Unidad II

2.1 Desarrollo de física

La física cuántica es responsable de distintos tipos de descubrimientos tecnológicos en distintas áreas de la ciencia. La aplicación de los conocimientos de las partículas subatómicas cubre todo lo relacionado con la electricidad o electromagnetismo, el poder nuclear, los descubrimientos con la gravedad y la cosmología y muchas leyes y fórmulas relacionadas con los componentes de la materia a nivel subatómico. El descubrimiento de los positrones, por ejemplo, las antipartículas de los electrones, condujo a la invención del aparato conocido como la resonancia magnética que ganó el Premio Nobel de Medicina de este año.

LA FISICA ORIGENES-HISTORICOS La física es la ciencia que estudia las regularidades mas simples y a la vez mas generales de los fenómenos de la naturaleza, las propiedades y la estructura de la materia, así como también las leyes del movimiento. La física y sus leyes constituyen el fundamento del conocimiento sobre la naturaleza y es una ciencia exacta que estudia cuantitativamente los fenómenos. La palabra física proviene del griego Pbysis (naturaleza). La física es una ciencia experimental. Sus leyes se basan en hechos que se establecen por medio de experimentos. Se distinguen dos física: una experimental y otra teórica. La física experimental: Crea experimentos que tienen por objeto observar hechos nuevos o verificar leyes físicas ya establecidas. La física teórica: Tiene por objetivo la formulación de leyes sobre la naturaleza y la explicación de fenómenos concretos y también la predicción de nuevos fenómenos. En el estudio de cualquier fenómeno, el experimento y la teoría son igualmente necesarios y esta interrelacionados.

RAMAS DE FISICA La física se encarga del estudio de los objetos y de las diversas formas del movimiento de la materia, la física se sub-divide en varias disciplinas que de alguna u otra forma están relacionadas entre sí. De acuerdo con el objeto de estudio se sub-divide en: Física de las partículas elementales, física nuclear, física atómica y física molecular. De acuerdo con los procesos a estudiar, y a las formas del movimiento de la materia, en la física se distinguen: Mecánica de la partícula y del cuerpo sólido, mecánica de los medios continuos (incluyendo la acústica) teoría de gravitación, mecánica cuántica del campo termodinámico.

RELACION DE LA FISICA CON OTRAS CIENCIAS La ciencia que está mas estrechamente relacionada con la física es la química puesto que se conoce como química inorgánica no es más que física ya que toda ella se explica utilizando la mecánica cuántica. Existe una rama de la física y química que fue desarrollada conjuntamente por ambas ciencias y que es extremadamente importante, esta es la mecánica estadística. La física ha ayudado al desarrollo de la Astronomía. En cuanto a la Geología y Meteorología sabemos que utilizan instrumentos basados en la física y que la explicación así como la formación de montañas está basada en los principios de la física a que tienen que ver con temperaturas, dinámica de fluidos y ondas. En la medicina moderna todos los diagnósticos son hechos en base a la aplicación de algún principio físico.

2.2 Teorías centrales de física

La física en su búsqueda de describir la verdad última de la naturaleza, tiene varias bifurcaciones, las cuales podría agruparse en cinco teorías principales: la mecánica clásica describe el movimiento macroscópico, el electromagnetismo describe los fenómenos electromagnéticos como la luz, la relatividad formulada por Einstein describe el espacio-tiempo y la interacción gravitatoria, la termodinámica describe los fenómenos moleculares y de intercambio de calor, y finalmente la mecánica cuántica describe el comportamiento del mundo atómico.

2.2. 1 Teoría clásica

Como mecánica clásica se conoce a la descripción del movimiento de cuerpos macroscópicos a velocidades muy pequeñas en comparación la velocidad de la luz. Existen dos tipos de formulaciones de ésta mecánica conocidas como mecánica newtoniana y mecánica analítica.

La mecánica newtoniana, como su nombre lo indica, lleva intrínsecos los preceptos de Newton. A partir de las tres ecuaciones formuladas por Newton y mediante el cálculo diferencial e integral se llega a una muy exacta aproximación de los fenómenos físicos. Ésta formulación también es conocida como mecánica vectorial y es debido a que a varias magnitudes se les debe definir su vector en un sistema de referencia inercial privilegiado.[7]

La mecánica analítica es una formulación matemática abstracta sobre la mecánica, nos permite desligarnos de esos sistemas de referencia privilegiados y tener conceptos más generales al momento de describir un movimiento con el uso del cálculo de variaciones.

