Física: una ciencia entretenida  

Si miramos a nuestro alrededor, podremos observar que estamos rodeados de infinitos elementos de los que poco sabemos. Todo lo que forma parte de la naturaleza y del Universo está constituido por algún tipo de materia, la que es capaz de transformarse y adoptar diversos tamaños y formas.

La física es la ciencia que se encarga de los componentes que forman nuestro Universo, de las fuerzas que estos ejercen entre sí y de los efectos que provocan estas fuerzas. Esta ciencia está estrechamente relacionada con el resto de las ciencias naturales.

Los comienzos

Durante la antigüedad, los chinos, babilonios, mayas y egipcios se dedicaron a observar los movimientos planetarios; sin embargo, no fueron capaces de concluir por qué se producían. Más tarde, los filósofos griegos sacaron a la luz dos ideas sobre los elementos que componen el Universo, que se convertirían en algo trascendental. Una fue el atomismo (postulado por el pensador griego Leucipo en el siglo IV a.C.) y otra, opuesta a la anterior, la teoría de los elementos, formulada un siglo antes.

La teoría del atomismo clásico postula que el “todo” se compone exclusivamente de partículas indivisibles llamadas átomos, los que poseen únicamente las propiedades de tamaño, forma, impenetrabilidad y movimiento. Y lo más importante: no pueden atravesarse ni dividirse.

La teoría de los elementos, formulada por Empédocles en el siglo V a.C., postulaba cuatro elementos o raíces del ser como principio de la materia: fuego, aire, agua y tierra.

En el siglo III a.de C., en Alejandría, el centro científico de la civilización occidental en esa época, el matemático, físico e inventor griego Arquímedes enunció el llamado principio de Arquímedes (este dice que un cuerpo sólido sumergido en un líquido es impulsado hacia arriba con una fuerza equivalente al peso del líquido que desplaza) y diseñó diversos aparatos.

Tycho Brahe

Galileo Galilei

Durante la Edad Media no se observaron grandes adelantos científicos en el campo de la física; sin embargo, después del Renacimiento, a fines del siglo XVI y comienzos del XVII, cuatro astrónomos fueron los responsables de interpretar el movimiento de los cuerpos celestes, convirtiéndose en los más famosos físicos de la historia:

• Nicolás Copérnico: propuso el sistema heliocéntrico, en que todos los planetas, incluida la Tierra, giraban alrededor del Sol. Antes de él imperaba el sistema geocéntrico (que postulaba que todos los cuerpos celestes, incluido el Sol, giraban en torno a la Tierra.

• Tycho Brahe: concluyó que eran cinco los planetas que giraban en torno al Sol (Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno) y que, a su vez, este nuevo sistema solar giraba alrededor de la Tierra.

• Galileo Galilei: astrónomo, físico y matemático italiano. Sus investigaciones sobre las leyes de la naturaleza constituyen los fundamentos de la ciencia experimental moderna. Entre otras cosas, demostró que los objetos se demoran el mismo tiempo en caer, independientemente de su masa, y que su velocidad aumenta uniformemente con el tiempo de caída.

• Isaac Newton: fue uno de los grandes físicos de la historia. Sus tres leyes del movimiento fueron un aporte trascendental y la base de la física dinámica.

La física es la ciencia que se ocupa de los componentes fundamentales del Universo, de las fuerzas que éstos ejercen entre sí y de los efectos de dichas fuerzas.

La física estudia sistemáticamente los fenómenos naturales, tratando de encontrar las leyes básicas que los rigen. Utiliza las matemáticas como su lenguaje y combina estudios teóricos con experimentales para obtener las leyes correctas.

La física busca las leyes fundamentales de la naturaleza. Las ramas de la física estudian el movimiento de los cuerpos, el comportamiento de la luz y de la radiación, el sonido, la electricidad y el magnetismo, la estructura interna de los átomos y núcleos atómicos, el comportamiento de los fluidos (líquidos y gases), y las propiedades de los materiales, entre otras cosas.

