Física: Ciencia que estuda as propiedades da materia, a enerxía, o espazo-tempo e as súas interaccións

A física é unha das disciplinas científica máis fundamentais, sendo o seu principal obxectivo comprender como se comporta o universo. Un científico que se especializa no campo da física chámase físico.

A física é talvez a máis antiga de todas as disciplinas académicas xa que a astronomía é unha das súas subdisciplinas. Durante gran parte dos últimos dous milenios, a física, a química, a bioloxía e certas ramas das matemáticas formaron parte da filosofía natural, pero durante a revolución científica no século XVII estas ciencias naturais xurdiron como esforzos de investigación únicos por dereito propio. A física cruzase con moitas áreas da investigación interdisciplinaria, como a biofísica e a química cuántica, e os límites da física non están definidos de forma ríxida. As novas ideas en física explican a miúdo os mecanismos fundamentais estudados por outras ciencias e suxiren novas vías de investigación nestas e noutras disciplinas académicas como as matemáticas e a filosofía.

A formulación das teorías sobre as leis que gobernan o Universo foi un obxectivo central da física desde tempos remotos, coa filosofía do emprego sistemático de experimentos cuantitativos de observación e proba como fonte de verificación. A clave do desenvolvemento histórico da física inclúe fitos como a lei da gravitación universal e a mecánica clásica de Newton, a comprensión da natureza da electricidade e a súa relación co magnetismo de Faraday , a teoría da relatividade especial e teoría da relatividade xeral de Einstein, o desenvolvemento da termodinámica con James Prescott Joule e Sadi Carnot e o modelo da mecánica cuántica aos niveis da física atómica e subatómica con Louis-Victor de Broglie, Heisenberg e Erwin Schrödinger.

Esta disciplina incentiva competencias, métodos e unha cultura científica que permiten comprender o noso mundo físico e vivente, para logo actuar sobre el. Os seus procesos cognitivos convertéronse en protagonistas do saber e facer científico e tecnolóxico xeral, axudando a coñecer, teorizar, experimentar e avaliar actos dentro de diversos sistemas, clarificando causa e efecto en numerosos fenómenos. Desta maneira, a física contribúe á conservación e preservación de recursos, facilitando a toma de conciencia e a participación efectiva e sostida da sociedade na resolución dos seus propios problemas.

A física é significativa e influente, non só porque os avances na comprensión adoitan traducirse en novas tecnoloxías, senón tamén porque as novas ideas en física resoan coas outras ciencias, as matemáticas e as ciencias. filosofía.

A física non é só unha ciencia teórica; tamén é unha ciencia experimental. Como toda a ciencia, busca que as súas conclusións poidan ser verificadas mediante experimentos e que a teoría poida facer predicións de futuros experimentos baseándose en observacións anteriores. Dada a amplitude do campo de estudo da física, así como o seu desenvolvemento histórico en relación con outras ciencias, pódese considerar a ciencia fundamental ou central, xa que inclúe dentro do seu campo de estudo a química, a bioloxía e electrónica, ademais de explicar os seus fenómenos.

A física, no seu intento de describir os fenómenos naturais con precisión e veracidade, alcanzou límites impensables: os coñecementos actuais van dende a descrición de partículas fundamentais microscópicas ata o nacemento das estrelas no universo e mesmo poder coñecer con gran probabilidade o que aconteceu nos primeiros momentos do nacemento do noso universo, por citar algúns campos.

Os avances da física adoitan permitir avances nas novas tecnoloxías. Por exemplo, os avances na comprensión do electromagnetismo, a física do estado sólido e a física nuclear levaron directamente ao desenvolvemento de novos produtos que transformaron drasticamente a sociedade moderna, como televisión, ordenadores, electrodomésticos e armas nucleares; os avances na termodinámica levaron ao desenvolvemento de industrialización; e os avances na mecánica inspiraron o desenvolvemento do cálculo.

A historia da física engloba os esforzos e estudos realizados por persoas que trataron de comprender a razón da natureza e os fenómenos que nela se observan: o paso das estacións, o movemento dos corpos e dos astros, os fenómenos climáticos, as propiedades dos materiais, entre outros. Grazas ao seu amplo alcance e longa historia, a física está clasificada como unha ciencia fundamental. Esta disciplina científica pódese dedicar a describir as partículas máis pequenas ou explicar como nace unha lúa.