Electromagnetismo

El electromagnetismo describe la interacción de partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos. Se puede dividir en electrostática, el estudio de las interacciones entre cargas en reposo, y la electrodinámica, el estudio de las interacciones entre cargas en movimiento y la radiación. La teoría clásica del electromagnetismo se basa en la fuerza de Lorentz y en las ecuaciones de Maxwell.

La electrostática es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados en reposo. Como se describe por la ley de Coulomb, estos cuerpos ejercen fuerzas entre sí. Su comportamiento se puede analizar en términos de la idea de un campo eléctrico que rodea cualquier cuerpo cargado, de manera que otro cuerpo cargado colocado dentro del campo estará sujeto a una fuerza proporcional a la magnitud de su carga y de la magnitud del campo en su ubicación. El que la fuerza sea atractiva o repulsiva depende de la polaridad de la carga. La electrostática tiene muchas aplicaciones, que van desde el análisis de fenómenos como tormentas eléctricas hasta el estudio del comportamiento de los tubos electrónicos.

La electrodinámica es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados en movimiento y a los campos eléctricos y magnéticos variables. Dado que una carga en movimiento produce un campo magnético, la electrodinámica se refiere a efectos tales como el magnetismo, la radiación electromagnética, y la inducción electromagnética, incluyendo las aplicaciones prácticas, tales como el generador eléctrico y el motor eléctrico.

2.2.2 Teoría Relatividad

La relatividad es la teoría formulada principalmente por Albert Einstein a principios del siglo XX, y se divide en dos cuerpos de investigación: la relatividad especial y la relatividad general.

En la teoría de la relatividad especial, Einstein, Lorentz y Minkowski, entre otros, unificaron los conceptos de espacio y tiempo, en un ramado tetradimensional al que se le denominó espacio-tiempo. La relatividad especial fue una teoría revolucionaria para su época, con la que el tiempo absoluto de Newton quedo relegado y conceptos como la invariancia en la velocidad de la luz, la dilatación del tiempo, la contracción de la longitud y la equivalencia entre masa y energía fueron introducidos. Además con las formulaciones de la relatividad especial, las leyes de la física son invariantes en todos los sistemas de referencia inerciales, como consecuencia matemática se encuentra como límite superior de velocidad a la luz y se elimina la causalidad determinista que tenía la física hasta entonces. Hay que indicar que las leyes del movimiento de Newton es un caso particular de esta teoría donde la masa al viajar a velocidades muy pequeñas no experimenta variación alguna en longitud ni se transforma en energía y el tiempo se le puede considerar absoluto.

Por otro lado, la relatividad general estudia la interacción gravitatoria como una deformación en la geometría del espacio-tiempo. En esta teoría se introducen los conceptos de la curvatura del espacio-tiempo como la causa de la interacción gravitatoria, el principio de equivalencia que dice que para todos los observadores locales inerciales las leyes de la relatividad especial son invariantes y la introducción del movimiento de un partícula por líneas geodésicas. La relatividad general no es la única teoría que describe a la atracción gravitatoria pero es la que mas datos relevantes comprobables ha encontrado. Anteriormente a la interacción gravitatoria se la describía matemáticamente por medio de una distribución de masas, pero en esta teoría no solo la masa percibe esta interacción si no también la energía mediante la curvatura del espacio-tiempo y es por eso que se necesita otro lenguaje matemático para poder describirla, el cálculo tensorial. Muchos fenómenos, como la curvatura de la luz por acción de la gravedad y la desviación en la órbita de Mercurio son perfectamente predichas por esta formulación. La relatividad general también abrió otro campo de investigación en la física, conocido como cosmología y es ampliamente utilizada en la astrofísica.[8]

Termodinámica y mecánica estadística

2.2.3 Teoría cuántica

La mecánica cuántica es la rama de la física que trata los sistemas atómicos y subatómicos y sus interacciones con la radiación electromagnética, en términos de cantidades observables. Se basa en la observación de que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas o paquetes llamados cuantos. Sorprendentemente, la teoría cuántica sólo permite normalmente cálculos probabilísticos o estadísticos de las características observadas de las partículas elementales, entendidos en términos de funciones de onda. La ecuación de Schrödinger desempeña el papel en la mecánica cuántica que las leyes de Newton y la conservación de la energía hacen en la mecánica clásica. Es decir, la predicción del comportamiento futuro de un sistema dinámico, y es una ecuación de onda en términos de una función de onda la que predice analíticamente la probabilidad precisa de los eventos o resultados.

