Historia de la física

La física es una rama de la ciencia cuyos principales objetos de estudio son la materia y la energía. Los descubrimientos de la física encuentran aplicaciones en las ciencias naturales y en la tecnología. La física actual puede dividirse libremente en física clásica y física moderna.

Historia antigua

Los elementos de lo que se convirtió en física se extrajeron principalmente de los campos de la astronomía, la óptica y la mecánica, que se unieron metodológicamente a través del estudio de la geometría. Estas disciplinas matemáticas comenzaron en la antigüedad con los babilonios y con escritores helenísticos como Arquímedes y Ptolomeo. La filosofía antigua, por su parte, incluía lo que se denominaba "Física".

concepto griego

El movimiento hacia una comprensión racional de la naturaleza comenzó al menos desde el período Arcaico en Grecia (650-480 a. C.) con los filósofos presocráticos. El filósofo Tales de Mileto (siglos VII y VI a. C.), apodado "el padre de la ciencia" por negarse a aceptar varias explicaciones sobrenaturales, religiosas o mitológicas de los fenómenos naturales, proclamó que todo evento tenía una causa natural. Tales también hizo avances en 580 a. C. al sugerir que el agua es el elemento básico, experimentar con la atracción entre imanes y ámbar frotado y formular las primeras cosmologías registradas. Anaximandro, famoso por su teoría protoevolutiva, cuestionó las ideas de Tales y propuso que en lugar de agua, una sustancia llamada apeironera el bloque de construcción de toda la materia. Alrededor del año 500 a. C., Heráclito propuso que la única ley básica que rige el Universo era el principio del cambio y que nada permanece en el mismo estado indefinidamente. Esta observación lo convirtió en uno de los primeros estudiosos de la física antigua en abordar el papel del tiempo en el universo, un concepto clave y, a veces, polémico en la física moderna y actual.

Durante el período clásico en Grecia (siglos VI, V y IV a. C.) y en la época helenística, la filosofía natural se convirtió lentamente en un campo de estudio emocionante y polémico. Aristóteles (griego: Ἀριστοτέλης, Aristotélēs) (384 - 322 a. C.), estudiante de Platón, promovió el concepto de que la observación de los fenómenos físicos podría conducir en última instancia al descubrimiento de las leyes naturales que los gobiernan.Los escritos de Aristóteles abarcan física, metafísica, poesía, teatro, música, lógica, retórica, lingüística, política, gobierno, ética, biología y zoología. Escribió el primer trabajo que se refiere a esa línea de estudio como "Física": en el siglo IV a. C., Aristóteles fundó el sistema conocido como física aristotélica. Trató de explicar ideas como el movimiento (y la gravedad) con la teoría de los cuatro elementos. Aristóteles creía que toda la materia estaba compuesta de éter, o alguna combinación de cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Según Aristóteles, estos cuatro elementos terrestres son capaces de intertransformarse y moverse hacia su lugar natural, así una piedra cae hacia el centro del cosmos, pero las llamas ascienden hacia la circunferencia. Eventualmente, La física aristotélica se hizo enormemente popular durante muchos siglos en Europa, informando los desarrollos científicos y escolásticos de la Edad Media. Siguió siendo el principal paradigma científico en Europa hasta la época de Galileo Galilei e Isaac Newton.

A principios de la Grecia clásica, el conocimiento de que la Tierra es esférica ("redonda") era común. Alrededor del 240 a. C., como resultado de un experimento fundamental, Eratóstenes (276-194 a. C.) estimó con precisión su circunferencia. En contraste con los puntos de vista geocéntricos de Aristóteles, Aristarco de Samos (griego: Ἀρίσταρχος; c. 310 - c. 230 a. C.) presentó un argumento explícito para un modelo heliocéntrico del Sistema Solar, es decir, para colocar el Sol, no la Tierra, en su centro.. Seleuco de Seleucia, seguidor de la teoría heliocéntrica de Aristarco, afirmó que la Tierra giraba alrededor de su propio eje, el cual, a su vez, giraba alrededor del Sol. Aunque los argumentos que usó se perdieron, Plutarco afirmó que Seleucus fue el primero en probar el sistema heliocéntrico a través del razonamiento.

En el siglo III a. C., el matemático griego Arquímedes de Siracusa (griego: Ἀρχιμήδης(287–212 a. C.), generalmente considerado como el matemático más grande de la antigüedad y uno de los más grandes de todos los tiempos, sentó las bases de la hidrostática, la estática y calculó las matemáticas subyacentes de la palanca. Un destacado científico de la antigüedad clásica, Arquímedes también desarrolló elaborados sistemas de poleas para mover objetos grandes con un mínimo de esfuerzo. El tornillo de Arquímedes sustenta la hidroingeniería moderna, y sus máquinas de guerra ayudaron a contener a los ejércitos de Roma en la Primera Guerra Púnica. Arquímedes incluso desgarró los argumentos de Aristóteles y su metafísica, señalando que era imposible separar las matemáticas y la naturaleza y lo demostró convirtiendo las teorías matemáticas en invenciones prácticas. Además, en su obra Sobre los cuerpos flotantes, alrededor del 250 a. C., Arquímedes desarrolló la ley de flotabilidad, también conocida como principio de Arquímedes. En matemáticas, Arquímedes usó el método de agotamiento para calcular el área bajo el arco de una parábola con la suma de una serie infinita y dio una aproximación notablemente precisa de pi. También definió la espiral que lleva su nombre, fórmulas para los volúmenes de superficies de revolución y un ingenioso sistema para expresar números muy grandes. También desarrolló los principios de los estados de equilibrio y los centros de gravedad, ideas que influirían en los eruditos conocidos, Galileo y Newton.

Hiparco (190-120 a. C.), centrándose en la astronomía y las matemáticas, utilizó técnicas geométricas sofisticadas para mapear el movimiento de las estrellas y los planetas, e incluso predijo las horas en que ocurrirían los eclipses solares. Agregó cálculos de la distancia del Sol y la Luna desde la Tierra, basados ​​en sus mejoras a los instrumentos de observación utilizados en ese momento. Otro de los primeros físicos más famosos fue Ptolomeo (90-168 EC), una de las mentes más destacadas durante la época del Imperio Romano. Ptolomeo fue autor de varios tratados científicos, al menos tres de los cuales fueron de continua importancia para la ciencia islámica y europea posterior. El primero es el tratado astronómico ahora conocido como el Almagesto.(en griego, Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, "El Gran Tratado", originalmente Μαθηματικὴ Σύνταξις, "Tratado de Matemáticas"). El segundo es la Geografía, que es una discusión exhaustiva del conocimiento geográfico del mundo greco-romano.

Gran parte del conocimiento acumulado del mundo antiguo se perdió. Incluso de las obras de los pensadores más conocidos sobrevivieron pocos fragmentos. Aunque escribió al menos catorce libros, casi nada de la obra directa de Hiparco sobrevivió. De las 150 obras aristotélicas reputadas, solo existen 30, y algunas de ellas son "poco más que notas de conferencias".

India y china

También existían importantes tradiciones físicas y matemáticas en las antiguas ciencias chinas e indias.

En la filosofía india, Maharishi Kanada fue el primero en desarrollar sistemáticamente una teoría del atomismo alrededor del año 200 a. C., aunque algunos autores le han asignado una era anterior en el siglo VI a. Fue elaborado por los atomistas budistas Dharmakirti y Dignāga durante el primer milenio EC.Pakudha Kaccayana, un filósofo indio del siglo VI a. C. y contemporáneo de Gautama Buda, también había propuesto ideas sobre la constitución atómica del mundo material. Estos filósofos creían que otros elementos (excepto el éter) eran físicamente palpables y, por lo tanto, comprendían partículas minúsculas de materia. La última partícula minúscula de materia que no pudo subdividirse más se denominó Parmanu. Estos filósofos consideraban que el átomo era indestructible y, por lo tanto, eterno. Los budistas pensaban que los átomos eran objetos diminutos que no se podían ver a simple vista y que nacían y desaparecían en un instante. La escuela de filósofos Vaisheshika creía que un átomo era un mero punto en el espacio. También fue el primero en representar las relaciones entre el movimiento y la fuerza aplicada. Las teorías indias sobre el átomo son muy abstractas y están enredadas en la filosofía, ya que se basaron en la lógica y no en la experiencia o experimentación personal. En la astronomía india, la de AryabhataAryabhatiya (499 EC) propuso la rotación de la Tierra, mientras que Nilakantha Somayaji (1444-1544) de la escuela de astronomía y matemáticas de Kerala propuso un modelo semi-heliocéntrico que se asemeja al sistema Tychonic.

El estudio del magnetismo en la antigua China se remonta al siglo IV a. (en el Libro del Maestro del Valle del Diablo), Shen Kuo (1031-1095), un erudito y estadista que fue el primero en describir la brújula de aguja magnética utilizada para la navegación, además de establecer el concepto de norte verdadero. En óptica, Shen Kuo desarrolló de forma independiente una cámara oscura.

Mundo islámico

En los siglos VII al XV, se produjo un progreso científico en el mundo musulmán. Muchas obras clásicas en indio, asirio, sasánida (persa) y griego, incluidas las obras de Aristóteles, se tradujeron al árabe. Ibn al-Haytham (965-1040), un científico árabe, considerado uno de los fundadores de la óptica moderna, realizó contribuciones importantes. Ptolomeo y Aristóteles teorizaron que la luz brillaba desde el ojo para iluminar objetos o que las "formas" emanaban de los mismos objetos, mientras que al-Haytham (conocido por el nombre en latín "Alhazen") sugirió que la luz viaja al ojo en forma de rayos desde diferentes puntos. sobre un objeto. Los trabajos de Ibn al-Haytham y Abū Rayhān Bīrūnī (973–1050), un científico persa, finalmente pasaron a Europa occidental, donde fueron estudiados por eruditos como Roger Bacon y Witelo.

