La nostra comprensió de la natura i en particular la Història de la Física i les lleis que la regeixen, ha canviat radicalment des dels dies dels filòsofs naturals grecs antics, aquí s'explica com i per què van passar aquests canvis, a través d'experiments històrics i teories que, per a la seva època, van ser revolucionàries.
Origen i Evolució de la Física
segons els Antecedents històrics de la física i la filosofia natural, les mateixes s'usaven indistintament per a la ciència l'objectiu de la qual és el descobriment i la formulació de les Forces Fonamentals de la Natura, a mesura que les ciències modernes es van desenvolupar i es van tornar cada cop més especialitzades, la física va arribar a denotar que part de la ciència física no s'incloïa en astronomia, química, geologia i enginyeria.
No obstant això, la física juga un paper important en totes les ciències naturals, i tots aquests camps tenen branques en què les lleis físiques i els mesuraments reben un èmfasi especial, amb noms com a astrofísica, geofísica, biofísica i fins i tot psicofísica, la física pot , a la base, definir com la ciència de la matèria, el moviment i l'energia, les seves lleis generalment s'expressen amb economia i precisió en el llenguatge de les matemàtiques.
L'objectiu final de la física és trobar un conjunt unificat de lleis que regeixin la matèria, el moviment i l'energia a distàncies subatòmiques petites, a l'escala humana de la vida quotidiana ia les distàncies més grans (per exemple, aquelles a L'escala extragalàctica ), aquest ambiciós objectiu s'ha realitzat en gran mesura.
Encara que encara no s'ha aconseguit una teoria completament unificada dels fenòmens físics, un conjunt notablement petit de lleis físiques fonamentals sembla ser capaç de donar compte de tots els fenòmens coneguts.
El cos de física desenvolupat fins aproximadament el canvi del segle 20, conegut com a física clàssica, pot explicar en gran mesura els moviments dels objectes macroscòpics que es mouen lentament pel que fa a la velocitat de la llum i per a fenòmens com la calor, so, electricitat, magnetisme i llum.
Els desenvolupaments moderns de la relativitat i la mecànica quàntica modifiquen aquestes lleis en la mesura que s'apliquen a velocitats més altes, objectes molt massius i als petits components elementals de la matèria, com ara electrons, protons i neutrons.
Física Antiga
Thales va ser el primer físic i les seves teories realment van donar el seu nom a la disciplina, ell creia que el món, encara que estava fet de molts materials, estava realment construït d'un sol element, l'aigua, anomenat Physis en grec antic.
La interacció de l'aigua entre les fases de sòlid, líquid i gas va donar als materials diferents propietats, aquesta va ser la primera explicació per treure els fenòmens naturals del regne de la divina providència i del regne de les lleis i explicacions naturals.
Anaximandro, més famós per la seva teoria protoevolucionària, va disputar les idees de Tales i va proposar que, en lloc d'aigua, una substància anomenada Apeiron era la pedra angular de tota la matèria, amb l'ajuda de la retrospectiva moderna, podem dir que aquesta va ser una altra suposició astuta d'Anaximandro i molt similar a la idea que l'hidrogen és la pedra angular de tota la matèria al nostre univers.
Un dels primers físics antics de renom va ser Leucipo, que es va oposar rotundament a la idea de la intervenció divina directa a l'univers, aquest filòsof, en canvi, va proposar que els fenòmens naturals tenien una causa natural. Leucipo i el seu alumne, Demócrito, van desenvolupar la primera teoria atòmica, argumentant que la matèria no podia dividir-se indefinidament i que eventualment arribarien a peces individuals que no podrien tallar-se.
Primera teoria atòmica
És una antiga especulació filosòfica que totes les coses poden explicar-se per innombrables combinacions de partícules dures, petites i indivisibles de diverses mides però del mateix material bàsic o la teoria científica moderna de la matèria segons la qual els elements químics que es combinen per formar la gran varietat de substàncies consisteixen en agregacions de subunitats similars, que tenen una subestructura nuclear i electrònica característica de cada element.
Euclides i les matemàtiques
La desigualtat de diversos llibres i els variats nivells matemàtics poden fer la impressió que Euclides no era més que un editor de tractats escrits per altres matemàtics, fins a cert punt, això és cert, encara que probablement sigui impossible determinar quines parts són seves i quines van ser adaptacions dels seus predecessors. Els contemporanis d'Euclides van considerar el seu treball final i autoritari, per dir més, havia de ser com a comentaris als Elements.