 

A maioría das civilizacións antigas tentaron dende o principio explicar o funcionamento do seu medio; miraron as estrelas e pensaron como podían gobernar o seu mundo. Isto levou a moitas interpretacións de carácter máis filosófico que físico; non en balde daquela a física chamábase filosofía natural. No desenvolvemento primitivo da física atópanse moitos filósofos, como Aristóteles, Tales de Mileto ou Demócrito, xa que foron os primeiros en tratar de atopar algún tipo de explicación aos fenómenos que rodeáronos. As primeiras explicacións que apareceron na antigüidade baseábanse en consideracións puramente filosóficas, sen ser verificadas experimentalmente. Algunhas interpretacións erróneas, como a que fixo Claudius Ptolomaeus no seu famoso Almaxesto —«A Terra está no centro do Universo e das estrelas. ”- durou miles de anos. Aínda que as teorías descritivas do universo deixadas por estes pensadores estaban erróneas nas súas conclusións, foron válidas durante moito tempo, case dous mil anos, en parte debido á aceptación da Igrexa católica de varios dos seus preceptos. como a teoría xeocéntrica.

Esta etapa, chamada escurantismo na ciencia de Europa, remata cando o cóengo e científico Nicolao Copérnico, que é considerado o pai da astronomía moderna, recibe en 1543 o primeiro exemplar do seu libro, titulado De Revolutionibus Orbium Coelestium. Aínda que Copérnico foi o primeiro en formular teorías plausibles, é outro personaxe que se considera o pai da física tal e como a coñecemos hoxe. O profesor de matemáticas da Universidade de Pisa, Galileo Galilei, a finais do século XVI cambiaría a historia da ciencia, utilizando experimentos por primeira vez para verificar as súas afirmacións. Mediante o uso do telescopio para observar o ceo e o seu traballo sobre planos inclinados, Galileo utilizou por primeira vez o método científico e chegou a conclusións susceptibles de ser verificadas. Ás súas obras uníronse grandes achegas doutros científicos como Johannes Kepler, Blaise Pascal e Christiaan Huygens.

Máis tarde, no século XVII, un científico inglés reuniu nun só traballo as ideas de Galileo e Kepler, unificando as ideas do movemento celeste e as do movemento da Terra no que el chamou gravidade . En 1687, Isaac Newton formulou, na súa obra titulada Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, os tres principios do movemento e a cuarta lei da gravitación universal, que transformou completamente o mundo físico; todos os fenómenos podían verse de forma mecánica.

 

O traballo de Newton neste campo continúa ata os nosos días, xa que todos os fenómenos macroscópicos poden describirse segundo as súas tres leis. É por iso que durante o resto dese século e no posterior, o século XVIII, todas as investigacións baseáronse nas súas ideas. De aí que desenvolvéronse outras disciplinas como a termodinámica, a óptica, a mecánica de fluídos e a mecánica estatística. As obras coñecidas de Daniel Bernoulli, Robert Boyle e Robert Hooke, entre outros, pertencen a este período.

No século XIX prodúcense avances fundamentais na electricidade e no magnetismo, principalmente da man de Charles-Augustin de Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday e Georg Simon Ohm, culminando co traballo de James Clerk Maxwell en 1855, que logrou a unificación ambos os fenómenos e as respectivas teorí­as vixentes ata entón na teorí­a electromagnética, descrita a través das ecuacións de Maxwell. Ademais, os primeiros descubrimentos sobre a radioactividade e o descubrimento do electrón por parte de Joseph John Thomson en 1897.

Durante o o século XX a Fí­sica desenvólvese plenamente. En 1904, Hantarō Nagaoka propuxera o primeiro modelo do átomo, que foi confirmado en parte por Ernest Rutherford en 1911, aínda que ambos enfoques serían substituídos máis tarde polo modelo atómico de Bohr, de 1913. En 1905 Einstein formulou a Teorí­a da Relatividade especial, a cal coincide coas Leis de Newton cando os fenómenos se desenvolven a velocidades pequenas comparadas coa velocidade da luz. En 1915 Einstein estendeu a Teorí­a da Relatividade especial formulando a Teorí­a da Relatividade xeral, a cal substitúe á Lei da gravitación de Newton e compréndea nos casos de masas pequenas. Planck, Einstein, Bohr e outros desenvolveron a teorí­a cuántica a fin de explicar resultados experimentais anómalos sobre a radiación dos corpos. En 1911 Rutherford deduciu a existencia dun núcleo atómico cargado positivamente a partir de experiencias de dispersión de partí­culas. En 1925 Heisenberg e en 1926 Schrödinger e Dirac formularon a mecánica cuántica, que comprende as teorí­as cuánticas precedentes e fornece as ferramentas teóricas para a física da materia condensada.