Ibn al-Haytham y Biruni fueron los primeros defensores del método científico. Algunos consideran que Ibn al-Haytham es el "padre del método científico moderno" debido a su énfasis en los datos experimentales y la reproducibilidad de sus resultados. El primer enfoque metódico de los experimentos en el sentido moderno es visible en los trabajos de Ibn al-Haytham, quien introdujo un método inductivo-experimental para lograr resultados. Bīrūnī introdujo métodos científicos tempranos para varios campos de investigación diferentes durante las décadas de 1020 y 1030, incluido un método experimental temprano para la mecánica. La metodología de Biruni se parecía al método científico moderno, particularmente en su énfasis en la experimentación repetida.

Ibn Sīnā (980–1037), conocido como "Avicena", fue un erudito de Bukhara (en el actual Uzbekistán) responsable de importantes contribuciones a la física, la óptica, la filosofía y la medicina. Publicó su teoría del movimiento en Book of Healing (1020), donde argumentó que el lanzador imparte un impulso a un proyectil, y creía que era una virtud temporal que disminuiría incluso en el vacío. Lo vio como persistente, que requería fuerzas externas como la resistencia del aire para disiparlo.Ibn Sina hizo una distinción entre 'fuerza' e 'inclinación' (llamada "mayl") y argumentó que un objeto gana mayl cuando el objeto está en oposición a su movimiento natural. Llegó a la conclusión de que la continuación del movimiento se atribuye a la inclinación que se transfiere al objeto, y ese objeto estará en movimiento hasta que se agote el mayl. También afirmó que el proyectil en el vacío no se detendría a menos que se actúe sobre él. Esta concepción del movimiento es consistente con la primera ley del movimiento de Newton, la inercia, que establece que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Esta idea que disentía del punto de vista aristotélico fue descrita más tarde como "ímpetu" por John Buridan, quien fue influenciado por el Libro de la Curación de Ibn Sina.

Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (c. 1080-1165) adoptó y modificó la teoría de Ibn Sina sobre el movimiento de proyectiles. En su Kitab al-Mu'tabar, Abu'l-Barakat afirmó que el motor imparte una inclinación violenta (mayl qasri) sobre el que se mueve y que ésta disminuye a medida que el objeto en movimiento se aleja del motor. También propuso una explicación de la aceleración de los cuerpos que caen por la acumulación de incrementos sucesivos de potencia con incrementos sucesivos de velocidad.Según Shlomo Pines, la teoría del movimiento de al-Baghdaadi era "la negación más antigua de la ley dinámica fundamental de Aristóteles [a saber, que una fuerza constante produce un movimiento uniforme], [y es por tanto una] anticipación vaga de la ley fundamental de mecánica clásica [es decir, que una fuerza aplicada continuamente produce aceleración]". Jean Buridan y Alberto de Sajonia se refirieron más tarde a Abu'l-Barakat al explicar que la aceleración de un cuerpo que cae es el resultado de su creciente ímpetu.

Ibn Bajjah (c. 1085-1138), conocido como "Avempace" en Europa, propuso que para cada fuerza siempre hay una fuerza de reacción. Ibn Bajjah fue un crítico de Ptolomeo y trabajó en la creación de una nueva teoría de la velocidad para reemplazar la teorizada por Aristóteles. Dos futuros filósofos apoyaron las teorías creadas por Avempace, conocidas como dinámica de Avempace. Estos filósofos fueron Tomás de Aquino, un sacerdote católico, y John Duns Scotus. Galileo pasó a adoptar la fórmula de Avempace "que la velocidad de un objeto dado es la diferencia de la fuerza motriz de ese objeto y la resistencia del medio de movimiento".

Nasir al-Din al-Tusi (1201-1274), un astrónomo y matemático persa que murió en Bagdad, presentó a la pareja Tusi. Más tarde, Copérnico se basó en gran medida en el trabajo de al-Din al-Tusi y sus alumnos, pero sin reconocimiento.

Europa medieval

El conocimiento de las obras antiguas volvió a entrar en Occidente a través de las traducciones del árabe al latín. Su reintroducción, combinada con comentarios teológicos judeoislámicos, tuvo una gran influencia en los filósofos medievales como Tomás de Aquino. Los eruditos escolásticos europeos, que buscaban reconciliar la filosofía de los antiguos filósofos clásicos con la teología cristiana, proclamaron a Aristóteles como el mayor pensador del mundo antiguo. En los casos en que no contradecían directamente la Biblia, la física aristotélica se convirtió en la base de las explicaciones físicas de las iglesias europeas. La cuantificación se convirtió en un elemento central de la física medieval.

Basada en la física aristotélica, la física escolástica describió las cosas como moviéndose según su naturaleza esencial. Los objetos celestes se describieron como moviéndose en círculos, porque el movimiento circular perfecto se consideraba una propiedad innata de los objetos que existían en el reino incorrupto de las esferas celestes. La teoría del ímpetu, el antepasado de los conceptos de inercia y momento, fue desarrollada de manera similar por filósofos medievales como John Philoponus y Jean Buridan. Los movimientos debajo de la esfera lunar se consideraron imperfectos y, por lo tanto, no se podía esperar que exhibieran un movimiento constante. Un movimiento más idealizado en el reino "sublunar" solo podía lograrse a través del artificio, y antes del siglo XVII, muchos no veían los experimentos artificiales como un medio válido para aprender sobre el mundo natural. Las explicaciones físicas en el reino sublunar giraban en torno a las tendencias. Las piedras contenían el elemento tierra, y los objetos terrestres tendían a moverse en línea recta hacia el centro de la tierra (y el universo en la visión geocéntrica aristotélica) a menos que se les impidiera hacerlo.

Revolución científica

Durante los siglos XVI y XVII tuvo lugar en Europa un gran avance del progreso científico conocido como la revolución científica. La insatisfacción con los enfoques filosóficos más antiguos había comenzado antes y había producido otros cambios en la sociedad, como la Reforma protestante, pero la revolución en la ciencia comenzó cuando los filósofos naturales comenzaron a montar un ataque sostenido contra el programa filosófico escolástico y supusieron que los esquemas matemáticos descriptivos adoptados de campos tales como la mecánica y la astronomía en realidad podrían producir caracterizaciones universalmente válidas del movimiento y otros conceptos.

Nicolás Copérnico

El astrónomo polaco Nicolaus Copernicus (1473-1543) hizo un gran avance en la astronomía cuando, en 1543, presentó fuertes argumentos a favor del modelo heliocéntrico del Sistema Solar, aparentemente como un medio para hacer más precisas las tablas que trazan el movimiento planetario y para simplificar su producción. En los modelos heliocéntricos del sistema solar, la Tierra orbita alrededor del Sol junto con otros cuerpos en la galaxia de la Tierra, una contradicción según el astrónomo griego-egipcio Ptolomeo (siglo II EC; ver arriba), cuyo sistema colocó a la Tierra en el centro del Universo y había sido aceptado por más de 1.400 años. El astrónomo griego Aristarco de Samos (c. 310 - c. 230 a. C.) había sugerido que la Tierra gira alrededor del Sol, pero el razonamiento de Copérnico condujo a una aceptación general duradera de esta idea "revolucionaria". CopérnicoDe revolutionibus orbium coelestium, "Sobre las revoluciones de las esferas celestes") se publicó justo antes de su muerte en 1543 y, como ahora se considera generalmente que marca el comienzo de la astronomía moderna, también se considera que marca el comienzo de la revolución científica.. La nueva perspectiva de Copérnico, junto con las observaciones precisas realizadas por Tycho Brahe, permitieron al astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630) formular sus leyes sobre el movimiento planetario que siguen en uso en la actualidad.

Galileo Galilei

El matemático, astrónomo y físico italiano Galileo Galilei (1564–1642) fue famoso por su apoyo al copernicanismo, sus descubrimientos astronómicos, experimentos empíricos y su mejora del telescopio. Como matemático, el papel de Galileo en la cultura universitaria de su época estuvo subordinado a los tres grandes temas de estudio: derecho, medicina y teología (que estaba estrechamente relacionada con la filosofía). Galileo, sin embargo, sintió que el contenido descriptivo de las disciplinas técnicas justificaba el interés filosófico, particularmente porque el análisis matemático de las observaciones astronómicas, en particular, el análisis de Copérnico de los movimientos relativos del Sol, la Tierra, la Luna y los planetas, indicaba que las declaraciones de los filósofos acerca de la naturaleza del universo podría demostrarse que es un error. Galileo también realizó experimentos mecánicos,

Los primeros estudios de Galileo en la Universidad de Pisa fueron en medicina, pero pronto se sintió atraído por las matemáticas y la física. A los 19, descubrió (y, posteriormente, verificó) la naturaleza isócrona del péndulo cuando, usando su pulso, cronometró las oscilaciones de una lámpara oscilante en la catedral de Pisa y descubrió que permanecía igual para cada oscilación independientemente de la amplitud de la oscilación.. Pronto se hizo conocido por su invención de una balanza hidrostática y por su tratado sobre el centro de gravedad de los cuerpos sólidos. Mientras enseñaba en la Universidad de Pisa (1589-1592), inició sus experimentos sobre las leyes de los cuerpos en movimiento que arrojaron resultados tan contradictorios con las enseñanzas aceptadas de Aristóteles que despertaron un fuerte antagonismo. Encontró que los cuerpos no caen con velocidades proporcionales a sus pesos. La famosa historia en la que se dice que Galileo dejó caer pesas desde la Torre Inclinada de Pisa es apócrifa, pero descubrió que la trayectoria de un proyectil es una parábola y se le atribuyen conclusiones que anticiparon las leyes del movimiento de Newton (por ejemplo, la noción de inercia). Entre estos se encuentra lo que ahora se llama relatividad galileana, la primera declaración formulada con precisión sobre las propiedades del espacio y el tiempo fuera de la geometría tridimensional.

