La física que
impera hasta finales del siglo XIX se fundamenta en la relación
causa-efecto (todo efecto es producido por una causa de
existencia previa), en la creencia de que el único límite al
conocimiento de las cosas reside en la sofisticación del aparato
de medida necesario para obtenerlo y en que las leyes de la
física son expresables mediante una ecuación matemática, más o
menos sencilla, cuya solución es única y determinista. Concibe
la transmisión del efecto con velocidad infinita (relación
causa-efecto instantánea). Las herramientas de que dispone son
la concepción galileana del espacio, las leyes de Newton de la
dinámica y el cálculo infinitesimal.
Esta física
explica en términos de ecuaciones sencillas y fenómenos bien
conocidos la mayoría de los efect
s naturales
observables a simple vista, dando una descripción adecuada y muy
útil de ellos.
Tras los
trabajos de A. Einstein, en los que el tiempo pasaba de ser una
variable independiente del espacio a ser una variable más,
acoplada a las variables espaciales, el concepto de
simultaneidad de sucesos dejó de tener sentido como absoluto y
pasa a depender explícitamente de la posición y estado dinámico
del observador, es decir, se relativiza. Esta concepción de
relatividad obligó a revisar conceptos clave como masa y energía.
La física
clásica es deducida de la física relativista cuando la velocidad
de los observadores es mucho menor que la velocidad de la luz,
que se toma como constante universal.
El estudio
experimental de ciertos fenómenos atómicos entró en conflicto
con las teorías clásicas de la dinámica, lo que produjo la
sorprendente revelación de que los fenómenos físicos no ocurren
de manera continua sino en cantidades discretas. Se debió de
abandonar conceptos tales como posición, sustituido por
probabilidad de presencia, y se puso un límite a la precisión
del conocimiento. Asimismo, se concluyó que los fenómenos
físicos sólo se pueden tratar mediante el cálculo estadístico a
escala microscópica, aunque sus efectos pueden ser observables a
escalas mayores (incluso cósmicas).
Para la
física clásica, la materia se toma como un continuo,
infinitamente divisible. Esta visión clásica de la naturaleza se
recupera en los postulados de la física cuántica
cuando el tamaño de la partícula estudiada es mucho mayor que su
longitud de onda asociada, que viene dado por el cociente entre
la constante de Planck y el producto de su masa y su velocidad.
A mediados de
los años 70 surgen de varias disciplinas distintas (meteorología,
informática, matemática) una serie de resultados, tanto teóricos
como experimentales, que indican que la regularidad de las
soluciones de las ecuaciones que describen los sistemas
dinámicos presentan el curioso aspecto de ser impredecibles. Las
importantes consecuencias de este hecho (el abandono de toda
regularidad de las soluciones a las ecuaciones dinámicas) aún no
han podido valorarse adecuadamente, aunque sin duda constituirán
una nueva revolución en la concepción física del mundo.
Suele dividirse
la física en diferentes disciplinas, dependiendo del tipo de
fenómenos que éstas estudien. No obstante, se encuentran muy a
menudo interrelacionadas. Todas ellas contemplan su campo de
acción tanto clásica como cuántica y relativistamente.
Con el
desarrollo y la evolución de las grandes áreas de la Física
clásica aparecen nuevas ramas de la Física más especializadas,
que a menudo comparten sus campos de acción con la Química como:
Física del estado sólido; Física de las altas energías; Física
relativista; Física cuántica; Física Química; Física nuclear;
Electrónica.
Parte de
la Física que estudia las fuerzas y los movimientos que éstas
originan. La Mecánica es la más antigua de las ciencias físicas
y se suele dividir en dos áreas: la Mecánica
estática que estudia el equilibrio
de los cuerpos, y la Mecánica cinética, que trata del movimiento
y de las fuerzas que actúan, tanto en una partícula como en un
sistema de partículas. La Cinética es una ciencia física que
incluye la Cinemática y la
Dinámica. La Dinámica
estudia los movimientos y las fuerzas que los provocan, mientras
que la Cinemática prescinde de éstas.
Dependiendo del
sistema que se esté estudiando se puede hablar de la Mecánica de
Sistemas, que estudia el movimiento de un sistema constituido
por un conjunto de partículas; de la Mecánica del sólido rígido,
que estudia el movimiento de un cuerpo indeformable; y la
mecánica de cuerpos deformables.