Posteriormente formulouse a teoría cuántica de campos para estender a mecánica cuántica de xeito consistente coa teorí­a da relatividade especial, acadando a súa forma moderna a finais da década de 1940 grazas ao traballo de Feynman, Schwinger, Tomonaga e Dyson, quen formularon a teorí­a da electrodinámica cuántica. Así mesmo, esta teorí­a forneceu as bases para o desenvolvemento da Física de partículas. En 1954 Yang e Mills desenvolveron as bases do modelo estándar. Este modelo completouse nos anos 1970 e con el foi posible predicir as propiedades de partí­culas non observadas previamente pero que foron descubertas sucesivamente sendo a última delas o quark top. Na actualidade o modelo estándar describe todas as partí­culas elementais observadas así­ como a natureza da súa interacción.

Astronomía antiga

 

A astronomía é unha das máis antigas ciencias naturais. As primeiras civilizacións que se remontan a antes do 3000 a. C., como a sumeria, o antigo Exipto e a civilización do val do Indo, tiñan coñecementos preditivos e unha comprensión básica dos movementos do Sol, a Lúa, e estrelas. As estrelas e planetas, que se cría que representaban aos deuses, eran moitas veces adorados. Aínda que as explicacións para as posicións observadas das estrelas a miúdo eran pouco científicas e carecían de evidencias, estas primeiras observacións sentaron as bases para a astronomía posterior, xa que se descubriu que as estrelas atravesaban grandes círculos no ceo. que, con todo, non explicaban as posicións do planetas.

Segundo Asger Aaboe, as orixes dá astronomía non mundo occidental atópanse na Mesopotamia, e todos os esforzos occidentais nas ciencias exactas descenden da astronomía do babilónico tardío. Os astrónomos exipcios deixaron monumentos que mostran o coñecemento das constelacións e os movementos dos corpos celestes, mentres o poeta grego Homero escribiu sobre varios obxectos celestes na súa Ilíada e na Odisea; máis tarde, a astronomía grega proporcionou nomes, que aínda se utilizan hoxe en día, para a maioría das constelacións visibles desde o hemisferio norte.

Filosofía natural

A filosofía natural ten a súa orixe en Grecia durante a período arcaico (c.  650 a.C. - c. 480 a.C.), cando os filósofos presocráticos como Tales rexeitaron as explicacións non naturalistas para os fenómenos naturais e proclamaron que todo acontecemento tiña unha causa natural. Propuxeron ideas verificadas pola razón e a observación, e moitas das súas hipóteses tiveron éxito na experimentación; por exemplo, descubriuse que o atomismo era correcto aproximadamente 2000 anos despois de que fose proposto por Leucipo e o seu alumno, Demócrito.

A física estuda a natureza. Entre tanto, outras ciencias tamén o fan: a química, a bioloxía, a xeoloxía, a economía (aínda que sexa a natureza humana) etc. Como definir a área de actuación de cada unha delas? Esta é unha pregunta difícil, sen resposta consensual. Aínda máis cando áreas interdisciplinares aparecen a moreas: físico-química, biofísica, xeofísica, econofísica etc.

Así partindo da definición de enriba, os físicos estarían interesados en determinar a natureza do espazo, do tempo, da materia, da enerxía e das súas interaccións. Mais esta definición excluiría certas áreas máis novas da física que traballan coa bioloxía, por exemplo.