Galileo ha sido llamado el "padre de la astronomía observacional moderna", el "padre de la física moderna", el "padre de la ciencia" y "el padre de la ciencia moderna". Según Stephen Hawking, "Galileo, quizás más que cualquier otra persona, fue responsable del nacimiento de la ciencia moderna". Como la ortodoxia religiosa decretó una comprensión geocéntrica o ticónica del sistema solar, el apoyo de Galileo al heliocentrismo provocó polémica y fue juzgado por la Inquisición. Encontrado "vehementemente sospechoso de herejía", se vio obligado a retractarse y pasó el resto de su vida bajo arresto domiciliario.

Las contribuciones que hizo Galileo a la astronomía observacional incluyen la confirmación telescópica de las fases de Venus; su descubrimiento, en 1609, de las cuatro lunas más grandes de Júpiter (que posteriormente recibieron el nombre colectivo de "lunas galileanas"); y la observación y análisis de manchas solares. Galileo también se dedicó a la ciencia y la tecnología aplicadas, inventando, entre otros instrumentos, una brújula militar. Su descubrimiento de las lunas jovianas se publicó en 1610 y le permitió obtener el puesto de matemático y filósofo en la corte de los Medici. Como tal, se esperaba que participara en debates con filósofos de la tradición aristotélica y recibió una gran audiencia por sus propias publicaciones, como Discourses and Mathematical Demonstrations Concerning Two New Sciences.(publicado en el extranjero después de su arresto por la publicación de Dialogue Concerning the Two Chief World Systems) y The Assayer. El interés de Galileo por experimentar y formular descripciones matemáticas del movimiento estableció la experimentación como parte integral de la filosofía natural. Esta tradición, combinada con el énfasis no matemático en la colección de "historias experimentales" de los reformistas filosóficos como William Gilbert y Francis Bacon, atrajo a muchos seguidores en los años previos y posteriores a la muerte de Galileo, incluidos Evangelista Torricelli y los participantes. en la Accademia del Cimento en Italia; Marin Mersenne y Blaise Pascal en Francia; Christiaan Huygens en los Países Bajos; y Robert Hooke y Robert Boyle en Inglaterra.

René Descartes

El filósofo francés René Descartes (1596-1650) estuvo bien conectado e influyó en las redes de filosofía experimental de la época. Sin embargo, Descartes tenía una agenda más ambiciosa, que estaba orientada a reemplazar por completo la tradición filosófica escolástica. Cuestionando la realidad interpretada a través de los sentidos, Descartes buscó restablecer los esquemas explicativos filosóficos al reducir todos los fenómenos percibidos a ser atribuibles al movimiento de un mar invisible de "corpúsculos". (En particular, reservó el pensamiento humano y Dios de su esquema, manteniéndolos separados del universo físico). Al proponer este marco filosófico, Descartes supuso que los diferentes tipos de movimiento, como el de los planetas frente al de los objetos terrestres, no eran fundamentalmente diferentes, sino que eran meras manifestaciones diferentes de una cadena interminable de movimientos corpusculares que obedecen a principios universales. Particularmente influyentes fueron sus explicaciones de los movimientos astronómicos circulares en términos del movimiento de vórtice de los corpúsculos en el espacio (Descartes argumentó, de acuerdo con las creencias, si no los métodos, de los escolásticos, que el vacío no podía existir), y su explicación de gravedad en términos de corpúsculos que empujan objetos hacia abajo.

Descartes, como Galileo, estaba convencido de la importancia de la explicación matemática, y él y sus seguidores fueron figuras clave en el desarrollo de las matemáticas y la geometría en el siglo XVII. Las descripciones matemáticas cartesianas del movimiento sostenían que todas las formulaciones matemáticas tenían que ser justificables en términos de acción física directa, una posición sostenida por Huygens y el filósofo alemán Gottfried Leibniz, quien, siguiendo la tradición cartesiana, desarrolló su propia alternativa filosófica a la escolástica. que esbozó en su obra de 1714, La Monadología. Descartes ha sido apodado el "padre de la filosofía moderna", y gran parte de la filosofía occidental posterior es una respuesta a sus escritos, que se estudian de cerca hasta el día de hoy. En particular, sus Meditaciones sobre la Filosofía Primerasigue siendo un texto estándar en la mayoría de los departamentos universitarios de filosofía. La influencia de Descartes en las matemáticas es igualmente evidente; el sistema de coordenadas cartesianas, que permite que las ecuaciones algebraicas se expresen como formas geométricas en un sistema de coordenadas bidimensional, recibió su nombre. Se le acredita como el padre de la geometría analítica, el puente entre el álgebra y la geometría, importante para el descubrimiento del cálculo y el análisis.

Cristian huygens

El físico, matemático, astrónomo e inventor holandés Christiaan Huygens (1629–1695) fue el principal científico de Europa entre Galileo y Newton. Huygens provenía de una familia de la nobleza que tenía una posición importante en la sociedad holandesa del siglo XVII; una época en la que la República Holandesa floreció económica y culturalmente. Este período, aproximadamente entre 1588 y 1702, de la historia de los Países Bajos también se conoce como la Edad de Oro holandesa, una era durante la Revolución Científica en la que la ciencia holandesa se encontraba entre las más aclamadas de Europa. En este momento, intelectuales y científicos como René Descartes, Baruch Spinoza, Pierre Bayle, Antonie van Leeuwenhoek, John Locke y Hugo Grotius residían en los Países Bajos. Fue en este entorno intelectual en el que creció Christiaan Huygens. el padre de cristian Constantijn Huygens, además de un importante poeta, fue secretario y diplomático de los Príncipes de Orange. Conoció a muchos científicos de su época por sus contactos e intereses intelectuales, entre ellos René Descartes y Marin Mersenne, y fue gracias a estos contactos que Christiaan Huygens tomó conocimiento de su trabajo. Especialmente Descartes, cuya filosofía mecanicista iba a tener una gran influencia en el propio trabajo de Huygens. Más tarde, Descartes quedó impresionado por las habilidades que mostró Christiaan Huygens en geometría, al igual que Mersenne, quien lo bautizó como "el nuevo Arquímedes" (lo que llevó a Constantino a referirse a su hijo como "mi pequeño Arquímedes"). entre ellos René Descartes y Marin Mersenne, y fue gracias a estos contactos que Christiaan Huygens tomó conocimiento de su trabajo. Especialmente Descartes, cuya filosofía mecanicista iba a tener una gran influencia en el propio trabajo de Huygens. Más tarde, Descartes quedó impresionado por las habilidades que mostró Christiaan Huygens en geometría, al igual que Mersenne, quien lo bautizó como "el nuevo Arquímedes" (lo que llevó a Constantino a referirse a su hijo como "mi pequeño Arquímedes"). entre ellos René Descartes y Marin Mersenne, y fue gracias a estos contactos que Christiaan Huygens tomó conocimiento de su trabajo. Especialmente Descartes, cuya filosofía mecanicista iba a tener una gran influencia en el propio trabajo de Huygens. Más tarde, Descartes quedó impresionado por las habilidades que mostró Christiaan Huygens en geometría, al igual que Mersenne, quien lo bautizó como "el nuevo Arquímedes" (lo que llevó a Constantino a referirse a su hijo como "mi pequeño Arquímedes").

Un niño prodigio, Huygens comenzó su correspondencia con Marin Mersenne cuando tenía 17 años. Huygens se interesó por los juegos de azar cuando conoció la obra de Fermat, Blaise Pascal y Girard Desargues. Fue Blaise Pascal quien lo animó a escribir Van Rekeningh en Spelen van Gluck, que Frans van Schooten tradujo y publicó como De Ratiociniis in Ludo Aleae en 1657. El libro es el tratamiento científico más antiguo conocido sobre el tema y, en ese momento, el más coherente. presentación de una aproximación matemática a los juegos de azar. Dos años más tarde, Huygens derivó geométricamente las fórmulas ahora estándar en mecánica clásica para la fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga en su obra De vi Centrifuga.(1659). Casi al mismo tiempo, la investigación de Huygens en relojería resultó en la invención del reloj de péndulo; un gran avance en el cronometraje y el cronometrador más preciso durante casi 300 años. La investigación teórica de la forma en que funciona el péndulo, eventualmente condujo a la publicación de uno de sus logros más importantes: el Horologium Oscillatorium. Este trabajo se publicó en 1673 y se convirtió en uno de los tres trabajos más importantes del siglo XVII sobre mecánica (los otros dos son Discursos y demostraciones matemáticas relacionadas con dos nuevas ciencias (1638) de Galileo y Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) de Newton). El Horologio Oscillatoriumes el primer tratado moderno en el que se idealiza un problema físico (el movimiento acelerado de un cuerpo que cae) mediante un conjunto de parámetros que luego se analizan matemáticamente y constituye una de las obras seminales de las matemáticas aplicadas. Es por esta razón que Huygens ha sido llamado el primer físico teórico y uno de los fundadores de la física matemática moderna. El Horologium Oscillatorium de Huygens tuvo una tremenda influencia en la historia de la física, especialmente en el trabajo de Isaac Newton, quien admiró mucho el trabajo. Por ejemplo, las leyes descritas por Huygens en el Horologium Oscillatorium son estructuralmente las mismas que las dos primeras leyes del movimiento de Newton.

Cinco años después de la publicación de su Horologium Oscillatorium, Huygens describió su teoría ondulatoria de la luz. Aunque propuesto en 1678, no se publicó hasta 1690 en su Traité de la Lumière. Su teoría matemática de la luz fue inicialmente rechazada a favor de la teoría corpuscular de la luz de Newton, hasta que Augustin-Jean Fresnel adoptó el principio de Huygens para dar una explicación completa de la propagación rectilínea y los efectos de difracción de la luz en 1821. Hoy este principio se conoce como el principio de Huygens. –Principio de Fresnel. Como astrónomo, Huygens comenzó a moler lentes con su hermano Constantijn jr. construir telescopios para la investigación astronómica. Fue el primero en identificar los anillos de Saturno como "un anillo delgado y plano, que no se toca en ninguna parte e inclinado hacia la eclíptica", y descubrió la primera de las lunas de Saturno, Titán, usando un telescopio refractor.

