HISTORIA DE LA FISICA
· FÍSICA
Hacia 1880 la física presentaba un panorama de calma: la mayoría de los
fenómenos podían explicarse mediante la mecánica de Newton, la teoría
electromagnética de Maxwell, la termodinámica y la mecánica estadística de
Boltzmann. Parecía que sólo quedaban por resolver unos pocos problemas, como la
determinación de las propiedades del éter y la explicación de los espectros de
emisión y absorción de sólidos y gases. Sin embargo, estos fenómenos contenían
las semillas de una revolución cuyo estallido se vio acelerado por una serie de
asombrosos descubrimientos realizados en la última década del siglo XIX: en
1895, Wilhelm Conrad Roentgen descubrió los rayos X; ese mismo año, Joseph John
Thomson descubrió el electrón; en 1896, Antoine Henri Becquerel descubrió la radiactividad;
entre 1887 y 1899, Heinrich Hertz, Wilhelm Hallwachs y Philipp Lenard
descubrieron diversos fenómenos relacionados con el efecto fotoeléctrico. Los
datos experimentales de la física, unidos a los inquietantes resultados del
experimento de Michelson-Morley y al descubrimiento de los rayos catódicos,
formados por chorros de electrones, desafiaban a todas las teorías disponibles.
· FÍSICA MODERNA
Dos importantes avances producidos durante el primer tercio del siglo XX
-la teoría cuántica y la teoría de la relatividad- explicaron estos hallazgos,
llevaron a nuevos descubrimientos y cambiaron el modo de comprender la física.
·
FISICA NUCLEAR
En 1931 el físico estadounidense Harold Clayton Urey descubrió el isótopo
del hidrógeno denominado deuterio y lo empleó para obtener agua pesada. El
núcleo de deuterio o deuterón (formado por un protón y un neutrón) constituye
un excelente proyectil para inducir reacciones nucleares. Los físicos franceses
Irène y Frédéric Joliot-Curie produjeron el primer núcleo radiactivo artificial
en 1933-1934, con lo que comenzó la producción de radioisótopos para su empleo
en arqueología, biología, medicina, química y otras ciencias.
Fermi y numerosos colaboradores emprendieron una serie de experimentos
para producir elementos más pesados que el uranio bombardeando éste con
neutrones. Tuvieron éxito, y en la actualidad se han creado artificialmente al
menos una docena de estos elementos transuránicos. A medida que continuaba su
trabajo se produjo un descubrimiento aún más importante. Irène Joliot-Curie,
los físicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann, la física austriaca Lise
Meitner y el físico británico Otto Robert Frisch comprobaron que algunos
núcleos de uranio se dividían en dos partes, fenómeno denominado fisión
nuclear. La fisión liberaba una cantidad enorme de energía debida a la pérdida
de masa, además de algunos neutrones. Estos resultados sugerían la posibilidad
de una reacción en cadena auto mantenida, algo que lograron Fermi y su grupo en
1942, cuando hicieron funcionar el primer reactor nuclear. Los avances
tecnológicos fueron rápidos; la primera bomba atómica se fabricó en 1945 como
resultado de un ingente programa de investigación dirigido por el físico
estadounidense J. Robert Oppenheimer, y el primer reactor nuclear destinado a
la producción de electricidad entró en funcionamiento en Gran Bretaña en 1956,
con una potencia de 78 megavatios.
La investigación de la fuente de energía de las estrellas llevó a nuevos
avances. El físico estadounidense de origen alemán Hans Bethe demostró que las
estrellas obtienen su energía de una serie de reacciones nucleares que tienen
lugar a temperaturas de millones de grados. En estas reacciones, cuatro núcleos
de hidrógeno se convierten en un núcleo de helio, a la vez que liberan dos
positrones y cantidades inmensas de energía. Este proceso de fusión nuclear se
adoptó con algunas modificaciones -en gran medida a partir de ideas
desarrolladas por el físico estadounidense de origen húngaro Edward Taller-
como base de la bomba de fusión, o bomba de hidrógeno. Esta arma, que se detonó
por primera vez en 1952, era mucho más potente que la bomba de fisión o
atómica. En la bomba de hidrógeno, una pequeña bomba de fisión aporta las altas
temperaturas necesarias para desencadenar la fusión, también llamada reacción
termonuclear.
Gran parte de las investigaciones actuales se dedican a la producción de
un dispositivo de fusión controlada, no explosiva, que sería menos radiactivo
que un reactor de fisión y proporcionaría una fuente casi ilimitada de energía.
En diciembre de 1993 se logró un avance significativo en esa dirección cuando
los investigadores de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, usaron el
Reactor Experimental de Fusión Tokamak para producir una reacción de fusión
controlada que proporcionó durante un breve tiempo una potencia de 5,6
megavatios. Sin embargo el reactor consumió más energía de la que produjo.
FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO
En los sólidos, los átomos están densamente empaquetados, lo que lleva a
la existencia de fuerzas de interacción muy intensas y numerosos efectos
relacionados con este tipo de fuerzas que no se observan en los gases, donde
las moléculas actúan en gran medida de forma independiente. Los efectos de
interacción son responsables de las propiedades mecánicas, térmicas,
eléctricas, magnéticas y ópticas de los sólidos, un campo que resulta difícil
de tratar desde el punto de vista teórico, aunque se han realizado muchos
progresos.
Una característica importante de la mayoría de los sólidos es su
estructura cristalina, en la que los átomos están distribuidos en posiciones
regulares que se repiten de forma geométrica. La distribución específica de los
átomos puede deberse a una variada gama de fuerzas. Por ejemplo, algunos
sólidos como el cloruro de sodio o sal común se mantienen unidos por enlaces
iónicos debidos a la atracción eléctrica entre los iones que componen el
material. En otros, como el diamante, los átomos comparten electrones, lo que
da lugar a los llamados enlaces covalentes. Las sustancias inertes, como el
neón, no presentan ninguno de esos enlaces. Su existencia es el resultado de
las llamadas fuerzas de van der Waals, así llamadas en honor al físico holandés
Johannes Diderik van der Waals. Estas fuerzas aparecen entre moléculas o átomos
neutros como resultado de la polarización eléctrica. Los metales, por su parte,
se mantienen unidos por lo que se conoce como gas electrónico, formado por
electrones libres de la capa atómica externa compartidos por todos los átomos
del metal y que definen la mayoría de sus propiedades.
Los niveles de energía definidos y discretos permitidos a los electrones
de átomos individuales se ensanchan hasta convertirse en bandas de energía
cuando los átomos se agrupan densamente en un sólido. La anchura y separación
de esas bandas definen muchas de las propiedades del material. Por ejemplo, las
llamadas bandas prohibidas, en las que no pueden existir electrones, restringen
el movimiento de éstos y hacen que el material sea un buen aislante térmico y
eléctrico. Cuando las bandas de energía se solapan, como ocurre en los metales,
los electrones pueden moverse con facilidad, lo que hace que el material sea un
buen conductor de la electricidad y el calor. Si la banda prohibida es
estrecha, algunos de los electrones más rápidos pueden saltar a la banda de
energía superior: es lo que ocurre en un semiconductor como el silicio. En ese
caso, el espacio entre las bandas de energía puede verse muy afectado por
cantidades minúsculas de impurezas, como arsénico. Cuando la impureza provoca
el descenso de una banda de energía alta, se dice que es un donante de
electrones, y el semiconductor resultante se llama de tipo n. Cuando la
impureza provoca el ascenso de una banda de energía baja, como ocurre con el
galio, se dice que es un aceptor de electrones. Los vacíos o 'huecos' de la
estructura electrónica actúan como si fueran cargas positivas móviles, y se
dice que el semiconductor es de tipo p. Numerosos dispositivos electrónicos
modernos, en particular el transistor, desarrollados por los físicos
estadounidenses John Barden, Walter Houser Brattain y William Bradford
Shockley, están basados en estas propiedades de los semiconductores.
Las propiedades magnéticas de los sólidos se deben a que los electrones
actúan como minúsculos dipolos magnéticos. Casi todas las propiedades de los
sólidos dependen de la temperatura. Por ejemplo, los materiales ferromagnéticos
como el hierro o el níquel pierden su intenso magnetismo residual cuando se los
calienta a una temperatura característica denominada temperatura de Curie. La
resistencia eléctrica suele decrecer al disminuir la temperatura, y en algunos
materiales denominados superconductores desaparece por completo en las
proximidades del cero absoluto. Éste y muchos otros fenómenos observados en los
sólidos dependen de la cubanización de la energía, y la mejor forma de
describirlos es a través de 'partículas' efectivas con nombres como fondón,
polarón o
magnón.
Ciencias formales
Las ciencias formales son conjuntos sistemáticos de
conocimientos racionales y coherentes, que se ocupan del estudio de los
procesos lógicos y matemáticos, (por lo que su objeto de estudio no es el
mundo, ni la realidad físico-natural, sino formas vacías de contenido) pero cuyos
conocimientos pueden ser aplicados a dicha realidad físico-natural. El método
propio de las ciencias formales es el método deductivo.1
Es aquella que trabaja con formas,
es decir, con objetos ideales, que son creados por el hombre, que existen en su
mente y son obtenidos por abstracción. Les interesan las formas y no los
contenidos; no les importa lo que se dice, sino cómo se dice. La verdad de las
ciencias formales es necesaria y formal.
Las ciencias formales son las ramas
de la ciencia que
estudian sistemas formales. Las ciencias formales
validan sus teorías con base en proposiciones, definiciones, axiomas y
reglas de inferencia. Todas ellas son analíticas,
a diferencia de las ciencias
sociales y las ciencias naturales, que las comprueban de
manera empírica, es decir, observando el mundo real.