Outros din que a física é a única ciencia fundamental e que as divisións da ciencia son artificiais, aínda que teñan utilidade práctica. O seu argumento é simple: a Física describe a dinámica e configuración das partículas fundamentais do universo. O universo é todo o que existe e está composto destas partículas. Entón todos os fenómenos, eventualmente abordados noutras ciencias, poderíanse explicar en termos da física destas partículas, o que configura o que se chama reducionismo ontolóxico. Sería como dicir que todos os resultados das outras ciencias poden derivarse en bases físicas. Iso xa acontece con explicacións de fenómenos antes demostrados pola química e hoxe explicados pola física (Vexa química cuántica). Entre tanto, aínda non semella que vaia ser posíbel explicar a gran maioría dos fenómenos doutras polas da ciencia, ou mellor dito doutras ciencias, pois isto envolvería campos aínda non explorados e unha matemática hoxe inexistente. Aínda así e con base nesa suposición, algúns chegan a suxerir que ata mesmo o cerebro un día poderá ser descrito por unha ecuación ou un conxunto de ecuacións matemáticas (moito probabelmente envolvendo moitos argumentos de probabilidade).

Doutra banda é maioritaria a postura que defende que as divisións da ciencia, e a propia ciencia, teñen orixe social e histórica, e que as definicións de física fórxanse para tentar reunir a todas as persoas que son aceptadas como físicos pola sociedade. Así desde este punto de vista a física é tamén unha construción social ao cabo, e daquela a súa definición está inzada de connotacións e elementos que van mudando, reflectindo mudanzas sociais.

Outras Teorías Propostas

Teoría do todo -- Teoría da grande unificación -- Teoría de Cordas -- Teoría M

Materia -- Antimateria -- Partículas -- Masa -- Enerxía -- Cantidade de movemento -- Momento -- Tempo -- Forza -- Onda -- Electricidade -- Magnetismo -- Temperatura -- Entropía -- Sistemas de unidades -- Constantes físicas

Interacción gravitatoria -- Interacción electromagnética -- Interacción nuclear débil --Interacción nuclear forte

Como outras ciencias, a Física vese dividida de acordo con diversos criterios. En primeiro lugar hai unha división fundamental entre física teórica, física experimental e física aplicada. (Os dous primeiros ramos reúnense baixo a denominación investigación básica.)

• A física teórica procura definir novas teorías que condensen o coñecemento advindo das experiencias; tamén vai procurar formular as preguntas e os experimentos que permitan expandir o coñecemento.
• A física experimental conduce experimentos capaces de validar ou non teorías científicas, ou mesmo corrixir aspectos defectuosos destas teorías.
• A física aplicada trata do uso das teorías físicas na vida cotiá.

Unha outra división pode ser feita pola magnitude do obxecto en análise. A física cuántica trata do universo do moi pequeno (o microcosmos), dos átomos e das partículas que compoñen os átomos; a física clásica trata dos obxectos que atopamos no noso día a día; e a física relativista trata de situacións que envolven grandes cantidades de materia e enerxía.

Mais a división máis tradicional é aquela feita de acordo coas propiedades máis estudadas nos fenómenos. De aí temos a Mecánica, cando se estudan obxectos a partir do seu movemento ou ausencia de movemento, e tamén as condicións que provocan ese movemento; a Termodinámica, cando se estudan a (calor), o traballo, as propiedades das substancias, os procesos que as envolven e as transformacións dunha forma de enerxía noutra; o Electromagnetismo cando se analizan as propiedades eléctricas, aquelas que existen en función do fluxo de eléctrons nos corpos; a Ondulatoria, que estuda a propagación de enerxía polo espazo; a Óptica, que estuda a propagación da luz e os obxectos a partir das súas impresións visuais; a Acústica, que estuda os obxectos a partir das impresións sonoras; e máis algunhas outras divisións menores.

Sistema Internacional de unidades (SI), Sistema métrico, Sistema MKS, Sistema CGS.

Algunhas unidades típicas

Ángstrom -- metro -- segundo -- quilogramo

Moito sobre a filosofía que envolve a física pode atoparse en Filosofía da ciencia, Metafísica,Ciencia e método científico. Entre tanto, existen filosofías peculiares á Física que serán mencionadas aquí.

Unha delas é o Determinismo Científico que se formulou como un sistema de pensamento consistente coa mecánica clásica Newtoniana. Asumido que todo está formado por partículas e que o seu movemento se determina para todo o tempo cando se determina a posición e a velocidade da partícula no momento actual, pódese dicir que todo o futuro xa está determinado, unha vez fixadas unha configuración e unhas condicións iniciais. O Demo de Laplace nace así, a pesar de ter sido arrañado pola Mecánica Cuántica canto a súa definición e pola Caos canto a súa implementación.

