consenso estándar de que las leyes de la física son universales y no cambian con el tiempo, la física se puede utilizar para estudiar cosas que normalmente estarían sumidas en la incertidumbre. Por ejemplo, en el estudio del origen de la tierra, uno puede modelar razonablemente la masa, la temperatura y la velocidad de rotación de la tierra, como una función del tiempo, lo que permite extrapolar hacia adelante o hacia atrás en el tiempo y así predecir eventos futuros o anteriores. También permite simulaciones en ingeniería que aceleran drásticamente el desarrollo de una nueva tecnología.

Pero también existe una interdisciplinariedad considerable, por lo que muchos otros campos importantes están influenciados por la física (por ejemplo, los campos de la econofísica y la sociofísica).

Investigar

Método científico

Los físicos utilizan el método científico para probar la validez de una teoría física. Al utilizar un enfoque metódico para comparar las implicaciones de una teoría con las conclusiones extraídas de sus experimentos y observaciones relacionados, los físicos pueden probar mejor la validez de una teoría de una manera lógica, imparcial y repetible. Con ese fin, se realizan experimentos y observaciones para determinar la validez o invalidez de la teoría.

Una ley científica es una declaración verbal o matemática concisa de una relación que expresa un principio fundamental de alguna teoría, como la ley de gravitación universal de Newton.

Teoría y experimento

Los teóricos buscan desarrollar modelos matemáticos que estén de acuerdo con los experimentos existentes y predigan con éxito los resultados experimentales futuros, mientras que los experimentadores diseñan y realizan experimentos para probar las predicciones teóricas y explorar nuevos fenómenos. Aunque la teoría y el experimento se desarrollan por separado, se afectan fuertemente y dependen uno del otro. El progreso en la física ocurre con frecuencia cuando los resultados experimentales desafían la explicación de las teorías existentes, lo que provoca un intenso enfoque en el modelado aplicable, y cuando las nuevas teorías generan predicciones comprobables experimentalmente, que inspiran el desarrollo de nuevos experimentos (y, a menudo, equipos relacionados).

Los físicos que trabajan en la interacción de la teoría y el experimento se denominan fenomenólogos, que estudian los fenómenos complejos observados en el experimento y trabajan para relacionarlos con una teoría fundamental.

La física teórica se ha inspirado históricamente en la filosofía; el electromagnetismo se unificó de esta manera. Más allá del universo conocido, el campo de la física teórica también se ocupa de cuestiones hipotéticas, como los universos paralelos, un multiverso y dimensiones superiores. Los teóricos invocan estas ideas con la esperanza de resolver problemas particulares con las teorías existentes; luego exploran las consecuencias de estas ideas y trabajan para hacer predicciones comprobables.

La física experimental se expande y es expandida por la ingeniería y la tecnología. Los físicos experimentales que participan en la investigación básica, diseñan y realizan experimentos con equipos como los láseres y los aceleradores de partículas, mientras que los que participan en la investigación aplicada a menudo trabajan en la industria, desarrollando tecnologías como la resonancia magnética nuclear (RMN) y los transistores. Feynman ha señalado que los experimentadores pueden buscar áreas que los teóricos no han explorado bien.

Alcance y objetivos

La física cubre una amplia gama de fenómenos, desde partículas elementales (como quarks, neutrinos y electrones) hasta los supercúmulos de galaxias más grandes. Incluidos en estos fenómenos están los objetos más básicos que componen todas las demás cosas. Por lo tanto, la física a veces se llama la "ciencia fundamental". La física tiene como objetivo describir los diversos fenómenos que ocurren en la naturaleza en términos de fenómenos más simples. Por lo tanto, la física tiene como objetivo conectar las cosas observables para los humanos con las causas fundamentales y luego conectar estas causas entre sí.

Por ejemplo, los antiguos chinos observaron que ciertas rocas (imán y magnetita) se atraían entre sí por una fuerza invisible. Este efecto se denominó más tarde magnetismo, que se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII. Pero incluso antes de que los chinos descubrieran el magnetismo, los antiguos griegos conocían otros objetos, como el ámbar, que cuando se frotan con la piel provocan una atracción invisible similar entre los dos.Esto también se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII y llegó a llamarse electricidad. Así, la física había llegado a comprender dos observaciones de la naturaleza en términos de alguna causa raíz (electricidad y magnetismo). Sin embargo, trabajos posteriores en el siglo XIX revelaron que estas dos fuerzas eran solo dos aspectos diferentes de una sola fuerza: el electromagnetismo. Este proceso de "unificación" de fuerzas continúa hoy, y el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil ahora se consideran dos aspectos de la interacción electrodébil. La física espera encontrar una razón última (teoría de todo) de por qué la naturaleza es como es (consulte la sección Investigación actual a continuación para obtener más información).