Ciencias formales
Las ciencias fácticas o ciencias
factuales (física, química, fisiología, biología,
entre otras) están basadas en buscar la coherencia entre los hechos y la
representación mental de los mismos (nos informan cosas de la realidad). Esta
coherencia es necesaria pero no suficiente, porque además exige la observación y la experimentación.
Nadie
confiaría en un medicamento si no parte de la autoridad de la persona que lo
receta y ambos en que el medicamento ha sido sometido a todas las pruebas
necesarias de contrastación empírica.
Por
lo tanto, el objeto de estudio de la ciencia fáctica son los hechos. Su método
la observación, experimentación y su criterio de verificación es aprobar el
examen, la llamada contrastación cuántica. Son las ciencias o disciplinas que
tienen como objeto de estudios los hechos reales, como la historia, la sociología.
Existe otra clasificación de ciencia y son las llamadas ciencias formales, como
las matemáticas y físicas, pues la materia de su conocimiento son objetos y
formas ideales, es decir números, nomenclaturas. La multiplicación más aceptada
es la de ciencias fácticas y formales. El hombre es un ser natural, pero su
mundo ya no es natural. La naturaleza se desenvuelve independientemente de la
voluntad del hombre, en cambio, el mundo del hombre es creado por él. Las
naturales son la biología, física, química, etc. Y las sociales son sociología,
economía, psicología, etc. La verdad de estas ciencias es fáctica porque
depende de hechos y es provisoria porque las nuevas investigaciones pueden
presentar algunos elementos para su refutación.
Las
ciencias fácticas trabajan con objetos reales que ocupan un espacio y un
tiempo. La palabra "fáctica" viene del latín factum que significa
"hecho", o sea que trabaja con hechos. Se subdividen en naturales y
sociales. Las primeras se preocupan por la naturaleza, las segundas por el
ámbito humano. Las ciencias Fácticas investigan hechos de la realidad y se
basan en experiencias sensoriales que con el tiempo pueden llegar a esclarecer
los hechos.
División
de la física:
Física clásica
Se denomina física clásica a la física basada en los principios previos a la
aparición de la mecánica cuántica. Incluye el estudio de la
mecánica, la termodinámica,
el electromagnetismo,
la óptica,
la acústica,
la dinámica de fluidos, entre otras. La física
clásica se considera determinista (aunque
no necesariamente computable o computacionalmente predecible), en el sentido de
que el estado de un sistema cerrado en el futuro depende exclusivamente del
estado del sistema en el momento actual.
Algunas
veces, se reserva la frase nominal "física clásica" para la física pre relativista. Sin embargo, desde el punto
de vista teórico latería introduce
supuestos menos radicales que los que subyacen en la teoría cuántica. Por esa
razón resulta conveniente desde un punto de vista metodológico considerar en
conjunto las teorías físicas no-cuánticas.
Física moderna
La física
moderna comienza a principios del siglo XX,
cuando el alemán Max Planck investiga sobre el “cuanto”
de energía. Planck decía que eran partículas de energía indivisibles, y que
éstas no eran continuas como decía la física clásica. Por ello nace esta
nueva rama de la física, que estudia las manifestaciones que se producen en los
átomos, los comportamientos de las partículas que forman la materia y las
fuerzas que las rigen. Se conoce, generalmente, por estudiar los fenómenos que
se producen a la velocidad de la luz o valores cercanos a ella, o cuyas escalas
espaciales son del orden del tamaño del átomo o
inferiores.
Los temas
anteriormente tratados de la física clásica no servían para resolver los
problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la física moderna en
probabilidades, lo que provocó dificultades para adaptarse a las nuevas ideas.
En 1905, Albert
Einstein publicó una serie de trabajos que revolucionaron la
física, principalmente representados por “La dualidad onda-partícula de la luz”
y “La Teoría de la Relatividad” entre otros. Estos y los avances científicos
como el descubrimiento de la existencia de otras galaxias, la
superconductividad, el estudio del núcleo del átomo, y otros, permitieron
lograr que años más tarde surgieran avances tecnológicos, como la invención del televisor,
los rayos x,
el radar, fibra óptica,
el computador, etc.
La misión
final de la física actual es comprender la relación que existe entre las
fuerzas que rigen la naturaleza, la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza
nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Comprender y lograr una teoría de
unificación, para así poder entender el universo y sus partículas.
Se divide
en:
·
La mecánica cuántica
·
La teoría de la relatividad
Casi todo lo
planteado en el siglo XIX fue puesto en duda y al final
fue remplazado durante el siglo XX, y de esta misma forma puede ocurrir actualmente, a
medida que se produzcan resultados como en las nuevas investigaciones, y se
materialicen los nuevos conocimientos que se irán adquiriendo durante este
nuevo siglo.
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