Física aristotèlica
Curiosament, encara que Aristòtil és estimat com el pare de la ciència i positivament va ajudar al Resum de la Història de la Física amb la seva sistemàtica i pràctica, en realitat va dificultar l'avenç de la física a través de diversos mil·lennis.
Ell va tenir l'error de dir que la teoria matemàtica i el món natural no se superposaven, una contrasenya de la seva excessiva dependència del coneixement. Aristòtil va pretendre manifestar doctrines com el moviment i la gravetat amb la seva teoria dels elements, un afegitó a la física antiga que així mateix es va ampliar a l'alquímia i la medicina.
Aristòtil professava sòlidament que tota la matèria es trobava arreglada per una combinació de cinc elements, terra, aire, foc, aigua i èter intangible, va portar això més lluny en insinuar que el regne de la terra es trobava tancat d'aire, continuat amb els regnes de foc i èter.
Física al món islàmic medieval
La mecànica va ser una de les ciències més desenvolupades que es va perseguir a l'Edat Mitjana, operant dins un marc fonamentalment aristotèlic, els físics medievals van criticar i van intentar millorar molts aspectes de la física d'Aristòtil.
El problema del moviment de projectils va ser crucial per a la mecànica aristotèlica i l'anàlisi d'aquest problema representa una de les contribucions medievals més impressionants a la física, a causa de la suposició que la continuació del moviment requereix l'acció contínua d'una força motriu. moviment continu dun projectil després de perdre el contacte amb el projector va requerir una explicació.
Aristòtil mateix havia proposat explicacions de la continuació del moviment de projectils en termes de l'acció del medi, el caràcter d'aquestes explicacions les va fer insatisfactòries per a la majoria dels comentaristes medievals, que, tanmateix, van conservar la suposició fonamental que el moviment continu requereix una causa contínua.
Durant la dècada del 1300, certs acadèmics d'Oxford van reflexionar sobre el problema filosòfic de com descriure el canvi que passa quan les qualitats augmenten o disminueixen en intensitat i van arribar a considerar els aspectes cinemàtics del moviment.
Ptolemeu i el model geocèntric
També anomenat sistema geocèntric, model matemàtic de l'univers formulat per l'astrònom i matemàtic Alexandrí Ptolomeu i registrat per ell en les seves hipòtesis Almagesto i Planetari, el sistema ptolemaic és una cosmologia geocèntrica, és a dir, comença suposant que la Terra és estacionària i està en el centre de lunivers.
Física Clàssica
La física clàssica va prendre forma quan Newton plantejo la seva teoria de la gravetat i les matemàtiques que comunament coneixem com a càlcul col·laborant amb el Desenvolupament Històric de la Física, la física newtoniana era tridimensional, ample, alt i profunditat, fa tres-cents anys, Isaac Newton va declarar que l'espai i el temps són ingredients eterns i immutables a la composició del cosmos, estructures prístines que es troben més enllà dels límits de la pregunta i l'explicació.
Newton va escriure en principi les matemàtiques:
«L'espai absolut a la seva naturalesa sense relació amb res extern sempre és similar i inamovible, el temps absolut, veritable i matemàtic de si mateix i de la seva pròpia naturalesa flueix equitativament sense relació amb res extern».
Les teories de Newton sobre l'univers, encara que Einstein demostraria que són imprecises, van servir a la ciència durant segles, malgrat les seves deficiències, van permetre les innovacions tecnològiques de la revolució industrial; una teoria és un model coherent que guia els pensaments, un conjunt de percepcions que es poden modificar fins que s'avanci una teoria millor.
Les teories de Newton van incloure la seva teoria de la gravetat per a la qual va desenvolupar el càlcul per descriure'l, el seu concepte de tres dimensions en un univers infinit, la seva teoria de partícules de la llum i la seva creença subjacent incorporada a les seves teories que, de fet, hi havia línies rectes en naturalesa, les preguntes de Newton sobre la física de la llum van donar com a resultat la teoria de partícules de la llum, és a dir, cada raig de llum viatjava en línia recta i tenia una massa increïblement petita.
El Sol com a centre de l'univers
Els antics grecs, per exemple, consideraven que els planetes incloïen el Sol, la Terra estava al centre de tot (geocèntrica), amb aquests planetes girant al seu voltant, això es va fer tan important a la cultura que els dies de la setmana portaven el nom dels déus, representats per aquests set punts de llum en moviment.