Si la
Mecánica de partículas se centra en el estudio de los astros, se
tiene la Mecánica celeste; si lo hace en el estudio de los
átomos y sus componentes se denomina Mecánica Cuántica.
En cuanto a la
mecánica de cuerpos deformables se divide en cuatro partes:
Teoría de la elasticidad, Resistencia de Materiales, Mecánica de
líquidos y Mecánica de Gases.
La aplicación
de fuerzas a un sistema fluido o sólido tiende a colocar este
sistema en cierto estado de equilibrio, de reposo, o imprimirle
determinado movimiento. El principio fundamental de la Mecánica
de Newton (Mecánica Clásica) es la ley de inercia, que establece
que toda partícula material libre de fuerzas persiste en su
estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme. La
mecánica clásica supone la independencia de las medidas
espaciales o temporales respecto del sistema de referencia en el
que se hayan hecho.
Cuando se
aplica el Principio de la Relatividad a la Mecánica, se habla de
la Mecánica Relativista.
El Magnetismo
es la parte de la física que estudia las interacciones entre
imanes y entre cargas eléctricas en movimiento y la Electricidad
es la parte de la Física que estudia todo lo relativo a los
fenómenos eléctricos.
La interacción
magnética es un tipo de interacción que se observa en la
Naturaleza. Ya en la Antigüedad, el hombre observó que ciertos
minerales de hierro, tal como la variedad de magnetita
encontrada en la región Griega de Magnesia, tenían la propiedad
de atraer pequeños trozos de hierro; esta propiedad no era
atribuible a las fuerzas gravitatoria o eléctrica, y se le dio
el nombre de fuerza magnética. Las regiones de un cuerpo
en las que el magnetismo parece concentrado se denominan polos.
Un cuerpo magnetizado se llama imán. A diferencia de los campos
eléctrico y gravitatorio, el campo magnético no tiene fuentes ni
sumideros; además, tampoco es conservativo.
Hasta el
siglo XIX no se descubrió que los campos magnéticos son
producidos por corrientes eléctricas, estableciendo así la
conexión entre electricidad y magnetismo. Surgió entonces el
Electromagnetismo como una
ciencia que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos
unificados en una sola teoría, que parte de cuatro ecuaciones
vectoriales que relacionan los campos eléctricos y magnéticos y
son conocidas como las ecuaciones de Maxwell.
Más tarde, la
introducción de los conceptos cuánticos en las ecuaciones de
maxwell y la descripción de las interacciones entre partículas
cargadas basándose en la emisión y absorción de fotones
virtuales, que son el cuanto de campo electromagnético, condujo
a una reformulación del electromagnetismo, fundamental para
describir los procesos de absorción y emisión de energía a
escala atómica, naciendo la llamada electrodinámica cuántica.
El estudio del
calor como fenómeno físico y como fuente de energía, de la
energía almacenada en los átomos y moléculas y de las leyes que
describen las propiedades térmicas de los gases y los sólidos se
encuentran en esta rama. Se estudian aquí los distintos modelos
que permiten, a partir de ciertos principios básicos, relaciones
entre las distintas propiedades físicas como compresibilidad,
punto de ebullición, etc.
A partir
de los trabajos de Boltzmann, en el que se obtienen las
propiedades térmicas de los gases en función de sus átomos, se
establece la estadística como el método de análisis propio de la
Termodinámica, debido al
alto número de átomos siempre presente en ellos. Una descripción
más detallada de ellos se realiza en la mecánica estadística,
llamada así por partir de las propiedades dinámicas de las
partículas (masa, cantidad de movimiento) para deducir las
ecuaciones termodinámicas de un sistema formado por muchas de
ellas.
Parte de
la física que estudia la luz y los fenómenos relacionados con
ésta. Algunos de éstos son descritos sobre la base de conceptos
de geometría, como la propagación de la luz y la reflexión y
refracción; otros pueden ser explicados solamente mediante el
lenguaje de propagación de las ondas, como los fenómenos de
interferencia, difracción y polarización. Por ello, dentro de la
Óptica cabe distinguir la
óptica geométrica y la óptica física. Dentro de la
óptica geométrica se estudian los fenómenos de refracción y
reflexión así como las aplicaciones de las lentes. La óptica
física, en cambio, pretende describir las propiedades físicas de
las ondas luminosas, dejando de lado la interacción
radiación-materia, que es el objeto de la óptica cuántica,
y apartando el problema de su propagación, que es el objeto de
la óptica geométrica. La óptica física se basa en
las ecuaciones de la electrodinámica clásica y comprende
la interacción entre ondas de luz, lo que da lugar a los
fenómenos de interferencia y difracción, y los problemas de la
percepción subjetiva de los atributos de la luz.
