Física contemporánea: campo de estudio, ramas y aplicaciones
La física contemporánea es la que se desarrolla durante el período contemporáneo, comprendido entre la Revolución francesa hasta el presente, es decir desde el siglo XVIII hasta la actualidad. De esta forma, la física moderna y las más recientes teorías sobre partículas y cosmología se consideran parte de la física contemporánea.
Las conocidas leyes de la mecánica y la gravitación universal de Isaac Newton, así como las leyes del movimiento planetario formuladas por Johannes Kepler, se consideran parte de la física clásica, ya que datan del siglo XVII y no forman parte de la física contemporánea.
Índice del artículo
- 1 Campo de estudio
- 2 La física moderna hasta la primera mitad del siglo XX
- 3 La física de nuestros tiempos (segunda mitad del siglo XX)
- 4 Ramas de la física contemporánea actual
- 5 Referencias
Formalmente, el estudio de la Física comprende los fenómenos naturales, como el cambio en el estado de movimiento de los cuerpos, las propiedades características de la materia, de sus componentes fundamentales y las interacciones entre los mismos.
Por supuesto, siempre que estos cambios no involucren formación de nuevas sustancias o procesos biológicos. Esta definición es válida tanto para la física clásica como para la contemporánea.
Ahora nos centraremos en los principales descubrimientos y teorías físicas desarrolladas desde la Revolución francesa hasta nuestros días, resumidamente y en orden más o menos cronológico:
-La electricidad fue redescubierta y se creó el modelo electrostático de fuerza, el magnetismo y la teoría electromagnética.
-Aparecieron los conceptos de energía potencial y energía cinética, así como el de campo.
-Se establecieron las leyes de conservación de la energía, la materia y la carga eléctrica.
-La teoría ondulatoria de la luz hizo su aparición y por primera vez se tuvo una medición precisa de la velocidad de la luz. También se estudiaron las interacciones de la luz con los campos eléctrico y magnético.
-Con la Revolución Industrial tuvo lugar el auge de la Termodinámica. Se enunció la segunda ley de la termodinámica y más tarde el concepto de entropía, también la teoría cinética de los gases, la mecánica estadística y la ecuación de Boltzmann.
-Se descubrió la ley de radiación de los cuerpos (ley de Stefan) y la ley de desplazamiento de la longitud de onda emitida por un cuerpo caliente en función de su temperatura (ley de Wien).
-Surgen las ondas electromagnéticas, predichas teóricamente, además de los rayos X, la radiactividad natural y el electrón, todo esto a fines del siglo XIX.
En esta época, las teorías clásicas pasaron por un período en crisis, ya que muchos de los fenómenos descubiertos en el siglo XIX no pudieron ser explicados con estas teorías. Así que fue necesario desarrollar una nueva física, conocida como la física moderna, que comprende fundamentalmente la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad.
La física moderna comenzó en el año 1900 con el descubrimiento de la ley de radiación del cuerpo negro por parte de Max Planck, en la que se introdujo el concepto de los cuantos de energía en la interacción de la radiación con la materia.
Modelos atómicos
En este periodo se desarrollaron los modelos atómicos en los cuales el átomo aparece compuesto de partículas menores que el átomo mismo. Estas son los electrones, los protones y los neutrones.
A principios de siglo XX Ernest Rutherford descubrió el núcleo atómico y elaboró un modelo atómico con un núcleo central positivo y masivo, rodeado de partículas ligeras con carga negativa. Sin embargo. este modelo fue dejado a un lado en poco tiempo, en beneficio de modelos más ajustados a los nuevos descubrimientos.
El fotón
Albert Einstein propuso en 1905 que los cuantos luminosos, llamados fotones, eran la única forma de explicar el efecto fotoeléctrico. Un fotón es el paquete más pequeño de energía lumínica, la cual depende de su frecuencia.
Relatividad y teorías de unificación
La teoría especial de la relatividad, la creación más conocida de Einstein, establece que el tiempo y la masa son cantidades físicas que dependen del sistema de referencia.
De esta manera fue necesario implementar correcciones relativistas a las leyes del movimiento clásicas.
Por otra parte, la teoría general de la relatividad de Albert Einstein establece que la gravedad no es una fuerza, sino una consecuencia de la curvatura espacio-temporal, producida por los cuerpos con masa como el Sol y los planetas. Esto explicaría la precesión del perihelio de Mercurio y predice la curvatura de la luz.
La flexión de la luz por un cuerpo masivo como el Sol se comprobó sin lugar a duda. Este fenómeno es el que produce las lentes gravitacionales.
Así que los científicos comenzaron a pensar en las teorías de unificación, en las que la gravedad y el electromagnetismo son manifestaciones de espacios distorsionados de dimensionalidad mayor a cuatro, como la teoría de Kaluza-Klein.
Surgió entonces la posibilidad teórica de un universo en expansión, gracias a los trabajos de Alexander Friedman basados en la teoría general de la relatividad, hecho que se confirmó más tarde.
Aparecieron los agujeros negros como soluciones de las ecuaciones de Einstein. El físico hindú Chandrasekhar estableció el límite para que el colapso estelar genere un agujero negro.
Un descubrimiento importante fue el del efecto Compton, con el cual se establece que los fotones, a pesar de no tener masa, sí tienen cantidad de movimiento (momentum) proporcional al inverso de su longitud de onda. La constante de proporcionalidad es la constante de Planck.
