Introduccion a la Fisica

Introduccion a la Fisica

Para comprender el avance de la ciencia durante la Historia se debe realizar una introduccion a la fisica y a los conocimientos científicos a los que la ciencia fue dando solución. Por consiguiente la ciencia no surge en la historia la fisica hasta que las comunidades humanas se hicieron lo suficientemente complicadas, y su evolución ha ido pareja con los adelantos que cada cultura hizo sobre las que la precedieron.

Las primeras culturas

Las primeras culturas históricas (Egipto, Mesopotamia, India y China) empezaron la astronomía (a comienzos del tercer milenio adC), las matemáticas y la geometría. La astronomía nació por la necesidad de ordenar los trabajos agrícolas según el principio de las estaciones y rápido abordó preguntas más complejas. Ejemplificando, los de Egipto podían medir la época a lo extenso de la noche conforme con la hora de salida de determinadas estrellas y establecieron la duración del año en 365 días hacia el 2700 adC.

Las matemáticas se desarrollaron hasta el punto de poder hacer cálculos fáciles (según nuestros propios estándares) y solucionar inconvenientes que en la actualidad se plantean por medio de ecuaciones de primer o segundo nivel como contestación a inconvenientes geométricos prácticos planteados por la arquitectura o la agrimensura entre otras.

El que los inconvenientes planteados no fueran triviales para la era lo atestigua el producido de que frecuentemente los métodos de solución se compilaban en tablas que se copiaban de generación en generación. Hasta nuestros propios días han llegado tablas astronómicas, de inconvenientes tipo (como descubrir las magnitudes de un granero desde su capacidad), o matemáticas (sumas y productos de fracciones, constantes de transformación entre unidades, por ejemplo).

Introduccion a la Fisica: Los griegos

Los griegos fueron los primeros en tener en cuenta la naturaleza como objeto de entendimiento y en buscar explicaciones a los fenómenos físicos lo más en general que fuera viable. Durante el siglo VI adC surge en Grecia el colegio jónica, con su iniciativa de decidir el componente primero de la naturaleza. Empédocles de Agrigento creó durante el siglo V adC su teoría de los 4 recursos; según ésta, todo lo cual percibimos está constituído por aire, tierra, agua y fuego. La concepción atomista, discreta, de la materia es introducida un poco después por Leucipo y Demócrito.

A partir de estas primeras contribuciones hasta el año 415 dC en el cual fallece la astrónoma y matemática Hipatia de Alejandría la actividad de la ciencia griega primero y helenística después (desde el 323 adC, muerte Alejandro Magno) sentaría las bases de la tradición científica occidental.

A lo largo de este lapso, por primera ocasión en la Historia se da al mismo tiempo la realidad de una lengua científica común y la probabilidad de intercambiar ideas.

Ejemplificando, Arquímedes en Siracusa y Erastótenes en Alejandría  mantenían correspondencia de manera regular durante el siglo III adC. La ciencia helenística hizo adelantos en astronomía (primera predicción de un eclipse de Sol, hallazgo de la rotación de la tierra, medida de la circunferencia terrestre y primera geografía, primera descripción de las mareas y primera medida de la distancia Tierra-Sol), la geometría y la óptica geométrica (Elementos de Euclides, siglo III adC, Almagesto de Ptolomeo) y a ella se tienen que los primeros trabajos en mecánica (Del equilibrio de las figuras planas, por Arquímedes siglo III adC, obras de Vitruvio, s. I adC) y hidráulica (estudios sobre aire comprimido de Ctesibios y De los cuerpos flotantes, por Arquímedes siglo III adC, Herón de Alejandría siglo II dC).

Introduccion a la Fisica Era helenística

Las matemáticas de la era helenística además avanzaron hasta el límite de sus maneras técnicas (los griegos no tenían un sistema de numeración posicional y solían operar disminuyendo los inconvenientes matemáticos a inconvenientes geométricos): los griegos descubrieron los números irracionales, brindaron resoluciones para ecuaciones hasta de cuarto nivel, utilizaron algoritmos que llevados al límite son infinitesimales (determinación del volumen del cono por Demócrito y de pi por Arquímedes) y griega es la primera mención de la incógita en una ecuación (Diofanto, siglo III dC).

Introduccion a la Fisica La edad media en la fisica

Con el paso de los siglos la ciencia helenística ha sido perdiendo vitalidad. En medio de las razones cabe citar el debilitamiento de las metrópolis y de los poderes públicos desde el siglo III dC, empero además se debe considerar que la ciencia helenística no era una ciencia empírico de la misma forma que las conocemos ahora: no eran los resultados de la vida real los que daban validez a una ideología científica, sino que estas se enunciaban desde ideas preconcebidas de la Naturaleza y no se concebía hacer un experimento para objetar o confirmar una teoría.