Aparte de los muchos descubrimientos importantes que hizo Huygens en física y astronomía, y sus inventos de ingeniosos dispositivos, también fue el primero en aportar rigor matemático a la descripción de los fenómenos físicos. Debido a esto, y al hecho de que desarrolló marcos institucionales para la investigación científica en el continente, se le ha llamado "el actor principal en 'la creación de la ciencia en Europa'".

Isaac newton

A finales del siglo XVII y principios del XVIII se produjeron los logros del físico y matemático de la Universidad de Cambridge, Sir Isaac Newton (1642-1727). Newton, miembro de la Royal Society of England, combinó sus propios descubrimientos en mecánica y astronomía con los anteriores para crear un sistema único para describir el funcionamiento del universo. Newton formuló tres leyes del movimiento que formularon la relación entre el movimiento y los objetos y también la ley de la gravitación universal, la última de las cuales podría usarse para explicar el comportamiento no solo de los cuerpos que caen sobre la tierra sino también de los planetas y otros cuerpos celestes. Para llegar a sus resultados, Newton inventó una forma de una rama completamente nueva de las matemáticas: el cálculo (también inventado de forma independiente por Gottfried Leibniz), que se convertiría en una herramienta esencial en gran parte del desarrollo posterior en la mayoría de las ramas de la física. Los descubrimientos de Newton se establecieron en suPhilosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("Principios matemáticos de la filosofía natural"), cuya publicación en 1687 marcó el comienzo del período moderno de la mecánica y la astronomía.

Newton pudo refutar la tradición mecánica cartesiana de que todos los movimientos deben explicarse con respecto a la fuerza inmediata ejercida por los corpúsculos. Usando sus tres leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal, Newton eliminó la idea de que los objetos seguían caminos determinados por formas naturales y en su lugar demostró que no solo los caminos observados regularmente, sino todos los movimientos futuros de cualquier cuerpo podrían deducirse matemáticamente basándose en el conocimiento de su movimiento existente, su masa y las fuerzas que actúan sobre ellos. Sin embargo, los movimientos celestes observados no se ajustaban precisamente al tratamiento newtoniano, y Newton, quien también estaba profundamente interesado en la teología, imaginó que Dios intervino para asegurar la estabilidad continua del sistema solar.

Los principios de Newton (pero no sus tratamientos matemáticos) resultaron controvertidos con los filósofos continentales, quienes encontraron filosóficamente inaceptable su falta de explicación metafísica para el movimiento y la gravitación. Comenzando alrededor de 1700, se abrió una amarga brecha entre las tradiciones filosóficas continentales y británicas, que fue avivada por disputas acaloradas, continuas y viciosamente personales entre los seguidores de Newton y Leibniz sobre la prioridad sobre las técnicas analíticas del cálculo, que cada uno había desarrollado independientemente. Inicialmente, las tradiciones cartesiana y leibniziana prevalecieron en el continente (lo que llevó al dominio de la notación del cálculo leibniziano en todas partes excepto en Gran Bretaña). El propio Newton permaneció en privado preocupado por la falta de una comprensión filosófica de la gravitación, mientras insistía en sus escritos en que no era necesaria ninguna para inferir su realidad. A medida que avanzaba el siglo XVIII, los filósofos naturales continentales aceptaron cada vez más la voluntad de los newtonianos de renunciar a las explicaciones metafísicas ontológicas para los movimientos descritos matemáticamente.

Newton construyó el primer telescopio reflector en funcionamiento y desarrolló una teoría del color, publicada en Opticks, basado en la observación de que un prisma descompone la luz blanca en los muchos colores que forman el espectro visible. Mientras Newton explicaba que la luz estaba compuesta de partículas diminutas, Christiaan Huygens presentó en 1690 una teoría rival de la luz que explicaba su comportamiento en términos de ondas. Sin embargo, la creencia en la filosofía mecanicista junto con la reputación de Newton significó que la teoría ondulatoria tuvo relativamente poco apoyo hasta el siglo XIX. Newton también formuló una ley empírica del enfriamiento, estudió la velocidad del sonido, investigó las series de potencias, demostró el teorema del binomio generalizado y desarrolló un método para aproximar las raíces de una función. Su trabajo sobre series infinitas se inspiró en los decimales de Simon Stevin.Lo que es más importante, Newton demostró que los movimientos de los objetos en la Tierra y de los cuerpos celestes se rigen por el mismo conjunto de leyes naturales, que no eran ni caprichosas ni malévolas. Al demostrar la consistencia entre las leyes del movimiento planetario de Kepler y su propia teoría de la gravitación, Newton también eliminó las últimas dudas sobre el heliocentrismo. Al reunir todas las ideas expuestas durante la revolución científica, Newton estableció efectivamente las bases para la sociedad moderna en matemáticas y ciencias.

Otros logros

Otras ramas de la física también recibieron atención durante el período de la revolución científica. William Gilbert, médico de la corte de la reina Isabel I, publicó un importante trabajo sobre el magnetismo en 1600, describiendo cómo la tierra misma se comporta como un imán gigante. Robert Boyle (1627-1691) estudió el comportamiento de los gases encerrados en una cámara y formuló la ley de los gases que lleva su nombre; también contribuyó a la fisiología ya la fundación de la química moderna. Otro factor importante en la revolución científica fue el surgimiento de sociedades científicas y academias en varios países. Los primeros de estos fueron en Italia y Alemania y fueron de corta duración. Más influyentes fueron la Real Sociedad de Inglaterra (1660) y la Academia de Ciencias de Francia (1666). La primera era una institución privada en Londres e incluía a científicos como John Wallis, William Brouncker, Thomas Sydenham, John Mayow y Christopher Wren (que contribuyeron no solo a la arquitectura sino también a la astronomía y la anatomía); este último, en París, era una institución gubernamental e incluía como miembro extranjero al holandés Huygens. En el siglo XVIII se establecieron importantes academias reales en Berlín (1700) y en San Petersburgo (1724). Las sociedades y academias proporcionaron las principales oportunidades para la publicación y discusión de resultados científicos durante y después de la revolución científica. En 1690, James Bernoulli demostró que la cicloide es la solución al problema de la tautocronía; y al año siguiente, en 1691, Johann Bernoulli demostró que una cadena suspendida libremente de dos puntos formaría una catenaria, la curva con el centro de gravedad más bajo posible disponible para cualquier cadena colgada entre dos puntos fijos.

Termodinámica temprana

Un precursor del motor fue diseñado por el científico alemán Otto von Guericke quien, en 1650, diseñó y construyó la primera bomba de vacío del mundo y creó el primer vacío del mundo conocido como el experimento de los hemisferios de Magdeburg. Se vio impulsado a hacer un vacío para refutar la suposición de larga data de Aristóteles de que "la naturaleza aborrece el vacío". Poco después, el físico y químico irlandés Boyle se enteró de los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Usando esta bomba, Boyle y Hooke notaron la correlación presión-volumen para un gas: PV = k, donde P es presión, V es volumen y kes una constante: esta relación se conoce como Ley de Boyle. En ese momento, se suponía que el aire era un sistema de partículas inmóviles y no se interpretaba como un sistema de moléculas en movimiento. El concepto de movimiento térmico llegó dos siglos después. Por lo tanto, la publicación de Boyle en 1660 habla de un concepto mecánico: el resorte neumático. Posteriormente, tras la invención del termómetro, se pudo cuantificar la propiedad temperatura. Esta herramienta le dio a Gay-Lussac la oportunidad de derivar su ley, que condujo poco después a la ley de los gases ideales. Pero, ya antes del establecimiento de la ley de los gases ideales, un socio de Boyle llamado Denis Papin construyó en 1679 un digestor de huesos, que es un recipiente cerrado con una tapa bien ajustada que confina el vapor hasta que se genera una alta presión.

Los diseños posteriores implementaron una válvula de liberación de vapor para evitar que la máquina explotara. Al observar cómo la válvula se movía rítmicamente hacia arriba y hacia abajo, Papin concibió la idea de un motor de pistón y cilindro. Sin embargo, no siguió adelante con su diseño. Sin embargo, en 1697, basándose en los diseños de Papin, el ingeniero Thomas Savery construyó el primer motor. Aunque estos primeros motores eran toscos e ineficientes, atrajeron la atención de los principales científicos de la época. Por lo tanto, antes de 1698 y de la invención de Savery Engine, los caballos se usaban para accionar poleas unidas a baldes que extraían agua de las minas de sal inundadas en Inglaterra. En los años siguientes, se construyeron más variaciones de máquinas de vapor, como la Newcomen Engine y, más tarde, la Watt Engine. Con el tiempo, estos primeros motores eventualmente se utilizarían en lugar de los caballos. Por lo tanto, cada motor comenzó a asociarse con una cierta cantidad de "caballos de fuerza" según la cantidad de caballos que había reemplazado. El principal problema de estos primeros motores era que eran lentos y torpes, convirtiendo menos del 2% del combustible de entrada en trabajo útil. En otras palabras, se tenían que quemar grandes cantidades de carbón (o madera) para producir solo una pequeña fracción de la producción de trabajo. De ahí nació la necesidad de una nueva ciencia de la dinámica del motor.

Desarrollos del siglo 18

Durante el siglo XVIII, varios científicos desarrollaron la mecánica fundada por Newton a medida que más matemáticos aprendían cálculo y elaboraban su formulación inicial. La aplicación del análisis matemático a los problemas de movimiento se conocía como mecánica racional o matemática mixta (y más tarde se denominó mecánica clásica).

Mecánica

En 1714, Brook Taylor derivó la frecuencia fundamental de una cuerda vibratoria estirada en términos de su tensión y masa por unidad de longitud al resolver una ecuación diferencial. El matemático suizo Daniel Bernoulli (1700–1782) realizó importantes estudios matemáticos sobre el comportamiento de los gases, anticipándose a la teoría cinética de los gases desarrollada más de un siglo después, y ha sido mencionado como el primer físico matemático. En 1733, Daniel Bernoulli derivó la frecuencia fundamental y los armónicos de una cadena colgante al resolver una ecuación diferencial. En 1734, Bernoulli resolvió la ecuación diferencial de las vibraciones de una barra elástica sujeta por un extremo. El tratamiento de Bernoulli de la dinámica de fluidos y su examen del flujo de fluidos se introdujo en su obra Hydrodynamica de 1738.

