Física moderna: historia, qué estudia, ramas, científicos
¿Qué es la física moderna?
La física moderna se refiere a la Física desarrollada a principios del siglo XX y que está dedicada al estudio de los objetos cuya velocidad es comparable a la de la luz, así como a los cuerpos de dimensiones ínfimas: el átomo y las partículas que lo constituyen.
El siglo XIX fue crucial para la termodinámica y la electricidad, impulsadas por la Revolución Industrial. Pero a medida que la tecnología avanzaba, experimentos cada vez más sofisticados mostraron fenómenos que los científicos no podían explicar del todo con las teorías aceptadas.
Tres fenómenos en particular fueron las claves en el surgimiento de la nueva física: la radiación emitida por los objetos muy calientes, los espectros de líneas originados en las descargas eléctricas en gases y el efecto fotoeléctrico.
Los científicos no tenían explicaciones satisfactorias para estos fenómenos, a menos que se aceptaran los postulados revolucionarios de la mecánica cuántica y la naturaleza dual onda- partícula, tanto de la luz como de la materia. Este fue el nacimiento de la física moderna en los albores del siglo XX.
Aceptadas hoy en día por la comunidad científica, en su momento fueron teorías controvertidas, en muchos sentidos alejadas de la física de Newton, alrededor de la cual giran todas las áreas de la física clásica.
¿Qué estudia la física moderna?
Los dos principales campos que estudia la física moderna son la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica.
La teoría de la relatividad se ocupa de explicar el comportamiento de los móviles con velocidades cercanas a la de la luz. Por su parte, la mecánica cuántica profundiza en la materia y el estudio de sus partículas constituyentes.
La teoría de la relatividad
La teoría de la relatividad, propuesta por Albert Einstein (1879-1955), se ocupa de los procesos que tienen lugar a velocidades cercanas a la de la luz. La velocidad de la luz es una constante de la naturaleza cuyo valor en el vacío es aproximadamente igual a 300.000 km/s. Nada se mueve a una velocidad mayor que esta.
Sin embargo, es equivocado pensar que los postulados de la física clásica o newtoniana no son válidos según el nuevo enfoque dado por la física moderna.
Por el contrario, la teoría de la relatividad es un punto de vista más amplio, que incluye a la física newtoniana cuando las velocidades son mucho menores que la de la luz. Y la mayoría de los objetos cotidianos se mueven así, salvo la luz misma.
La mecánica cuántica
Por su parte, la mecánica cuántica se ocupa de la materia al nivel de las partículas que la componen. A una escala tan pequeña, las partículas muestran un comportamiento dual: son partículas y ondas al mismo tiempo.
Las partículas tienen masa y las ondas energía, por lo tanto, si las partículas subatómicas son ambas cosas a la vez, ocurre que masa m y energía E son equivalentes, tal como lo muestra la ecuación:
E = mc2
Aquí c representa la velocidad de la luz en el vacío.
Además, por ser de naturaleza ondulatoria, las partículas no son objetos puntuales cuya pista puede seguirse como la de una bola de billar. Un hecho sorprendente es que únicamente se puede conocer la probabilidad de que la partícula se encuentre en una determinada posición.
Ramas de la física moderna
La física moderna se extiende en diversas ramas, estrechamente vinculadas, entre las que cabe mencionar:
Relatividad
Postula que las leyes de la física son las mismas sin importar el marco de referencia utilizado, así como el hecho de que la velocidad de la luz es constante en el vacío para cualquier observador, aun si este posee movimiento.
Mecánica cuántica
Se ocupa del comportamiento de la materia a escala atómica y a la de las partículas que lo componen, considerando que la energía está cuantizada, lo cual quiere decir que no se presenta en valores arbitrarios, sino en múltiplos de una cantidad: el cuanto.
Asimismo, contempla que tanto la luz como la materia exhiben una naturaleza dual: ondas y partículas. La luz es una onda electromagnética, y a la vez una partícula, llamada fotón, cuya energía E es directamente proporcional a la frecuencia f:
E = h∙f
Siendo h la constante de Planck, cuyo valor en unidades del Sistema Internacional es: 6,62607015 × 10-34 J∙s
Física atómica
Se enfoca en estudiar las propiedades del átomo, el constituyente esencial de la materia, además de las interacciones que tienen lugar entre ellos y entre los átomos y la luz.
Física nuclear
El átomo tiene una estructura compuesta por un núcleo y los electrones en orbitales a su alrededor. El núcleo posee, no solamente la casi totalidad de la masa del átomo, sino también las propiedades que le confieren su individualidad a cada elemento. La física nuclear se encarga de sus estudiar sus propiedades e interacciones.
Física de partículas
Existe un universo de partículas a nivel subatómico, cuyas características e interacciones estudia la física de partículas.
Las partículas se clasifican en dos grandes grupos: bosones y fermiones, los primeros se encargan de mediar las interacciones fundamentales, como la electromagnética a través del fotón. Al segundo grupo pertenecen las partículas materiales como el electrón.
Cosmología
Estudia el origen y la evolución del universo, regido por la luz y las partículas que componen la materia.
Diferencias entre física moderna y física clásica
La física clásica es más familiar y cercana, en el sentido de que explica satisfactoriamente el mundo macroscópico y el comportamiento de los objetos a bajas velocidades.
Otra diferencia relevante es que hay magnitudes que en la física moderna están cuantizadas, como la energía y el momentum, mientras que en la física clásica toman cualquier valor.
Por último, en la física clásica la masa y la energía son dos magnitudes diferentes, que la física moderna enlaza a través de la velocidad de la luz en la famosa ecuación de Einstein antes mencionada:
E = mc2
Científicos de la Física moderna y sus aportes
Max Planck (1858-1947)
Fue el primero en proponer la existencia del cuanto de energía, como la única forma de explicar satisfactoriamente la radiación del cuerpo negro, por ello es considerado el padre de la teoría cuántica.
Albert Einstein (1879-1955)
Einstein es el creador de la teoría de la relatividad. Su primer trabajo sobre el tema fue publicado en 1905 y el segundo en 1916, pero no fue galardonado con el premio Nobel por ellos, sino por su explicación del efecto fotoeléctrico en el cual propuso que la partícula portadora de la interacción electromagnética es el fotón.
Niels Bohr (1885-1962)
Ideó el primer modelo atómico cuántico, al proponer que un electrón solo puede ocupar aquellos orbitales en los cuales su cantidad de movimiento es múltiplo entero de h/2π. Cuando el electrón cambia de un orbital a otro, su energía varía asimismo en cuantos, equivalentes a la diferencia de energía entre el estado final y el estado inicial.
Werner Heisenberg (1901-1976)
Es conocido sobre todo por el principio de incertidumbre que lleva su nombre, pero también realizó grandes aportes a la formulación matemática de la mecánica cuántica.
Erwin Schrodinger (1887-1961)
Ideó un modelo de átomo basado en la mecánica cuántica, pero su aporte más notable es la ecuación de onda que lleva su nombre, a través de la cual es posible evaluar la probabilidad de que un electrón se encuentre en determinada posición.