Les lleis físiques de Newton
Els vincles entre les forces que procedeixen sobre un cos i el moviment del cos, expressades per primera vegada pel físic i matemàtic anglès Isaac Newton, segons la Biografia d'Isaac Newton les lleis del mateix van sorgir per primera vegada en la seva tasca l'any 1687, cosa que usualment és coneguda com a Principia.
Revolució Científica
Una nova idea de la natura va néixer enmig de la Revolució Científica, substituint l'enfocament grec que havia subjugat la ciència durant molts anys, la ciència es va transformar en un mètode lliure, diferent de la filosofia i la tecnologia, cosa que va arribar a considerar-se que contenia objectius positivistes.
Per al final d'aquest període, potser no és massa dir que la ciència havia reemplaçat el cristianisme com el punt focal de la civilització europea, fora del ferment del Renaixement i La reforma va sorgir allí una nova visió de la ciència, provocant les transformacions següents , la reeducació del sentit comú a favor del raonament abstracte, la substitució duna visió quantitativa per una qualitativa de la naturalesa.
La visió de la natura com una màquina més que com un organisme, el desenvolupament d'un mètode experimental i científic que cercava respostes definitives a certes preguntes limitades formulades en el marc de teories específiques i l'acceptació de nous criteris d'explicació, destacant-ne el «com » en lloc del «per què» que havia caracteritzat la cerca aristotèlica de les causes finals.
Termodinàmica i Òptica
Si la hidrodinàmica o la teoria de l'elasticitat no són d'interès immediat per a l'estudi de la teoria quàntica, aleshores amb l'òptica la situació és completament diferent, ja que el seu progrés està estretament relacionat amb el desenvolupament de la física moderna, semblant als fenòmens que ocorren amb cossos sòlids i líquids, els fenòmens de llum també han atret l'atenció de les persones des dels primers temps, però només al segle XVII.
L'òptica va començar a formar-se en una ciència real. Durant aquest període, Descartes va formular les lleis de refracció i reflexió de la llum i Fermat va proposar el seu principi, que conté tota l'òptica geomètrica, durant tot aquest període del desenvolupament de l'òptica, el concepte de raigs de llum hi va jugar un paper important , la propagació rectilínia dels raigs de llum al buit o en medis homogenis, el seu reflex de les superfícies especulars i la refracció durant la transició d'un medi a un altre.
Electromagnetisme i Estructura Atòmica
La mecànica i els camps relacionats, així com l'acústica i l'òptica, van sorgir fa molt de temps, perquè estudien els fenòmens que una persona troba constantment a la seva vida diària, la ciència de l'electricitat, per altra banda, va aparèixer relativament recentment.
Per descomptat, alguns fets, com l'electrificació dels cossos per fricció o les propietats dels imants naturals, ja es coneixien abans, fenòmens naturals tan majestuosos i estranys com les tempestes elèctriques no poden deixar de cridar l'atenció.
Tanmateix, és poc probable que aquests fets s'hagin estudiat i comparat prou fins a finals del segle XVIII i gairebé ningú no s'imaginava clarament en aquell moment que esdevindria l'objecte d'estudi d'una nova ciència, que constitueix una de les àrees més importants. de la física moderna, això va quedar clar només a finals del segle XVIII i principis del XIX.
És interessant notar que al mateix temps es van descobrir els fenòmens dinterferència i es va construir la teoria de les ones, aquest notable període en la història del desenvolupament de la ciència, quan van sorgir lòptica dones i la teoria moderna de lelectricitat, va ser per la física macroscòpica el que van ser els darrers 50 anys per a la física atòmica.
Física Moderna
La física moderna sovint implica una descripció avançada de la natura a través de noves teories que eren diferents de les descripcions clàssiques i involucra elements de la mecànica quàntica i la relativitat d'Einstein, per exemple, els efectes quàntics típicament involucren distàncies relacionades amb els àtoms , per altra banda, els efectes relativistes generalment involucren velocitats en comparació de la velocitat de la llum.
Energia
Els físics usen el terme energia per denotar la capacitat de canviar d'estat o de produir treball que causa moviment o genera radiació electromagnètica, per exemple, de la llum o la calor, la paraula prové del grec i significa «força en acció».
En el sistema internacional, l'energia s'expressa en juliols, però en termes comuns, s'expressa amb més freqüència en quilowatts-hora (kWh), quant a la tona de petroli equivalent (dit del peu), generalment permet comparar les diferents fonts denergia entre si, cal assenyalar que, dacord amb el primer principi de la termodinàmica, es conserva lenergia dun sistema tancat.
termodinàmica
Es basa en el primer i el segon principi, és a dir, la conservació de l'energia i l'augment de l'entropia, aquestes lleis imposen fortes restriccions a qualsevol model de l'univers, a més, algunes propietats de l'espai i el temps sorgeixen en un sentit termodinàmic .