Campos de investigación

La investigación contemporánea en física se puede dividir ampliamente en física nuclear y de partículas; física de la Materia Condensada; física atómica, molecular y óptica; astrofísica; y física aplicada. Algunos departamentos de física también apoyan la investigación en educación física y la divulgación de la física.

Desde el siglo XX, los campos individuales de la física se han vuelto cada vez más especializados y, en la actualidad, la mayoría de los físicos trabajan en un solo campo durante toda su carrera. Los "universalistas" como Einstein (1879-1955) y Lev Landau (1908-1968), que trabajaron en múltiples campos de la física, ahora son muy raros.

Los principales campos de la física, junto con sus subcampos y las teorías y conceptos que emplean, se muestran en la siguiente tabla.

Campo	subcampos	Principales teorías	Conceptos
Física nuclear y de partículas	Física nuclear, Astrofísica nuclear, Física de partículas, Física de astropartículas, Fenomenología de la física de partículas	Modelo estándar, teoría cuántica del campo, electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica, teoría electrodébil, teoría del campo efectivo, teoría del campo reticular, teoría del calibre reticular, teoría del calibre, supersimetría, gran teoría unificada, teoría de supercuerdas, teoría M	Interacción fundamental (gravitacional, electromagnética, débil, fuerte), Partícula elemental, Spin, Antimateria, Ruptura de simetría espontánea, Oscilación de neutrinos, Mecanismo de balancín, Brana, Cuerda, Gravedad cuántica, Teoría del todo, Energía del vacío
Física atómica, molecular y óptica.	Física atómica, Física molecular, Astrofísica atómica y molecular, Física química, Óptica, Fotónica	Óptica cuántica, Química cuántica, Ciencias de la información cuántica	Fotón, átomo, molécula, difracción, radiación electromagnética, láser, polarización (ondas), línea espectral, efecto Casimir
Física de la Materia Condensada	Física del estado sólido, Física de alta presión, Física de baja temperatura, Física de superficies, Física a nanoescala y mesoscópica, Física de polímeros	Teoría BCS, Teorema de Bloch, Teoría funcional de la densidad, Gas de Fermi, Teoría del líquido de Fermi, Teoría de muchos cuerpos, Mecánica estadística	Fases (gas, líquido, sólido), condensado de Bose-Einstein, conducción eléctrica, fonón, magnetismo, autoorganización, semiconductor, superconductor, superfluidez, espín,
Astrofísica	Astronomía, astrometría, cosmología, física gravitacional, astrofísica de alta energía, astrofísica planetaria, física de plasma, física solar, física espacial, astrofísica estelar	Big Bang, inflación cósmica, relatividad general, ley de gravitación universal de Newton, modelo Lambda-CDM, magnetohidrodinámica	Agujero negro, Radiación cósmica de fondo, Cuerda cósmica, Cosmos, Energía oscura, Materia oscura, Galaxia, Gravedad, Radiación gravitacional, Singularidad gravitacional, Planeta, Sistema solar, Estrella, Supernova, Universo
Física Aplicada	Física de aceleradores, Acústica, Agrofísica, Física atmosférica, Biofísica, Física química, Física de comunicaciones, Econofísica, Física de ingeniería, Dinámica de fluidos, Geofísica, Física láser, Física de materiales, Física médica, Nanotecnología, Óptica, Optoelectrónica, Fotónica, Fotovoltaica, Química física, Oceanografía física, Física de la computación, Física del plasma, Dispositivos de estado sólido, Química cuántica, Electrónica cuántica, Ciencia de la información cuántica, Dinámica de vehículos

Nuclear y partícula

La física de partículas es el estudio de los constituyentes elementales de la materia y la energía y las interacciones entre ellos. Además, los físicos de partículas diseñan y desarrollan los aceleradores, detectores y programas informáticos de alta energía necesarios para esta investigación. El campo también se denomina "física de alta energía" porque muchas partículas elementales no se producen de forma natural, sino que se crean solo durante las colisiones de alta energía de otras partículas.