Mecánica cuántica
Con la llegada de la mecánica cuántica también se establece la dualidad onda-partícula. La teoría predijo la existencia de la antimateria, que en efecto fue descubierta. También apareció el neutrón y con ello un nuevo modelo atómico: el modelo mecano-cuántico.
Una importante contribución es la del espín, una propiedad de las partículas subatómicas capaz, entre otras cosas, de explicar los efectos magnéticos.
La física nuclear
Esta rama de la física contemporánea aparece cuando se descubren los procesos nucleares de fisión y fusión. El primero condujo a la bomba atómica y la energía nuclear, el segundo explica la producción de energía por parte de las estrellas, pero también dio lugar a la bomba H.
En la búsqueda de la fusión nuclear controlada se descubrió que el protón y el neutrón tienen estructura interna: los quarks, constituyentes fundamentales de protones y neutrones.
Desde entonces, los quarks y los electrones son considerados partículas fundamentales, pero igualmente aparecieron nuevas partículas fundamentales: el muón, el pión, el leptón tau y los neutrinos.
La primera mitad del siglo XX culmina con importantes aportes de la física contemporánea:
-La superconductividad y la superfluidez
-El máser y el láser.
-La resonancia magnética de los núcleos atómicos, descubrimiento que da lugar a los sistemas de diagnóstico no-invasivo de la actualidad.
-Grandes desarrollos teóricos como la electrodinámica cuántica y los diagramas de Feynman para explicar las interacciones fundamentales.
Esta teoría explica la superconductividad, la cual establece que los electrones, que son partículas fermiónicas, interactúan con la red cristalina de forma tal que se forman pares electrónicos con comportamiento de bosones.
Da lugar al concepto de entrelazamiento cuántico y sus posibles aplicaciones en la computación cuántica. Además se propone la teletransportación cuántica y la criptografía cuántica, de las que se han realizado ya las primeras implementaciones experimentales.
Al descubrimiento de los quarks siguió la creación del modelo estándar de partículas elementales, con dos integrantes más: los bosones W y Z.
Se observaron anomalías en la velocidad de rotación de las estrellas en torno al centro de las galaxias, así que Vera Rubin propone la existencia de la materia oscura como una posible explicación.
Por cierto que de la materia oscura hay importantes evidencias, debido al hallazgo de lentes gravitacionales sin masa visible que explique la curvatura de la luz.
Otra área de estudio importante es la de la entropía de los agujeros negros y la radiación de Hawking.
También se ha confirmado la expansión acelerada del universo y se cree que la energía oscura es responsable.
El neutrino Tau
El siglo XXI comenzó con la producción a nivel experimental de un plasma de quark-gluón y el hallazgo del neutrino Tau.
El fondo cósmico de microondas
También se realizaron observaciones precisas del fondo cósmico de microondas, que arrojan luz sobre las teorías de formación temprana del universo.
El bosón de Higgs
Un descubrimiento muy comentado es el del bosón de Higgs, la partícula responsable de la masa de las diferentes partículas fundamentales, avalando el modelo estándar de partículas.
Las ondas gravitacionales
Detectadas en el 2015, las ondas gravitacionales fueron predichas en la primera mitad del siglo XX por Albert Einstein. Son el resultado de la colisión entre dos agujeros negros supermasivos.
La primera imagen de un agujero negro
En el año 2019 se obtuvo por primera vez la imagen de un agujero negro, otra de las predicciones de la teoría de la relatividad.
Entre las ramas de la física contemporánea actual se tienen:
1.- Física de partículas
2.- Física de Plasmas
3.- Computación cuántica y fotónica
4.- Astrofísica y cosmología
5.- Geofísica y biofísica.
6.- Física atómica y nuclear
7.- Física de la materia condensada
Los temas de la física que actualmente que se consideran abiertos y que están pleno desarrollo son:
-La física de los sistemas complejos, teorías del caos y fractales.
-Los sistemas dinámicos no-lineales. Desarrollo de nuevas técnicas y modelos que conduzcan a la solución de tales sistemas. Entre sus aplicaciones está una mejor predicción meteorológica.
-Las teorías de unificación como las teorías de cuerdas y la teoría M. Desarrollo de la gravedad cuántica.
-La física de los fluidos y de los plasmas en régimen turbulento, que puede aplicarse en el desarrollo de la fusión nuclear controlada.
-Teorías acerca del origen de la materia oscura y de la energía oscura. Si se comprendiesen estos fenómenos quizá podría desarrollarse la navegación espacial, mediante anti-gravedad y la construcción de motores WARP.
-La superconductividad a alta temperatura, aplicable en la creación de sistemas de transporte más eficientes.
- Feynman, R.P.; Leighton, R.B.; Sands, M. (1963). The Feynman Lectures on Physics. ISBN 978-0-201-02116-5.
- Feynman, R.P. (1965). The Character of Physical Law. ISBN 978-0-262-56003-0.
- Godfrey-Smith, P. (2003). Theory and Reality: An Introduction to the Philosophy of Science.
- Gribbin, J.R.; Gribbin, M.; Gribbin, J. (1998). Q is for Quantum: An Encyclopedia of Particle Physics. Free Press..
- Wikipedia. Physics. Recuperado de: en.wikipedia.com