La mecánica racional se ocupó principalmente del desarrollo de tratamientos matemáticos elaborados de los movimientos observados, utilizando los principios newtonianos como base, y enfatizó la mejora de la manejabilidad de los cálculos complejos y el desarrollo de medios legítimos de aproximación analítica. Un libro de texto contemporáneo representativo fue publicado por Johann Baptiste Horvath. A finales de siglo, los tratamientos analíticos eran lo suficientemente rigurosos como para verificar la estabilidad del Sistema Solar únicamente sobre la base de las leyes de Newton sin referencia a la intervención divina, incluso cuando los tratamientos deterministas de sistemas tan simples como el problema de los tres cuerpos en la gravitación seguían siendo intratables.En 1705, Edmond Halley predijo la periodicidad del cometa Halley, William Herschel descubrió Urano en 1781 y Henry Cavendish midió la constante gravitacional y determinó la masa de la Tierra en 1798. En 1783, John Michell sugirió que algunos objetos podrían ser tan masivos que ni siquiera la luz podía escapar de ellos.

En 1739, Leonhard Euler resolvió la ecuación diferencial ordinaria de un oscilador armónico forzado y notó el fenómeno de resonancia. En 1742, Colin Maclaurin descubrió sus esferoides autogravitantes que giraban uniformemente. En 1742, Benjamin Robins publicó sus Nuevos principios en artillería, estableciendo la ciencia de la aerodinámica. El trabajo británico, llevado a cabo por matemáticos como Taylor y Maclaurin, se quedó atrás de los desarrollos continentales a medida que avanzaba el siglo. Mientras tanto, el trabajo floreció en las academias científicas del continente, dirigido por matemáticos como Bernoulli, Euler, Lagrange, Laplace y Legendre. En 1743, Jean le Rond d'Alembert publicó su Traite de Dynamique, en el que introdujo el concepto de fuerzas generalizadas para acelerar sistemas y sistemas con restricciones, y aplicó la nueva idea de trabajo virtual para resolver problemas dinámicos, ahora conocido como el principio de D'Alembert, como rival de la segunda ley del movimiento de Newton. En 1747, Pierre Louis Maupertuis aplicó los principios mínimos a la mecánica. En 1759, Euler resolvió la ecuación diferencial parcial para la vibración de un tambor rectangular. En 1764, Euler examinó la ecuación diferencial parcial para la vibración de un tambor circular y encontró una de las soluciones de la función de Bessel. En 1776, John Smeaton publicó un artículo sobre experimentos que relacionaban la potencia, el trabajo, el impulso y la energía cinética, y apoyaban la conservación de la energía. En 1788, Joseph Louis Lagrange presentó Lagrange', en el que toda la mecánica se organizaba en torno al principio del trabajo virtual. En 1789, Antoine Lavoisier establece la ley de conservación de la masa. La mecánica racional desarrollada en el siglo XVIII recibió una exposición brillante tanto en la obra de Lagrange de 1788 como en la Mecánica celestial (1799-1825) de Pierre-Simon Laplace.

Termodinámica

Durante el siglo XVIII, la termodinámica se desarrolló a través de las teorías de los "fluidos imponderables" ingrávidos, como el calor ("calórico"), la electricidad y el flogisto (que fue rápidamente derrocado como concepto luego de la identificación de Lavoisier del gas oxígeno a fines del siglo).. Suponiendo que estos conceptos fueran fluidos reales, su flujo podría rastrearse a través de un aparato mecánico o reacciones químicas. Esta tradición de experimentación condujo al desarrollo de nuevos tipos de aparatos experimentales, como el Tarro de Leyden; y nuevos tipos de instrumentos de medición, como el calorímetro, y versiones mejoradas de los antiguos, como el termómetro. Los experimentos también produjeron nuevos conceptos, como la noción de calor latente del experimentador de la Universidad de Glasgow Joseph Black y el intelectual de Filadelfia Benjamin Franklin. s caracterización del fluido eléctrico como fluido entre lugares de exceso y déficit (un concepto reinterpretado más tarde en términos de cargas positivas y negativas). Franklin también demostró que el rayo es electricidad en 1752.

La teoría aceptada del calor en el siglo XVIII lo veía como una especie de fluido, llamado calórico; aunque más tarde se demostró que esta teoría era errónea, varios científicos que se adhirieron a ella hicieron importantes descubrimientos útiles para desarrollar la teoría moderna, incluidos Joseph Black (1728-1799) y Henry Cavendish (1731-1810). En oposición a esta teoría calórica, que había sido desarrollada principalmente por los químicos, estaba la teoría menos aceptada que databa de la época de Newton de que el calor se debe a los movimientos de las partículas de una sustancia. Esta teoría mecánica ganó apoyo en 1798 a partir de los experimentos de perforación de cañones del Conde Rumford (Benjamin Thompson), quien encontró una relación directa entre el calor y la energía mecánica.

Si bien a principios del siglo XVIII se reconoció que encontrar teorías absolutas de la fuerza electrostática y magnética similares a los principios de movimiento de Newton sería un logro importante, no se logró ninguna. Esta imposibilidad solo desapareció lentamente a medida que la práctica experimental se generalizó y perfeccionó en los primeros años del siglo XIX en lugares como la recién establecida Royal Institution en Londres. Mientras tanto, los métodos analíticos de la mecánica racional comenzaron a aplicarse a los fenómenos experimentales, de manera más influyente con el tratamiento analítico del flujo de calor del matemático francés Joseph Fourier, publicado en 1822. Joseph Priestley propuso una ley eléctrica del inverso del cuadrado en 1767, y Charles-Augustin de Coulomb introdujo la ley del cuadrado inverso de la electrostática en 1798.

A finales de siglo, los miembros de la Academia de Ciencias de Francia habían logrado un claro dominio en el campo. Al mismo tiempo, persistió la tradición experimental establecida por Galileo y sus seguidores. La Royal Society y la Academia Francesa de Ciencias fueron centros importantes para la realización y presentación de informes sobre trabajos experimentales. Los experimentos de mecánica, óptica, magnetismo, electricidad estática, química y fisiología no se distinguían claramente unos de otros durante el siglo XVIII, pero estaban surgiendo diferencias significativas en los esquemas explicativos y, por lo tanto, en el diseño de experimentos. Los experimentadores químicos, por ejemplo, desafiaron los intentos de imponer un esquema de fuerzas newtonianas abstractas en las afiliaciones químicas y, en cambio, se centraron en el aislamiento y la clasificación de las sustancias y reacciones químicas.

Siglo 19

Mecánica

En 1821, William Hamilton comenzó su análisis de la función característica de Hamilton. En 1835, estableció las ecuaciones canónicas de movimiento de Hamilton.

En 1813, Peter Ewart apoyó la idea de la conservación de la energía en su artículo Sobre la medida de la fuerza en movimiento. En 1829, Gaspard Coriolis introdujo los términos de trabajo (fuerza por distancia) y energía cinética con los significados que tienen hoy. En 1841, Julius Robert von Mayer, un científico aficionado, escribió un artículo sobre la conservación de la energía, aunque su falta de formación académica provocó su rechazo. En 1847, Hermann von Helmholtz estableció formalmente la ley de conservación de la energía.

Electromagnetismo

En 1800, Alessandro Volta inventó la batería eléctrica (conocida como pila voltaica) y mejoró así la forma en que también se podían estudiar las corrientes eléctricas. Un año después, Thomas Young demostró la naturaleza ondulatoria de la luz, que recibió un fuerte apoyo experimental del trabajo de Augustin-Jean Fresnel, y el principio de interferencia. En 1820, Hans Christian Ørsted descubrió que un conductor que lleva corriente da lugar a una fuerza magnética que lo rodea, y una semana después de que el descubrimiento de Ørsted llegara a Francia, André-Marie Ampère descubrió que dos corrientes eléctricas paralelas ejercen fuerzas entre sí. En 1821, Michael Faraday construyó un motor eléctrico, mientras que Georg Ohm estableció su ley de resistencia eléctrica en 1826, expresando la relación entre voltaje, corriente y resistencia en un circuito eléctrico.

En 1831, Faraday (e independientemente Joseph Henry) descubrieron el efecto inverso, la producción de un potencial eléctrico o corriente a través del magnetismo, conocido como inducción electromagnética; estos dos descubrimientos son la base del motor eléctrico y del generador eléctrico, respectivamente.

Leyes de la termodinámica

En el siglo XIX, la conexión entre el calor y la energía mecánica fue establecida cuantitativamente por Julius Robert von Mayer y James Prescott Joule, quienes midieron el equivalente mecánico del calor en la década de 1840. En 1849, Joule publicó los resultados de su serie de experimentos (incluido el experimento de la rueda de paletas) que muestran que el calor es una forma de energía, un hecho que fue aceptado en la década de 1850. La relación entre calor y energía fue importante para el desarrollo de las máquinas de vapor, y en 1824 se publicó el trabajo experimental y teórico de Sadi Carnot. Carnot capturó algunas de las ideas de la termodinámica en su discusión sobre la eficiencia de un motor idealizado. Sadi Carnot' El trabajo de s proporcionó una base para la formulación de la primera ley de la termodinámica, una reafirmación de la ley de conservación de la energía, que fue establecida alrededor de 1850 por William Thomson, más tarde conocido como Lord Kelvin, y Rudolf Clausius. Lord Kelvin, quien había extendido el concepto de cero absoluto de los gases a todas las sustancias en 1848, se basó en la teoría de la ingeniería de Lazare Carnot, Sadi Carnot y Émile Clapeyron, así como en la experimentación de James Prescott Joule sobre la intercambiabilidad de la mecánica, formas químicas, térmicas y eléctricas de trabajo—para formular la primera ley.