La física es una ciencia básica consagrada al estudio de las leyes fundamentales de la naturaleza. Sus dominios son el movimiento, el calor, el sonido, la luz, la electricidad, el magnetismo, la electrónica y la energía atómica.

La física es una ciencia en cambio permanente hacia una búsqueda de leyes con rangos de validez cada vez más amplios. Una ley física es correcta cuando su comprobación da resultados positivos.

La física cuenta con cuatro pilares básicos: la mecánica clásica, cuyo propósito es estudiar las leyes que gobiernan el movimiento de los cuerpos; la electrodinámica clásica, dedicada al estudio de los fenómenos que involucran cargas electromagnéticas; la física cuántica, utilizada para describir el mundo macroscópico bajo la hipótesis de que están formados por cuerpos microscópicos cuyas leyes conocemos.

En la antigüedad los chinos, babilonios, egipcios y mayas observaron el movimiento de los planetas logrando predecir eclipses, sin embargo, los recién adquiridos conocimientos no les permitieron explicar el movimiento planetario. Los griegos realizaron una serie de especulaciones filosóficas introduciendo dos ideas fundamentales con respecto a los componentes del Universo; el atomismo propuesto por Leucipo en el siglo IV a.C., y la teoría de los elementos, formulada en el siglo anterior.

Durante el período helenístico, Alejandría se había convertido en el centro científico de la civilización occidental, realizando sorprendentes avances. Destacada relevancia tuvo el matemático e inventor Arquímides, quien logró diseñar con palancas y tornillos varios aparatos mecánicos prácticos y midió la densidad de objetos sólidos sumergiéndolos en un líquido. Por el lado de la astronomía cabe mencionar al astrónomo Aristarco de Samos, quien encontró la relación matemática entre las distancias de la Tierra al Sol y de la Tierra a la Luna. En las matemáticas destacó el astrónomo, geógrafo y matemático Eratóstenes, que midió la circunferencia de la Tierra y elaboró un catálogo de estrellas. Hiparco de Nicea descubrió la precesión de los equinoccios, en el siglo II, y Tolomeo propuso el sistema que lleva su nombre para explicar el movimiento planetario, que ubica a la Tierra la Tierra en el centro y el Sol, la Luna y las estrellas giran en torno a ella en órbitas circulares.

Edad Media

Durante el siglo XIII, las universidades medievales fundadas en Europa por las órdenes monásticas, no registraron grandes avances para la física y otras ciencias. Esto quiere decir que durante este período histórico se produjeron pocos avances. Sabios como Averroes o Ibn al-Nafis, conservaron muchos tratados científicos heredados de la Grecia clásica.

Algunos logros que vale la pena destacar fue el trabajo realizado por el filósofo escolástico y teólogo italiano Santo Tomás de Aquino, quien trató de demostrar que las obras de Platón y Aristóteles eran comparables con las Sagradas escrituras. Además el británico Roger Bacon fue uno de los pocos filósofos que defendió el método experimental como auténtica base del conocimiento científico; también investigó en astronomía, química, óptica y diseño de máquinas.

Época moderna

Los estudiosos señalan que la ciencia moderna surgió tras el Renacimiento (siglo XVI y comienzos del XVII). El hito que justifica lo anterior es el logro de cuatro astrónomos destacados que lograron interpretar de manera muy satisfactoria el comportamiento de los cuerpos celestes. Nicolás Copérnico propuso un sistema heliocéntrico, en el que los planetas giran alrededor del Sol, pero el detalle era que él pensaba que las órbitas planetarias eran circulares. Tycho Brahe, astrónomo danés, adoptó una fórmula de compromiso entre los sistemas de Copérnico y Tolomeo. Según su fórmula los planetas giraban en torno al Sol, mientras que el Sol giraba alrededor de la Tierra.