Per tant, aquestes nocions no s'han de considerar com a estructures bàsiques d'interaccions fonamentals, en aquest sentit, l'espai-temps es termodinàmic, a més, si hom accepta incorporar arguments estadístics, cal preguntar-se si les forces de l'univers són potser termodinàmiques, el nostre univers estaria així governat per forces entròpiques més que per forces absolutes.
electromagnetisme
Es basen en la teoria d'ones de Maxwell i les seves equacions, però es comprenen molt menys que aquestes teories, no es basen en la interpretació inicial de la relació entre els camps E i B, sinó en la de Ludvig Lorenz, amb què Maxwell no hi va estar d'acord.
Maxwell va pensar que aquests dos camps els convenien induir-se cíclicament perquè es conservés la velocitat de la llum, al contrari que Lorenz va pensar que tots dos camps convenien obtenir la seva màxima intensitat sincrònicament alhora per conservar aquesta velocitat, les equacions permetent ambdues paràfrasis.
Mecànica quàntica
El món quàntic d'àtoms i partícules subatòmiques és meravellós, una sola partícula es pot comportar com si estigués a dos llocs alhora i un parell de partícules, als extrems oposats de l'univers, poden comportar-se d'alguna manera com una sola entitat.
Si bé pot semblar impossible embolicar les nostres ments amb tanta raresa quàntica, aquesta seqüència de conferències recorre un llarg camí cap a la desmitificació del món quàntic, brindant-nos idees sòlides sobre els fascinants “engranatges i rodes” de com funcionen els àtoms.
Big Bang
Al primer segon de l'existència de l'univers, la nostra comprensió del que estava passant és sorprenentment bona. Sabem que els conceptes de temps, espai i les lleis de la física es van solidificar molt ràpidament, a partir d´aquí, l´ordre va començar a emergir del caos, els primers a prendre forma van ser les partícules subatòmiques com els quarks.
Després partícules més grans com protons i neutrons, aproximadament tres minuts després, l'univers s'havia refredat a mil milions de ° C. Això va permetre que els protons i els neutrons s'unissin a través de la fusió i formessin nuclis, els nuclis carregats d'àtoms .
Relativitat
Les teories físiques d'extensa transcendència desenvolupades pel físic Alemany Albert Einstein, amb les seves teories de la relativitat especial l'any 1905 i la relativitat general, Einstein deixo de banda molts comentaris de les teories físiques anteriors, treballant en el procés els conceptes primordials despai, temps, matèria, energia i gravetat.
Física nuclear
Aquesta branca de la física s'ocupa de l'estructura del nucli atòmic i la radiació de nuclis inestables.
L'energia de l'àtom
Igual que els àtoms excitats, els nuclis radioactius inestables (produïts naturalment o produïts artificialment) poden emetre radiació electromagnètica, els fotons nuclears energètics s'anomenen raigs gamma. Els nuclis radioactius també emeten altres partícules, electrons negatius i positius (raigs beta), acompanyats de neutrins i nuclis d'heli (raigs alfa).
Forces dins del nucli
En radioactivitat i en col·lisions que condueixen a la ruptura nuclear, la identitat química de l'objectiu nuclear s'altera cada cop que hi ha un canvi en la càrrega nuclear, en les reaccions nuclears de fissió i fusió en què els nuclis inestables es divideixen, respectivament, en nuclis més petits o s'amalgamen en nuclis més grans, l'alliberament d'energia és molt superior a qualsevol reacció química.
Avenços recents de la física
En els darrers anys han existit descobriments que permeten un avenç en la física, com els que es detallen a continuació:
el làser
El làser no hagués estat possible sense saber que la llum és una representació de radiació electromagnètica. Max Planck va rebre el Premi Nobel de física per la seva troballa dels quants d'energia elementals, com a la Teoria Quàntica de Planck estava treballant en termodinàmica, volent manifestar per què la radiació del cos negre, una cosa que xopa totes les longituds d'ona de la llum, no irradiava totes les repeticions de llum per igual quan s'irritava.
El gran col·lisionador d'hadrons
Deu anys més tard de l'inici d'operacions del Gran Col·lisionador d'Hadrons, un dels aparells més complicats mai vist, és el pedal de partícules més immens del món, enterrat a 100 metres sota el camp francès i suís amb un cercle de 17 milles .