Kelvin y Clausius también establecieron la segunda ley de la termodinámica, que originalmente se formuló en términos del hecho de que el calor no fluye espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente. Rápidamente siguieron otras formulaciones (por ejemplo, la segunda ley se expuso en la influyente obra de Thomson y Peter Guthrie Tait, Tratado sobre filosofía natural).) y Kelvin en particular entendieron algunas de las implicaciones generales de la ley. La segunda ley era la idea de que los gases consisten en moléculas en movimiento que había sido discutida con cierto detalle por Daniel Bernoulli en 1738, pero había caído en desgracia y fue revivida por Clausius en 1857. En 1850, Hippolyte Fizeau y Léon Foucault midieron la velocidad de la luz en el agua y encuentre que es más lenta que en el aire, en apoyo del modelo ondulatorio de la luz. En 1852, Joule y Thomson demostraron que un gas en rápida expansión se enfría, más tarde denominado efecto Joule-Thomson o efecto Joule-Kelvin. Hermann von Helmholtz plantea la idea de la muerte térmica del universo en 1854, el mismo año en que Clausius estableció la importancia de dQ/T (teorema de Clausius) (aunque todavía no nombró la cantidad).

Mecánica estadística (un enfoque fundamentalmente nuevo de la ciencia)

En 1859, James Clerk Maxwell descubrió la ley de distribución de las velocidades moleculares. Maxwell demostró que los campos eléctricos y magnéticos se propagan hacia el exterior desde su fuente a una velocidad igual a la de la luz y que la luz es uno de los varios tipos de radiación electromagnética, que difiere de los demás únicamente en la frecuencia y la longitud de onda. En 1859, Maxwell elaboró ​​las matemáticas de la distribución de velocidades de las moléculas de un gas. La teoría ondulatoria de la luz fue ampliamente aceptada en la época del trabajo de Maxwell sobre el campo electromagnético y, posteriormente, el estudio de la luz y el de la electricidad y el magnetismo estuvieron estrechamente relacionados. En 1864, James Maxwell publicó sus artículos sobre una teoría dinámica del campo electromagnético y afirmó que la luz es un fenómeno electromagnético en la publicación de 1873 de Maxwell.Tratado de Electricidad y Magnetismo. Este trabajo se basó en el trabajo teórico de teóricos alemanes como Carl Friedrich Gauss y Wilhelm Weber. La encapsulación del calor en el movimiento de partículas y la adición de fuerzas electromagnéticas a la dinámica newtoniana establecieron una base teórica enormemente sólida para las observaciones físicas.

La predicción de que la luz representaba una transmisión de energía en forma de onda a través de un "éter luminífero", y la aparente confirmación de esa predicción con la detección de radiación electromagnética del estudiante de Helmholtz Heinrich Hertz en 1888, fue un gran triunfo para la teoría física y planteó la posibilidad de que incluso pronto podrían desarrollarse teorías más fundamentales basadas en el campo.La confirmación experimental de la teoría de Maxwell fue proporcionada por Hertz, quien generó y detectó ondas eléctricas en 1886 y verificó sus propiedades, al mismo tiempo que presagiaba su aplicación en radio, televisión y otros dispositivos. En 1887, Heinrich Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico. La investigación sobre las ondas electromagnéticas comenzó poco después, y muchos científicos e inventores realizaron experimentos sobre sus propiedades. A mediados y finales de la década de 1890, Guglielmo Marconi desarrolló un sistema de telegrafía inalámbrico basado en ondas de radio (ver invención de la radio).

La teoría atómica de la materia había sido propuesta nuevamente a principios del siglo XIX por el químico John Dalton y se convirtió en una de las hipótesis de la teoría cinético-molecular de los gases desarrollada por Clausius y James Clerk Maxwell para explicar las leyes de la termodinámica.

La teoría cinética, a su vez, condujo a un enfoque revolucionario de la ciencia, la mecánica estadística de Ludwig Boltzmann (1844-1906) y Josiah Willard Gibbs (1839-1903), que estudia las estadísticas de los microestados de un sistema y usa estadísticas para determinar el estado. de un sistema físico. Al interrelacionar la probabilidad estadística de ciertos estados de organización de estas partículas con la energía de esos estados, Clausius reinterpretó la disipación de energía como la tendencia estadística de las configuraciones moleculares a pasar hacia estados cada vez más probables y cada vez más desorganizados (acuñando el término "entropía" para describen la desorganización de un estado). Las interpretaciones estadísticas versus absolutas de la segunda ley de la termodinámica establecieron una disputa que duraría varias décadas (produciendo argumentos como "Maxwell"En 1902, James Jeans encontró la escala de longitud requerida para que las perturbaciones gravitatorias crecieran en un medio estático casi homogéneo.

Otros desarrollos

En 1822, el botánico Robert Brown descubrió el movimiento browniano: los granos de polen en el agua se mueven como resultado de su bombardeo por los átomos o moléculas que se mueven rápidamente en el líquido.

En 1834, Carl Jacobi descubrió sus elipsoides autogravitatorios de rotación uniforme (el elipsoide de Jacobi).

En 1834, John Russell observó una ola de agua solitaria (solitón) que no decaía en el Union Canal cerca de Edimburgo y usó un tanque de agua para estudiar la dependencia de las velocidades de las olas de agua solitarias en la amplitud de la ola y la profundidad del agua. En 1835, Gaspard Coriolis examinó teóricamente la eficiencia mecánica de las ruedas hidráulicas y dedujo el efecto Coriolis. En 1842, Christian Doppler propuso el efecto Doppler.

En 1851, Léon Foucault mostró la rotación de la Tierra con un enorme péndulo (péndulo de Foucault).

Hubo avances importantes en la mecánica continua en la primera mitad del siglo, a saber, la formulación de leyes de elasticidad para sólidos y el descubrimiento de ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos.

Siglo XX: nacimiento de la física moderna

A fines del siglo XIX, la física había evolucionado hasta el punto en que la mecánica clásica podía hacer frente a problemas muy complejos que involucraban situaciones macroscópicas; la termodinámica y la teoría cinética estaban bien establecidas; la óptica geométrica y física podría entenderse en términos de ondas electromagnéticas; y las leyes de conservación de la energía y la cantidad de movimiento (y la masa) fueron ampliamente aceptadas. Estos y otros desarrollos fueron tan profundos que en general se aceptó que se habían descubierto todas las leyes importantes de la física y que, en adelante, la investigación se ocuparía de aclarar problemas menores y, en particular, de mejorar el método y la medición. Sin embargo, hacia 1900 surgieron serias dudas sobre la exhaustividad de las teorías clásicas —el triunfo de las teorías de Maxwell, por ejemplo, fue socavado por insuficiencias que ya habían comenzado a aparecer, y su incapacidad para explicar ciertos fenómenos físicos, como la distribución de energía en la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, mientras que algunas de las formulaciones teóricas llevaron a paradojas cuando se llevaron al límite. Físicos prominentes como Hendrik Lorentz, Emil Cohn, Ernst Wiechert y Wilhelm Wien creían que alguna modificación de las ecuaciones de Maxwell podría proporcionar la base para todas las leyes físicas. Estas deficiencias de la física clásica nunca se resolverían y se requerían nuevas ideas. A principios del siglo XX, una gran revolución sacudió el mundo de la física, lo que condujo a una nueva era, generalmente conocida como física moderna. como la distribución de energía en la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, mientras que algunas de las formulaciones teóricas llevaron a paradojas cuando se llevaron al límite. Físicos prominentes como Hendrik Lorentz, Emil Cohn, Ernst Wiechert y Wilhelm Wien creían que alguna modificación de las ecuaciones de Maxwell podría proporcionar la base para todas las leyes físicas. Estas deficiencias de la física clásica nunca se resolverían y se requerían nuevas ideas. A principios del siglo XX, una gran revolución sacudió el mundo de la física, lo que condujo a una nueva era, generalmente conocida como física moderna. como la distribución de energía en la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, mientras que algunas de las formulaciones teóricas llevaron a paradojas cuando se llevaron al límite. Físicos prominentes como Hendrik Lorentz, Emil Cohn, Ernst Wiechert y Wilhelm Wien creían que alguna modificación de las ecuaciones de Maxwell podría proporcionar la base para todas las leyes físicas. Estas deficiencias de la física clásica nunca se resolverían y se requerían nuevas ideas. A principios del siglo XX, una gran revolución sacudió el mundo de la física, lo que condujo a una nueva era, generalmente conocida como física moderna. Ernst Wiechert y Wilhelm Wien creían que alguna modificación de las ecuaciones de Maxwell podría proporcionar la base para todas las leyes físicas. Estas deficiencias de la física clásica nunca se resolverían y se requerían nuevas ideas. A principios del siglo XX, una gran revolución sacudió el mundo de la física, lo que condujo a una nueva era, generalmente conocida como física moderna. Ernst Wiechert y Wilhelm Wien creían que alguna modificación de las ecuaciones de Maxwell podría proporcionar la base para todas las leyes físicas. Estas deficiencias de la física clásica nunca se resolverían y se requerían nuevas ideas. A principios del siglo XX, una gran revolución sacudió el mundo de la física, lo que condujo a una nueva era, generalmente conocida como física moderna.