En teorías anteriores de la física clásica, la energía era tratada únicamente como un fenómeno continuo, en tanto que la materia se supone que ocupa una región muy concreta del espacio y que se mueve de manera continua. Según la teoría cuántica, la energía se emite y se absorbe en cantidades discretas y minúsculas. Un paquete individual de energía, llamado cuanto, en algunas situaciones se comporta como una partícula de materia. Por otro lado, se encontró que las partículas exponen algunas propiedades ondulatorias cuando están en movimiento y ya no son vistas como localizadas en una región determinada, sino más bien extendidas en cierta medida. La luz u otra radiación emitida o absorbida por un átomo sólo tiene ciertas frecuencias (o longitudes de onda), como puede verse en la línea del espectro asociado al elemento químico representado por tal átomo. La teoría cuántica demuestra que tales frecuencias corresponden a niveles definidos de los cuantos de luz, o fotones, y es el resultado del hecho de que los electrones del átomo sólo pueden tener ciertos valores de energía permitidos. Cuando un electrón pasa de un nivel a permitido a otro, una cantidad de energía es emitida o absorbida cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles.

2.2.4 Teoría unificación

Considero que Galileo y Newton fueron los que dieron comienzo a la Física propiamente dicha. Desde entonces, esta rama de la ciencia ha seguido un proceso de acumulación de conocimientos con el objetivo de unificar todo el conocimiento en una única teoría que lo explique todo. Cada salto cualitativo en la Física ha venido acompañado de su respectivo salto en las Matemáticas.

Hay que observar que este proceso se ha realizado generalizando teorías anteriores, y es que, en efecto, las antiguas teorías, aunque no sirven para explicar fenómenos nuevos, sí funcionan muy bien para aquéllo para lo que fueron realizadas, por lo que su sustitución lógica consiste en obtener una nueva teoría que generalice la anterior, haciendo que la antigua teoría sea un caso particular de la nueva teoría más general. Estos saltos cualitativos se producen cuando previamente se han adquirido muchos conocimientos, observando problemas en la vieja teoría, haciendo que la “fruta” esté madura para caer del árbol.

He intentado mostrar cuáles son los principales hitos históricos en ese proceso de unificación de la Física, o lo que es lo mismo, de la historia de la Física:

2. Electromagnetismo.

James Clerk Maxwell (1831-1879) unificó todo el conocimiento sobre electricidad, magnetismo y óptica realizado en el pasado por Ampere, Coulomb, Faraday, Gauss y otros, con sus cuatro ecuaciones de Maxwell en 1864. Estas ecuaciones describen todos los fenómenos electromagnéticos, unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético.

Una teoría de Gran Unificación (TGU, o GUT por "Grand Unification Theory") es una teoría que unifica tres de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. La fuerza de gravedad no es considerada en las teoría de Gran Unificación, pero sí en una eventual Teoría del Todo (TOE), que consideraría las cuatro interacciones fundamentales.

Como ejemplos exitosos de "unificación", se encuentran la demostración, por parte de Newton, de que la fuerza que mantiene a los planetas girando en torno al sol y la fuerza que nos mantiene pegados a la superficie de la Tierra es la misma. También Maxwell llevó a cabo la unificación de los campos eléctricos y magnéticos, que hasta antes de su gran teoría, eran considerados fenómenos separados y diferentes.

Steven Weinberg y Abdus Salam elaboraron en 1967-1968, una teoría relativista del campo cuántico, que permitía expresar las interacciones electromagnéticas y débiles de una manera

unificadas (la interacción electrodébil), y que predijo hechos que luego fueron comprobados experimentalmente. Posteriormente, Howard Georgi y Sheldom Glashow desarrollaron una nueva teoría, que aportaba nuevas características y corregía algunos errores y omisiones de la anterior teoría. Sin embargo de las ecuaciones se desprendía el decaimiento del protón. Esto llevó a algunos famosos experimentos para detectar este efecto: pero como el tiempo de vida de un protón es muy largo, en el orden de 1031 años, no es posible observar la partícula el tiempo suficiente como para presenciar la descomposición. En reemplazo de esto, quizás el efecto podría ser observado si se examinan suficientes protones. Algunos intentos de medición conocidos se realizaron en piscinas subterráneas (para proteger el experimento de radiaciones) de grandes dimensiones, en las que el decaimiento del protón sería visualizado como un destello en una serie de fotosensores.