Actualmente, las interacciones de partículas elementales y campos son descritas por el Modelo Estándar. El modelo da cuenta de las 12 partículas de materia conocidas (quarks y leptones) que interactúan a través de las fuerzas fundamentales fuerte, débil y electromagnética. La dinámica se describe en términos de partículas de materia que intercambian bosones de calibre (gluones, bosones W y Z y fotones, respectivamente). El modelo estándar también predice una partícula conocida como bosón de Higgs. En julio de 2012, el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, anunció la detección de una partícula consistente con el bosón de Higgs, una parte integral del mecanismo de Higgs.

La física nuclear es el campo de la física que estudia los constituyentes y las interacciones de los núcleos atómicos. Las aplicaciones más conocidas de la física nuclear son la generación de energía nuclear y la tecnología de armas nucleares, pero la investigación ha proporcionado aplicaciones en muchos campos, incluidos los de la medicina nuclear y la resonancia magnética, la implantación de iones en la ingeniería de materiales y la datación por radiocarbono en geología y arqueología..

Atómica, molecular y óptica.

La física atómica, molecular y óptica (AMO) es el estudio de las interacciones materia-materia y luz-materia en la escala de átomos y moléculas individuales. Las tres áreas se agrupan debido a sus interrelaciones, la similitud de los métodos utilizados y la similitud de sus escalas de energía relevantes. Las tres áreas incluyen tratamientos clásicos, semiclásicos y cuánticos; pueden tratar a su sujeto desde una vista microscópica (en contraste con una vista macroscópica).

La física atómica estudia las capas de electrones de los átomos. La investigación actual se centra en actividades de control cuántico, enfriamiento y atrapamiento de átomos e iones, dinámica de colisión a baja temperatura y los efectos de la correlación de electrones en la estructura y la dinámica. La física atómica está influenciada por el núcleo (ver división hiperfina), pero los fenómenos intranucleares como la fisión y la fusión se consideran parte de la física nuclear.

La física molecular se centra en las estructuras multiatómicas y sus interacciones internas y externas con la materia y la luz. La física óptica se diferencia de la óptica en que tiende a centrarse no en el control de los campos de luz clásicos por parte de los objetos macroscópicos, sino en las propiedades fundamentales de los campos ópticos y sus interacciones con la materia en el ámbito microscópico.

Materia Condensada

La física de la materia condensada es el campo de la física que se ocupa de las propiedades físicas macroscópicas de la materia. En particular, se ocupa de las fases "condensadas" que aparecen cuando el número de partículas en un sistema es extremadamente grande y las interacciones entre ellas son fuertes.

Los ejemplos más familiares de fases condensadas son sólidos y líquidos, que surgen del enlace por medio de la fuerza electromagnética entre átomos. Las fases condensadas más exóticas incluyen el superfluido y el condensado de Bose-Einstein que se encuentran en ciertos sistemas atómicos a muy baja temperatura, la fase superconductora exhibida por los electrones de conducción en ciertos materiales y las fases ferromagnética y antiferromagnética de espines en redes atómicas.

La física de la materia condensada es el campo más grande de la física contemporánea. Históricamente, la física de la materia condensada surgió de la física del estado sólido, que ahora se considera uno de sus principales subcampos. El término física de la materia condensada aparentemente fue acuñado por Philip Anderson cuando cambió el nombre de su grupo de investigación, anteriormente teoría del estado sólido, en 1967. En 1978, la División de Física del Estado Sólido de la Sociedad Estadounidense de Física pasó a llamarse División de Física de la Materia Condensada.. La física de la materia condensada tiene una gran superposición con la química, la ciencia de los materiales, la nanotecnología y la ingeniería.

Astrofísica

La astrofísica y la astronomía son la aplicación de las teorías y métodos de la física al estudio de la estructura estelar, la evolución estelar, el origen del Sistema Solar y los problemas relacionados con la cosmología. Debido a que la astrofísica es un tema amplio, los astrofísicos suelen aplicar muchas disciplinas de la física, incluidas la mecánica, el electromagnetismo, la mecánica estadística, la termodinámica, la mecánica cuántica, la relatividad, la física nuclear y de partículas, y la física atómica y molecular.