Experimentos de radiación

En el siglo XIX, los experimentadores comenzaron a detectar formas inesperadas de radiación: Wilhelm Röntgen causó sensación con su descubrimiento de los rayos X en 1895; en 1896, Henri Becquerel descubrió que ciertos tipos de materia emiten radiación por sí mismos. En 1897, JJ Thomson descubrió el electrón, y los nuevos elementos radiactivos encontrados por Marie y Pierre Curie plantearon interrogantes sobre el átomo supuestamente indestructible y la naturaleza de la materia. Marie y Pierre acuñaron el término "radiactividad" para describir esta propiedad de la materia y aislaron los elementos radiactivos radio y polonio. Ernest Rutherford y Frederick Soddy identificaron dos de las formas de radiación de Becquerel con electrones y el elemento helio. Rutherford identificó y nombró dos tipos de radiactividad y en 1911 interpretó la evidencia experimental que mostraba que el átomo consta de un núcleo denso con carga positiva rodeado de electrones con carga negativa. La teoría clásica, sin embargo, predijo que esta estructura debería ser inestable. La teoría clásica tampoco logró explicar con éxito otros dos resultados experimentales que aparecieron a fines del siglo XIX. Uno de ellos fue la demostración de Albert A. Michelson y Edward W. Morley, conocida como el experimento de Michelson-Morley, que mostró que no parecía haber un marco de referencia preferido, en reposo con respecto al hipotético éter luminífero, para describir fenómenos electromagnéticos. Los estudios de radiación y desintegración radiactiva continuaron siendo un enfoque preeminente para la investigación física y química durante la década de 1930.

La teoría de la relatividad de Albert Einstein

En 1905, un físico alemán de 26 años llamado Albert Einstein (entonces empleado de patentes en Berna, Suiza) mostró cómo las mediciones de tiempo y espacio se ven afectadas por el movimiento entre un observador y lo que se observa. La teoría radical de la relatividad de Einstein revolucionó la ciencia. Aunque Einstein hizo muchas otras contribuciones importantes a la ciencia, la teoría de la relatividad por sí sola representa uno de los mayores logros intelectuales de todos los tiempos. Aunque Einstein no introdujo el concepto de relatividad, su mayor contribución fue el reconocimiento de que la velocidad de la luz en el vacío es constante, es decir, la misma para todos los observadores, y un límite físico absoluto para el movimiento. Esto no afecta la vida cotidiana de una persona, ya que la mayoría de los objetos viajan a velocidades mucho más lentas que la velocidad de la luz. Para objetos que viajan cerca de la velocidad de la luz, sin embargo, la teoría de la relatividad muestra que los relojes asociados con esos objetos funcionarán más lentamente y que los objetos se acortarán según las medidas de un observador en la Tierra. Einstein también derivó la famosa ecuación,E = mc, que expresa la equivalencia de masa y energía.

Relatividad especial

Einstein argumentó que la velocidad de la luz era una constante en todos los marcos de referencia inerciales y que las leyes electromagnéticas deberían seguir siendo válidas independientemente del marco de referencia, afirmaciones que hacían que el éter fuera "superfluo" para la teoría física y que sostenían que las observaciones de tiempo y longitud variaban relativamente. a cómo se movía el observador con respecto al objeto que se estaba midiendo (lo que llegó a llamarse la "teoría especial de la relatividad"). También se siguió que la masa y la energía eran cantidades intercambiables según la ecuación E = mc. En otro artículo publicado el mismo año, Einstein afirmó que la radiación electromagnética se transmitía en cantidades discretas ("quanta"), según una constante que el físico teórico Max Planck había postulado en 1900 para llegar a una teoría precisa sobre la distribución de la radiación del cuerpo negro. —una suposición que explicaba las extrañas propiedades del efecto fotoeléctrico.

La teoría especial de la relatividad es una formulación de la relación entre las observaciones físicas y los conceptos de espacio y tiempo. La teoría surgió de las contradicciones entre el electromagnetismo y la mecánica newtoniana y tuvo un gran impacto en ambas áreas. La cuestión histórica original era si tenía sentido discutir el "éter" portador de ondas electromagnéticas y el movimiento relativo a él y también si se podía detectar dicho movimiento, como se intentó sin éxito en el experimento de Michelson-Morley. Einstein demolió estas preguntas y el concepto de éter en su teoría especial de la relatividad. Sin embargo, su formulación básica no implica una teoría electromagnética detallada. Surge de la pregunta: "¿Qué es el tiempo?" Newton, en los Principia(1686), había dado una respuesta inequívoca: "El tiempo absoluto, verdadero y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye uniformemente sin relación con nada externo, y por otro nombre se llama duración". Esta definición es básica para toda la física clásica.

Einstein tuvo la genialidad de cuestionarlo y descubrió que estaba incompleto. En cambio, cada "observador" necesariamente hace uso de su propia escala de tiempo, y para dos observadores en movimiento relativo, sus escalas de tiempo serán diferentes. Esto induce un efecto relacionado en las mediciones de posición. El espacio y el tiempo se convierten en conceptos entrelazados, dependientes fundamentalmente del observador. Cada observador preside su propio marco de espacio-tiempo o sistema de coordenadas. Al no haber un marco de referencia absoluto, todos los observadores de eventos dados hacen mediciones diferentes pero igualmente válidas (y reconciliables). Lo que permanece absoluto se establece en el postulado de la relatividad de Einstein: "Las leyes básicas de la física son idénticas para dos observadores que tienen una velocidad relativa constante entre sí".

La relatividad especial tuvo un efecto profundo en la física: comenzó como un replanteamiento de la teoría del electromagnetismo, encontró una nueva ley de simetría de la naturaleza, ahora llamada simetría de Poincaré, que reemplazó a la antigua simetría galileana.

La relatividad especial ejerció otro efecto duradero sobre la dinámica. Aunque inicialmente se le atribuyó la "unificación de masa y energía", se hizo evidente que la dinámica relativista establecía una distinción firme entre la masa en reposo, que es una propiedad invariante (independiente del observador) de una partícula o sistema de partículas, y la energía y cantidad de movimiento de un sistema. Los dos últimos se conservan por separado en todas las situaciones pero no son invariantes con respecto a diferentes observadores. El término masa en la física de partículas sufrió un cambio semántico, y desde finales del siglo XX denota casi exclusivamente el resto (o masa invariante).

Relatividad general

En 1916, Einstein pudo generalizar esto aún más, para tratar todos los estados de movimiento, incluida la aceleración no uniforme, que se convirtió en la teoría general de la relatividad. En esta teoría Einstein también especificó un nuevo concepto, la curvatura del espacio-tiempo, que describía el efecto gravitatorio en cada punto del espacio. De hecho, la curvatura del espacio-tiempo reemplazó por completo la ley de gravitación universal de Newton. Según Einstein, la fuerza gravitatoria en el sentido normal es una especie de ilusión provocada por la geometría del espacio. La presencia de una masa provoca una curvatura del espacio-tiempo en la vecindad de la masa, y esta curvatura dicta el camino del espacio-tiempo que deben seguir todos los objetos que se mueven libremente. También se predijo a partir de esta teoría que la luz debería estar sujeta a la gravedad, todo lo cual se verificó experimentalmente. Este aspecto de la relatividad explicó los fenómenos de la luz que se dobla alrededor del sol, los agujeros negros predichos, así como las propiedades de la radiación de fondo de microondas cósmica, un descubrimiento que genera anomalías fundamentales en la hipótesis clásica del estado estacionario. Por su trabajo sobre la relatividad, el efecto fotoeléctrico y la radiación del cuerpo negro, Einstein recibió el Premio Nobel en 1921.

La aceptación gradual de las teorías de la relatividad de Einstein y la naturaleza cuantificada de la transmisión de la luz, y del modelo del átomo de Niels Bohr crearon tantos problemas como los que resolvieron, lo que condujo a un esfuerzo a gran escala para restablecer la física sobre nuevos principios fundamentales. Expandiendo la relatividad a casos de marcos de referencia acelerados (la "teoría general de la relatividad") en la década de 1910, Einstein postuló una equivalencia entre la fuerza de inercia de la aceleración y la fuerza de la gravedad, lo que llevó a la conclusión de que el espacio es curvo y de tamaño finito. y la predicción de fenómenos tales como lentes gravitacionales y la distorsión del tiempo en campos gravitatorios.

Mecánica cuántica

Si bien la relatividad resolvió el conflicto de los fenómenos electromagnéticos demostrado por Michelson y Morley, un segundo problema teórico fue la explicación de la distribución de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro; El experimento mostró que en longitudes de onda más cortas, hacia el extremo ultravioleta del espectro, la energía se acercaba a cero, pero la teoría clásica predijo que debería volverse infinita. Esta flagrante discrepancia, conocida como la catástrofe ultravioleta, fue resuelta por la nueva teoría de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica es la teoría de los átomos y los sistemas subatómicos. Aproximadamente los primeros 30 años del siglo XX representan el momento de la concepción y evolución de la teoría. Las ideas básicas de la teoría cuántica fueron introducidas en 1900 por Max Planck (1858-1947), quien fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1918 por su descubrimiento de la naturaleza cuantificada de la energía. La teoría cuántica (que anteriormente se basaba en la "correspondencia" a gran escala entre el mundo cuantizado del átomo y las continuidades del mundo "clásico") fue aceptada cuando el efecto Compton estableció que la luz lleva impulso y puede dispersar partículas, y cuando Louis de Broglie afirmó que se puede considerar que la materia se comporta como una onda de la misma manera que las ondas electromagnéticas se comportan como partículas (dualidad onda-partícula).

En 1905, Einstein utilizó la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico, y en 1913 el físico danés Niels Bohr utilizó la misma constante para explicar la estabilidad del átomo de Rutherford, así como las frecuencias de la luz emitida por el hidrógeno gaseoso. La teoría cuantizada del átomo dio paso a una mecánica cuántica a gran escala en la década de 1920. Los nuevos principios de una mecánica "cuántica" en lugar de una "clásica", formulados en forma matricial por Werner Heisenberg, Max Born y Pascual Jordan en 1925, se basaron en la relación probabilística entre "estados" discretos y negaron la posibilidad de causalidad.. La mecánica cuántica fue ampliamente desarrollada por Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac y Erwin Schrödinger, quienes establecieron una teoría equivalente basada en ondas en 1926; pero el 1927 de Heisenberg"La nueva mecánica cuántica se convirtió en una herramienta indispensable en la investigación y explicación de los fenómenos a nivel atómico. También en la década de 1920, el trabajo del científico indio Satyendra Nath Bose sobre fotones y mecánica cuántica sentó las bases para las estadísticas de Bose-Einstein, la teoría del condensado de Bose-Einstein.

