Física experimental

Física experimental es la categoría de disciplinas y subdisciplinas del campo de la física que se ocupan de la observación de fenómenos y experimentos físicos. Los métodos varían de una disciplina a otra, desde experimentos y observaciones simples, como los experimentos de Galileo, hasta otros más complicados, como el Gran Colisionador de Hadrones.

Descripción general

La física experimental es una rama de la física que se ocupa de la adquisición de datos, los métodos de adquisición de datos y la conceptualización detallada (más allá de los simples experimentos mentales) y la realización de experimentos de laboratorio. A menudo se la contrasta con la física teórica, que se preocupa más por predecir y explicar el comportamiento físico de la naturaleza que por la adquisición de datos empíricos.

Aunque la física experimental y la teórica se ocupan de diferentes aspectos de la naturaleza, ambas comparten el mismo objetivo de comprenderla y tienen una relación simbiótica. El primero proporciona datos sobre el universo, que luego pueden analizarse para ser comprendidos, mientras que el segundo proporciona explicaciones para los datos y, por lo tanto, ofrece información sobre cómo adquirir datos mejor y establecer experimentos. La física teórica también puede ofrecer información sobre qué datos se necesitan para obtener una mejor comprensión del universo y qué experimentos idear para obtenerlos.

Historia

Como campo distinto, la física experimental fue establecida a principios de la Europa moderna, durante lo que se conoce como la Revolución Científica, por físicos como Galileo Galilei, Christiaan Huygens, Johannes Kepler, Blaise Pascal y Sir Isaac Newton. A principios del siglo XVII, Galileo hizo un uso extensivo de la experimentación para validar teorías físicas, que es la idea clave del método científico moderno. Galileo formuló y probó con éxito varios resultados en dinámica, en particular la ley de inercia, que más tarde se convirtió en la primera ley de las leyes del movimiento de Newton. En Dos nuevas ciencias de Galileo, un diálogo entre los personajes Simplicio y Salviati analiza el movimiento de un barco (como un marco en movimiento) y cómo la carga de ese barco es indiferente a su movimiento. Huygens utilizó el movimiento de un barco a lo largo de un canal holandés para ilustrar una forma temprana de conservación del impulso.

Se considera que la física experimental alcanzó un punto culminante con la publicación de los Philosophiae Naturalis Principia Mathematica en 1687 por Sir Isaac Newton (1643-1727). En 1687, Newton publicó los Principia, que detallaban dos leyes físicas completas y exitosas: las leyes del movimiento de Newton, de las que surge la mecánica clásica; y la ley de gravitación universal de Newton, que describe la fuerza fundamental de la gravedad. Ambas leyes coincidieron bien con el experimento. Los Principia también incluían varias teorías sobre dinámica de fluidos.

Desde finales del siglo XVII en adelante, la termodinámica fue desarrollada por el físico y químico Boyle, Young y muchos otros. En 1733, Bernoulli utilizó argumentos estadísticos con la mecánica clásica para derivar resultados termodinámicos, iniciando el campo de la mecánica estadística. En 1798, Thompson demostró la conversión del trabajo mecánico en calor, y en 1847 Joule estableció la ley de conservación de la energía, tanto en forma de calor como de energía mecánica. Ludwig Boltzmann, en el siglo XIX, es el responsable de la forma moderna de la mecánica estadística.

Además de la mecánica y la termodinámica clásicas, otro gran campo de investigación experimental dentro de la física fue la naturaleza de la electricidad. Las observaciones realizadas en los siglos XVII y XVIII por científicos como Robert Boyle, Stephen Gray y Benjamin Franklin sentaron las bases para trabajos posteriores. Estas observaciones también establecieron nuestra comprensión básica de la carga y la corriente eléctricas. En 1808, John Dalton descubrió que los átomos de diferentes elementos tienen diferentes pesos y propuso la teoría moderna del átomo.

Fue Hans Christian Ørsted quien propuso por primera vez la conexión entre la electricidad y el magnetismo después de observar la desviación de la aguja de una brújula por una corriente eléctrica cercana. A principios de la década de 1830, Michael Faraday había demostrado que los campos magnéticos y la electricidad podían generarse entre sí. En 1864 James Clerk Maxwell presentó a la Royal Society un conjunto de ecuaciones que describían esta relación entre electricidad y magnetismo. Las ecuaciones de Maxwell también predijeron correctamente que la luz es una onda electromagnética. Comenzando con la astronomía, los principios de la filosofía natural cristalizaron en leyes fundamentales de la física que fueron enunciadas y mejoradas en los siglos siguientes. En el siglo XIX, las ciencias se habían segmentado en múltiples campos con investigadores especializados y el campo de la física, aunque lógicamente preeminente, ya no podía reclamar la propiedad exclusiva de todo el campo de la investigación científica.

Experimentos actuales

Algunos ejemplos de proyectos destacados de física experimental son:

• Relativistic Collider Ion pesado que colisiona iones pesados como iones de oro (es el primer colider de iones pesados) y protones, se encuentra en el Laboratorio Nacional Brookhaven, en Long Island, Estados Unidos.
• HERA, que colisiona electrones o positrones y protones, y es parte de DESY, ubicado en Hamburgo, Alemania.
• LHC, o el Gran Colisionador de Hadrones, que completó la construcción en 2008 pero sufrió una serie de contratiempos. El LHC comenzó sus operaciones en 2008, pero fue cerrado para mantenimiento hasta el verano de 2009. Es el colisionador más energético del mundo al terminar, se encuentra en el CERN, en la frontera franco-swi cerca de Ginebra. El colider entró en pleno funcionamiento el 29 de marzo de 2010 un año y medio más tarde de lo previsto originalmente.
• LIGO, el Observatorio de Agua Pos Gravitacionales de Interferómetro Laser, es un experimento físico a gran escala y observatorio para detectar ondas gravitacionales cósmicas y desarrollar observaciones de onda gravitacional como herramienta astronómica. Actualmente existen dos observatorios de LIGO: el Observatorio LIGO Livingston en Livingston, Louisiana y el Observatorio LIGO Hanford cerca de Richland, Washington.
• JWST, o el telescopio espacial James Webb, lanzado en 2021. Será el sucesor del Telescopio Espacial Hubble. Revisará el cielo en la región infrarroja. Los objetivos principales del JWST serán para comprender las etapas iniciales del universo, la formación de galaxias, así como las formaciones de estrellas y planetas, y los orígenes de la vida.
• Mississippi State Axion Search (2016 completion), Light Shining Through a Wall Experiment (LSW); EM Source:.7m, 50W radio emisor de onda continua

Método

La física experimental utiliza dos métodos principales de investigación experimental: experimentos controlados y experimentos naturales. Los experimentos controlados se utilizan a menudo en los laboratorios, ya que los laboratorios pueden ofrecer un entorno controlado. Los experimentos naturales se utilizan, por ejemplo, en astrofísica para observar objetos celestes en los que el control de las variables reales es imposible.

Experimentos famosos

Los experimentos famosos incluyen:

Técnicas experimentales

Algunas técnicas experimentales bien conocidas incluyen:

Físicas experimentales prominentes

Los físicos experimentales famosos incluyen:

Líneas de tiempo

Consulte los cronogramas a continuación para ver listados de experimentos de física.

• Timeline of atomic and subatomic physical
• Línea de tiempo de la mecánica clásica
• Línea de tiempo de electromagnetismo y óptica clásica
• Timeline of gravitational physical and relativity
• Calendario de la fusión nuclear
• Línea de tiempo de descubrimientos de partículas
• Timeline of particle physical technology
• Timeline of states of matter and phase transitions
• Timeline of thermodynamics