Extensións dese pensamento centrado no Determinismo Científico adecuadamente adaptadas ás dificultades teóricas tiñan consecuencias filosóficas profundas, por exemplo: se se aceptar que o cerebro comanda todas as accións humanas e se o cerebro faise apenas de átomos (gobernados apenas por leis da Física), é preciso preguntar se realmente a persoa ten liberdade para controlar o seu comportamento. Neste senso, ten habido un debate se cabía á Física ou á Metafísica responder a estas cuestións filosóficas.

Outra idea na que se ven envoltos moitos físicos, que a ollan como a vertente filosófica da Física, é a busca dunha teoría xeral, única, consistente, que describa todos os procesos do universo; a procura dunha cosmoloxía na que se insira a explicación de calquera fenómeno. Tal teoría debería contemplar a Mecánica Cuántica e a Teoría da Relatividade como casos especiais, ben como todas as outras teorías existentes. Tamén debería basearse apenas en argumentos matemáticos, ou sexa, sen ningunha constante fundamental. Varias teorías consideráronse xa sobre esta teoría fundamental, por exemplo, a Supersimetría. Entre tanto, esta é unha cuestión aberta, e talvez sempre sexa.

Físicos Universais

• Emilie de Breteuil.
• Margaret Cavendish.
• Claude Cohen-Tannoudji.
• Marie Curie.
• Paul Dirac.
• Albert Einstein.
• Feynman.
• Galileo Galilei.
• Maria Göppert-Mayer.
• Werner Heisenberg.
• Robert Hooke.
• Oskar Klein.
• James Clerk Maxwell.
• Lise Meitner.
• Isaac Newton.
• Oersted.
• Pauli.
• Julián Schwinger.
• Sin-Itiro Tomonaga.
• John Archibald Wheeler.

Físicos galegos

• Alberto Naveira Garabato.

Físicos españois

• Julio Palacios Martínez.
• Blas Cabrera Felipe.
• Miguel Catalán.

Estudar Física

Na ESO e en 1º curso de Bacharelato a física ensínase conxuntamente coa química, na materia denominada Física e Química.

No segundo curso de Bacharelato, porén, hai unha materia dedicada ao estudo exclusivo de problemas e teorías da física con este nome; e que cursan os alumnos da modalidade de ciencias da natureza e da saúde (optativa) e do bacharelato tecnolóxico (obrigatoria). Está enfocada, en gran medida, a fornecer un conxunto de coñecementos que permitan abordar o estudo máis avanzado da Física que despois atopan a maior parte dos alumnos desta modalidade na universidade.

Na universidade a Física pódese estudar como unha carreira, na licenciatura de Física, actualmente impartida polas universidades de Santiago de Compostela e de Vigo (no campus de Ourense); pero tamén se estuda en maior ou menor profundidade, e nunha ou varias materias, nas titulacións experimentais (Bioloxía, Química) e técnicas (Enxeñerías, Arquitecturas, Óptica e Optometría etc.).

A licenciatura en Física é actualmente, e previsiblemente ata o curso 2007-08 ou 2008-09, unha licenciatura de dous ciclos; presenta ademais unha serie de opcións no segundo ciclo, que supoñen un certo grao de especialización nunha área determinada. En Compostela a carreira componse actualmente de cinco cursos académicos; pódense cursar as opcións de Optoelectrónica, Electrónica e Computación, Física de Partículas, Física de Materiais e Física Fundamental. En Ourense a titulación consta tamén de cinco cursos académicos, podendo cursar no segundo ciclo as opción de Física Da Atmosfera e Medio Ambiente, de Física Aplicada e unha opción denominada "Xenérica".

Finalmente a física estúdase tamén nunha gran cantidade de estudos de posgrao, especialmente en programas de doutoramento de departamentos de Física, pero tamén de departamentos de enxeñería.

Referencias

Wiki Commons ten máis contidos multimedia na categoría:  Física

Bibliografía

Outros artigos

• IUPAP.
• Problemas por solucionar na física.

Ligazóns externas

• New Journal of Physics, revista de física de acceso libre (en inglés)
• Physics, revista de física, gratuíta, da APS (en inglés)
• Web divulgativa do Institut of Physics Arquivado 02 de setembro de 2004 en Wayback Machine. (en inglés)