Las medidas tomadas por Brahe permitieron a su ayudante Johannes Kepler obtener los datos suficientes para atacar al sistema de Tolomeo y enunciar tres leyes que se ajustaban a una teoría heliocéntrica modificada. Otro hombre clave de la época es Galileo. Él había oído hablar de la invención del telescopio y construyó uno. Con el telescopio en 1609 pudo confirmar el sistema heliocéntrico observando las fases del planeta Venus. También descubrió las irregularidades en la superficie de la Luna, los cuatro satélites de Júpiter más brillantes, las manchas solares y muchas estrellas de la Vía Láctea.

Los descubrimientos astronómicos de Galileo y sus trabajos sobre mecánica precedieron la obra del matemático y físico británico del siglo XVII Isaac Newton, uno de los científicos más grandes de la historia.

La Física a partir de Newton

A Isaac Newton, cuando apenas tenía 23 años, desarrolló los principios de la mecánica, formuló la ley de la gravitación universal, separó la luz blanca en sus colores constituyentes e inventó el cálculo diferencial e integral.

Todas sus contribuciones permitieron cubrir una amplia gama de fenómenos naturales. Es decir, que gracias al aporte de Newton se demostraron que tanto las leyes de Kepler, sobre el movimiento planetario, como los descubrimientos de Galileo, sobre la caída de los cuerpos, se deducen de la segunda ley del movimiento (segunda ley de Newton) combinada con la ley de la gravitación.

Newton también fue capaz de explicar el efecto de la Luna sobre las mareas, así como la precesión de los equinoccios.

Aceleradores: Las emisiones artificiales de alta energía fueron producidas por primera vez en 1932 por el físico británico John Cockcroft y su colega irlandés Ernest Walton, que emplearon generadores de alta tensión para acelerar electrones hasta unos 700.000 eV. Los aceleradores modernos producen energías de millones de eV (megaelectronvoltios, o MeV), miles de millones de eV (gigaelectronvoltios, o GeV) o incluso billones de eV (teraelectronvoltios, o TeV). La posibilidad de generar tensiones muy elevadas apareció en 1932, cuando el físico estadounidense Robert J. Van de Graaff inventó el aparato conocido como generador de Van de Graaff.

Ciclotrón: los físicos estadounidenses Ernest Orlando Lawrence y Milton Stanley Livingston inventaron el ciclotrón, dispositivo que emplea un campo magnético para mantener partículas cargadas moviéndose en trayectorias circulares, y en cada media vuelta proporciona a las partículas un pequeño "empujón" eléctrico hasta que acumulan las altas energías deseadas. Después de la II Guerra Mundial se produjeron rápidos avances en el diseño de aceleradores y se construyeron aparatos de diferentes tipos para producir haces de alta energía de electrones, protones, deuterones, iones pesados o rayos X.

Partículas: Además del electrón, el protón, el neutrón y el fotón, se han descubierto muchas otras partículas fundamentales. En 1932, el físico estadounidense Carl David Anderson descubrió el antielectrón o positrón. Cuando un positrón choca con un electrón se aniquilan entre sí y dan lugar a una lluvia de fotones. En 1935, el físico japonés Yukawa Hideki postuló la existencia de una partícula de masa intermedia entre el electrón y el protón. Esa partícula, que se denominó muón, era el "pegamento" nuclear de Yukawa. Los experimentos posteriores del físico británico Cecil Frank Powell y otros llevaron al descubrimiento de una partícula algo más pesada, con una masa 270 veces mayor que la del electrón. Este mesón pi o pión (también hallado en la radiación cósmica secundaria) fue finalmente identificado como la pieza que faltaba en la teoría de Yukawa. Desde entonces se han encontrado hadrones (partículas afectadas por la interacción nuclear fuerte, que mantiene unidos los núcleos atómicos), que incluyen los hiperones y diversos mesones pesados cuya masa es de 1 a 3 veces la del protón, además de los llamados bosones vectoriales intermedios, como las partículas W y Z0, los portadores de la interacción nuclear débil.