El teorema de la estadística de espín estableció que cualquier partícula en la mecánica cuántica puede ser un bosón (estadísticamente Bose-Einstein) o un fermión (estadísticamente Fermi-Dirac). Más tarde se descubrió que todos los bosones fundamentales transmiten fuerzas, como el fotón que transmite electromagnetismo.

Los fermiones son partículas "como electrones y nucleones" y son los constituyentes habituales de la materia. Las estadísticas de Fermi-Dirac encontraron más tarde muchos otros usos, desde la astrofísica (ver Materia degenerada) hasta el diseño de semiconductores.

Física contemporánea y de partículas

Teoría cuántica de campos

A medida que los inclinados a la filosofía continuaron debatiendo la naturaleza fundamental del universo, las teorías cuánticas continuaron produciéndose, comenzando con la formulación de Paul Dirac de una teoría cuántica relativista en 1928. Sin embargo, los intentos de cuantificar la teoría electromagnética por completo se vieron obstaculizados durante la década de 1930 por formulaciones teóricas. produciendo energías infinitas. Esta situación no se consideró adecuadamente resuelta hasta después de que terminó la Segunda Guerra Mundial, cuando Julian Schwinger, Richard Feynman y Sin-Itiro Tomonaga postularon de forma independiente la técnica de renormalización, que permitió establecer una electrodinámica cuántica robusta (QED).

Mientras tanto, proliferaron nuevas teorías de partículas fundamentales con el surgimiento de la idea de la cuantización de campos a través de "fuerzas de intercambio" reguladas por un intercambio de partículas "virtuales" de corta duración, a las que se les permitió existir de acuerdo con las leyes que rigen las incertidumbres inherentes. en el mundo cuántico. En particular, Hideki Yukawa propuso que las cargas positivas del núcleo se mantuvieran juntas por cortesía de una fuerza poderosa pero de corto alcance mediada por una partícula con una masa entre la del electrón y la del protón. Esta partícula, el "pión", se identificó en 1947 como parte de lo que se convirtió en una gran cantidad de partículas descubiertas después de la Segunda Guerra Mundial. Inicialmente, tales partículas se encontraron como radiación ionizante dejada por los rayos cósmicos, pero cada vez más se produjeron en aceleradores de partículas más nuevos y más potentes.

Fuera de la física de partículas, los avances significativos de la época fueron:

• la invención del láser (Premio Nobel de Física 1964);
• la investigación teórica y experimental de la superconductividad, especialmente la invención de una teoría cuántica de la superconductividad por parte de Vitaly Ginzburg y Lev Landau (Premio Nobel de Física 1962) y, posteriormente, su explicación a través de los pares de Cooper (Premio Nobel de Física 1972). El par de Cooper fue un ejemplo temprano de cuasipartículas.

Teorías del campo unificado

Einstein consideró que todas las interacciones fundamentales en la naturaleza pueden explicarse en una sola teoría. Las teorías del campo unificado fueron numerosos intentos de "fusionar" varias interacciones. Una de las muchas formulaciones de tales teorías (así como de las teorías de campo en general) es una teoría de calibre, una generalización de la idea de simetría. Eventualmente, el Modelo Estándar (ver más abajo) logró unificar las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Todos los intentos de unificar la gravitación con algo más fracasaron.

Modelo estandar

Cuando Chien-Shiung Wu rompió la paridad en interacciones débiles en su experimento, se crearon una serie de descubrimientos a partir de entonces.La interacción de estas partículas por dispersión y decaimiento proporcionó la clave para nuevas teorías cuánticas fundamentales. Murray Gell-Mann y Yuval Ne'eman ordenaron estas nuevas partículas clasificándolas de acuerdo con ciertas cualidades, comenzando con lo que Gell-Mann denominó el "Camino Óctuple". Si bien su desarrollo posterior, el modelo de quarks, al principio parecía inadecuado para describir fuerzas nucleares fuertes, lo que permitió el surgimiento temporal de teorías en competencia como la S-Matrix, el establecimiento de la cromodinámica cuántica en la década de 1970 finalizó un conjunto de partículas fundamentales y de intercambio, lo que permitió el establecimiento de un "modelo estándar" basado en las matemáticas de la invariancia de calibre, que describió con éxito todas las fuerzas excepto la gravitación,

El modelo estándar, basado en la teoría de Yang-Mills, agrupa la teoría de la interacción electrodébil y la cromodinámica cuántica en una estructura denotada por el grupo calibre SU(3)×SU(2)×U(1). La formulación de la unificación de las interacciones electromagnética y débil en el modelo estándar se debe a Abdus Salam, Steven Weinberg y, posteriormente, a Sheldon Glashow. La teoría electrodébil se confirmó más tarde experimentalmente (mediante la observación de corrientes débiles neutras) y se distinguió con el Premio Nobel de Física de 1979.

Desde la década de 1970, la física de partículas fundamentales ha proporcionado información sobre la cosmología del universo primitivo, en particular la teoría del Big Bang propuesta como consecuencia de la teoría general de la relatividad de Einstein. Sin embargo, a partir de la década de 1990, las observaciones astronómicas también han proporcionado nuevos desafíos, como la necesidad de nuevas explicaciones sobre la estabilidad galáctica ("materia oscura") y la aparente aceleración en la expansión del universo ("energía oscura").

Si bien los aceleradores han confirmado la mayoría de los aspectos del modelo estándar al detectar las interacciones de partículas esperadas en varias energías de colisión, aún no se ha encontrado ninguna teoría que reconcilie la relatividad general con el modelo estándar, aunque muchos teóricos creían que la supersimetría y la teoría de cuerdas eran un camino prometedor.. Sin embargo, el Gran Colisionador de Hadrones, que comenzó a operar en 2008, no ha podido encontrar evidencia alguna que apoye la supersimetría y la teoría de cuerdas.

Cosmología

Se puede decir que la cosmología se convirtió en una cuestión de investigación seria con la publicación de la Teoría general de la relatividad de Einstein en 1915, aunque no entró en la corriente principal científica hasta el período conocido como la "Edad de oro de la relatividad general".

Aproximadamente una década después, en medio de lo que se denominó el "Gran Debate", Hubble y Slipher descubrieron la expansión del universo en la década de 1920 midiendo los desplazamientos al rojo de los espectros Doppler de las nebulosas galácticas. Utilizando la relatividad general de Einstein, Lemaître y Gamow formularon lo que se conocería como la teoría del big bang. Hoyle, Gold, Narlikar y Bondi idearon un rival, llamado teoría del estado estacionario.

La radiación cósmica de fondo fue verificada en la década de 1960 por Penzias y Wilson, y este descubrimiento favoreció el big bang a expensas del escenario de estado estacionario. El trabajo posterior fue realizado por Smoot et al. (1989), entre otros colaboradores, utilizando datos de los satélites Cosmic Background explorer (CoBE) y Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) que refinaron estas observaciones. La década de 1980 (la misma década de las mediciones COBE) también vio la propuesta de la teoría de la inflación por parte de Alan Guth.

Recientemente, los problemas de la materia oscura y la energía oscura se han elevado a la cima de la agenda de la cosmología.

Bosón de Higgs

El 4 de julio de 2012, los físicos que trabajaban en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN anunciaron que habían descubierto una nueva partícula subatómica muy parecida al bosón de Higgs, una clave potencial para comprender por qué las partículas elementales tienen masa y, de hecho, para la existencia de diversidad y vida en el universo. Por ahora, algunos físicos lo llaman una partícula "similar a Higgs". Joe Incandela, de la Universidad de California, Santa Bárbara, dijo: "Es algo que, al final, puede ser una de las mayores observaciones de cualquier fenómeno nuevo en nuestro campo en los últimos 30 o 40 años, que se remonta a los descubrimiento de los quarks, por ejemplo". Michael Turner, cosmólogo de la Universidad de Chicago y presidente de la junta del centro de física, dijo:

"Este es un gran momento para la física de partículas y una encrucijada: ¿será esta la marca de agua más alta o será el primero de muchos descubrimientos que nos apuntan hacia la solución de las preguntas realmente importantes que hemos planteado?"—Michael Turner, Universidad de Chicago 

Peter Higgs fue uno de los seis físicos que trabajaban en tres grupos independientes que, en 1964, inventaron la noción del campo de Higgs ("melaza cósmica"). Los otros eran Tom Kibble del Imperial College de Londres; Carl Hagen de la Universidad de Rochester; Gerald Guralnik de la Universidad Brown; y François Englert y Robert Brout, ambos de la Université libre de Bruxelles.

Aunque nunca se han visto, los campos similares a Higgs juegan un papel importante en las teorías del universo y en la teoría de cuerdas. Bajo ciertas condiciones, de acuerdo con la extraña contabilidad de la física de Einstein, pueden llenarse de energía que ejerce una fuerza antigravitatoria. Tales campos han sido propuestos como la fuente de un enorme estallido de expansión, conocido como inflación, temprano en el universo y, posiblemente, como el secreto de la energía oscura que ahora parece estar acelerando la expansión del universo.

Ciencias fisicas

Con una mayor accesibilidad y elaboración de técnicas analíticas avanzadas en el siglo XIX, la física se definió tanto, si no más, por esas técnicas que por la búsqueda de principios universales de movimiento y energía, y la naturaleza fundamental de la materia. Campos como la acústica, la geofísica, la astrofísica, la aerodinámica, la física del plasma, la física de bajas temperaturas y la física del estado sólido se unieron a la óptica, la dinámica de fluidos, el electromagnetismo y la mecánica como áreas de investigación física. En el siglo XX, la física también se alió estrechamente con campos como la ingeniería eléctrica, aeroespacial y de materiales, y los físicos comenzaron a trabajar en laboratorios gubernamentales e industriales tanto como en entornos académicos. Después de la Segunda Guerra Mundial, la población de físicos aumentó dramáticamente y se centró en los Estados Unidos.