El descubrimiento de Karl Jansky en 1931 de que los cuerpos celestes emitían señales de radio inició la ciencia de la radioastronomía. Más recientemente, las fronteras de la astronomía se han ampliado con la exploración espacial. Las perturbaciones y la interferencia de la atmósfera terrestre hacen que las observaciones desde el espacio sean necesarias para la astronomía infrarroja, ultravioleta, de rayos gamma y de rayos X.

La cosmología física es el estudio de la formación y evolución del universo en sus escalas más grandes. La teoría de la relatividad de Albert Einstein juega un papel central en todas las teorías cosmológicas modernas. A principios del siglo XX, el descubrimiento de Hubble de que el universo se está expandiendo, como lo muestra el diagrama de Hubble, provocó explicaciones rivales conocidas como el universo de estado estacionario y el Big Bang.

El Big Bang fue confirmado por el éxito de la nucleosíntesis del Big Bang y el descubrimiento del fondo cósmico de microondas en 1964. El modelo del Big Bang descansa sobre dos pilares teóricos: la relatividad general de Albert Einstein y el principio cosmológico. Los cosmólogos han establecido recientemente el modelo ΛCDM de la evolución del universo, que incluye la inflación cósmica, la energía oscura y la materia oscura.

Se prevé que surjan numerosas posibilidades y descubrimientos a partir de nuevos datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi durante la próxima década y revisar o aclarar ampliamente los modelos existentes del universo. En particular, el potencial para un tremendo descubrimiento en torno a la materia oscura es posible en los próximos años. Fermi buscará pruebas de que la materia oscura está compuesta por partículas masivas que interactúan débilmente, complementando experimentos similares con el Gran Colisionador de Hadrones y otros detectores subterráneos.

IBEX ya está produciendo nuevos descubrimientos astrofísicos: "Nadie sabe qué está creando la cinta ENA (átomos neutrales energéticos)" a lo largo del choque de terminación del viento solar, "pero todos están de acuerdo en que se trata de la imagen de libro de texto de la heliosfera, en la que el El bolsillo envolvente del Sistema Solar lleno de partículas cargadas del viento solar está surcando el 'viento galáctico' del medio interestelar en forma de cometa, está mal".

La investigación actual

La investigación en física progresa continuamente en un gran número de frentes.

En la física de la materia condensada, un importante problema teórico no resuelto es el de la superconductividad a alta temperatura. Muchos experimentos de materia condensada tienen como objetivo fabricar espintrónica y computadoras cuánticas viables.

En la física de partículas, han comenzado a aparecer las primeras pruebas experimentales de la física más allá del modelo estándar. Las más importantes son las indicaciones de que los neutrinos tienen una masa distinta de cero. Estos resultados experimentales parecen haber resuelto el antiguo problema de los neutrinos solares, y la física de los neutrinos masivos sigue siendo un área de investigación teórica y experimental activa. El Gran Colisionador de Hadrones ya ha encontrado el bosón de Higgs, pero la investigación futura tiene como objetivo probar o refutar la supersimetría, que amplía el Modelo Estándar de la física de partículas. La investigación sobre la naturaleza de los principales misterios de la materia oscura y la energía oscura también está actualmente en curso.

Aunque se ha avanzado mucho en la física astronómica, cuántica y de altas energías, muchos fenómenos cotidianos relacionados con la complejidad, el caos o la turbulencia aún no se comprenden bien. Los problemas complejos que parecen resolverse mediante una aplicación inteligente de la dinámica y la mecánica siguen sin resolverse; los ejemplos incluyen la formación de montones de arena, nodos en el goteo de agua, la forma de las gotas de agua, los mecanismos de catástrofes de tensión superficial y la autoclasificación en colecciones heterogéneas sacudidas.

Estos fenómenos complejos han recibido una atención creciente desde la década de 1970 por varias razones, incluida la disponibilidad de métodos matemáticos y computadoras modernos, que permitieron modelar sistemas complejos de nuevas maneras. La física compleja se ha convertido en parte de una investigación cada vez más interdisciplinaria, como lo demuestra el estudio de la turbulencia en la aerodinámica y la observación de la formación de patrones en los sistemas biológicos. En la Revisión anual de mecánica de fluidos de 1932, Horace Lamb dijo:

Ahora soy un anciano, y cuando muera y vaya al cielo, hay dos asuntos en los que espero que me iluminen. Uno es la electrodinámica cuántica y el otro es el movimiento turbulento de los fluidos. Y sobre lo primero soy bastante optimista.