Ciencia
relativa a todo cuanto se refiere a los astros; es la ciencia
del universo físico. El estudio y la evolución de los astros,
que se ha servido de múltiples hipótesis propuestas a lo largo
de la historia, desde Ptolomeo que demostró las posiciones y
movimientos relativos de los cuerpos en el siglo II a.C. hasta
Newton que formuló las leyes de la gravitación universal.
La importancia que los instrumentos ópticos de exploración del
cosmos tiene hace que la interrelación de la Astronomía
con la Óptica sea grande. Asimismo, las preguntas surgidas tanto
del origen del universo como de sus situación actual, debido a
la alta temperatura que el universo tenía en el big-bang,
han obligado a interpretarlo en términos de física de partículas
fundamentales.
Parte de
la Física que explica la naturaleza, producción y transmisión
del sonido, los fenómenos de reflexión, refracción y las leyes
que los rigen. Por tanto, la Acústica
estudia desde el mecanismo de la percepción de los sonidos y
todo lo relativo al órgano auditivo hasta los movimientos
oscilatorios que se propagan en los sólidos, líquidos y gases y
que tienen las mismas velocidades y frecuencias del sonido.
Parte de la
física que se ocupa del estudio de la descripción atómica y de
las propiedades que presentan los sólidos cuando se encuentran
reunidos en una cantidad notable de átomos. La moderna ciencia
de materiales tiene en esta rama su fundamento, y sus
contribuciones a otras ramas como la electrónica, la informática
y la óptica son notables.
Debido a la
naturaleza netamente estadística de los fenómenos térmicos,
éstos son mucho más fácilmente observados a muy baja temperatura,
donde dichos procesos ocurren en muy pocas cantidades. Así, la
física de bajas temperaturas, que implica tanto el estudio del
comportamiento térmico y electromagnético de distintos
materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto como de los
distintos métodos criogénicos experimentales tiene aquí su
espacio. En él se estudian fenómenos como la superconductividad,
la superfluidez y los métodos de enfriamiento magnético. La
mecánica estadística es la principal herramienta de análisis de
esta disciplina.
También tiene
su cabida el estudio de la física de superficies, de los
fenómenos de adsorción de átomos y el diseño y crecimiento de
materiales y dispositivos con propiedades mecánicas y
electrónicas específicas.
Trata del
estudio de los átomos como
elementos aislados y de su unión a otros formando moléculas.
Basado casi únicamente en los postulados cuánticos, proporciona
una descripción de los orbitales atómicos en los que se
encuentran los electrones y estudia las propiedades químicas de
los elementos en función de su ocupación o desocupación, así
como los enlaces que dichos átomos presentan entre sí en función
del solapamiento de dichos orbitales. Su interdependencia con la
química es relevante.
Examinando con
ayuda de la mecánica cuántica los orbitales ocupados por los
electrones, se pueden deducir, con ayuda de las ecuaciones
electrodinámicas (tanto clásica como cuántica) las propiedades
ópticas de los elementos químicos, sus espectros de absorción y
emisión.
Trata del
estudio del núcleo atómico, de los distintos modelos de
estructura nuclear y de los fenómenos de desintegración que en
ellos se producen. Fenómenos como la fisión termonuclear y
fusión tienen cabida en esta disciplina, así como los estudios
de los distintos tipos de radiación y la construcción de todo
tipo de detectores.
El
estudio de los constituyentes últimos de la materia, los quarks
y leptones, junto con el de las cuatro fuerzas fundamentales que
gobiernan su comportamiento y la construcción de teorías
coherentes que expliquen cómo surgen las mismas se realiza en
este área de la física, conocido también como física teórica.
También entran dentro de esta rama el diseño y construcción de
los sofisticados aparatos experimentales que el estudio de las
partículas subatómicas
requiere.