Además, la ciencia griega ha sido quedando progresivamente aislada de la sociedad en la que estaba y ha sido olvidada en parte importante por esta una vez que la élite que aún la albergaba ha sido desplazada en las transformaciones que llevaron a la Alta Edad Media.

A lo largo de la Alta Edad Media el razonamiento científico se estanca en el continente Europeo. En el Imperio Bizantino y en el Imperio Persa sobrevive cierta actividad científica residual. Durante el siglo VII los árabes conquistaron el Imperio Persa y la mayoría del Bizantino. A comienzos del siglo VIII la cultura musulmana ocupa un territorio que se alarga a partir de la India al sur del continente Europeo y que albergaba la mayoría de la cultura científica acumulada en siglos anteriores.

Introduccion a la Fisica Los colonizadores musulmanes

Los colonizadores musulmanes respetaron la cultura de los paises en los cuales se habían predeterminado y en el mismo siglo VII empezaron a traducir al árabe los textos griegos y sánscritos que encontraron. Así el árabe se ha convertido en una lengua de cultura y llegaron a Europa obras que habían sido perdidas (p. ej, el Almagesto de Ptolomeo que ya se ha dicho ha sido traducido al árabe durante el siglo IX de su original griego y alcanzó Europa durante el siglo XII). 

Hicieron sus propias aportaciones los árabes: en mecánica, en óptica (Alhacam, en su Discurso sobre la luz, siglo X, da la primera explicación descriptiva de la refracción, identifica su origen con el cambio en la rapidez de propagación de la luz y muestra el análisis de un sistema óptico desde relámpagos que salen del objeto y llegan hasta la imagen, como se hace en la óptica geométrica elemental de nuestros propios días) y en astronomía.

Introduccion a la Fisica Los árabes

Los árabes impulsaron el cálculo y fueron los primeros en aplicarlo a la geometría. Durante el siglo IX, Al-Khwarizmi redacta un tratado de aritmética (Al-Jabr) que divulga la numeración decimal de postura (inventada en la India durante el siglo VI) y sistematiza la solución de ecuaciones y Al-Khayyam, sugiere la solución de una ecuación como intersección de curvas.

Los árabes aplican un enfoque a gusto y rigorista a la ciencia: emprendieron programas de observación para incrementar progresivamente la exactitud de las visualizaciones, compilaron los primeros catálogos del estrellas, inventaron el astrolabio y el sextante, el sistema ptolemaico de los epiciclos se impuso en la ciencia árabe primordialmente ya que era el que con más exactitud explicaba las visualizaciones.

Introduccion a la Fisica En los siglos XII y XIII

En los siglos XII y XIII se fundan en el continente Europeo las primeras universidades. La actividad cultural, que hasta el momento se llevaba a cabo en los monasterios, se lleva a las cuidades.

Las primeras universidades no enseñan ciencias experimentales, sino Derecho, Filosofía, Teología, el trabajo científico sigue restringido a la réplica de obras del pasado, aun cuando empiezan a surgir personajes (Alberto Magno, Roger Bacon, Guillermo de Occam) que proponen una totalmente nueva forma de pensar basada en la observación y en la vivencia provocada y repetida voluntariamente (el experimento científico).

Ante la vivencia como aseveración de un producido visto en la naturaleza (en la basado la ciencia griega). La aparición de compañías de comerciantes crea la necesidad de unas matemáticas aplicadas a la práctica comercial.

A lo largo de este lapso las matemáticas primordiales adoptan su forma de hoy debido a matemáticos como Johannes Widman (utilización de los signos + y -), Nicolás Chuquet (siglo XV); Nicolo Tartaglia (cálculo de trayectorias de proyectiles) o François Viete (siglo XVI) que trabajan por encargo de comerciantes o reyes y que cobran conciencia de su actividad como una profesión.

El invento de la imprenta durante el siglo XV y la generalización del uso del papel en el continente Europeo permiten la difusión inmediata y segura de las ideas y los nuevos procedimientos de cálculo. (Hasta que no se usó el papel los cálculos se hacían sobre pergamino, muchísimo más caro, por lo cual un pergamino se solía reutilizar para aprovecharlo al mayor. Las forma de las operaciones aritméticas y la dificultad de los cálculos estaba reducida por la necesidad de ahorrar espacio no se solían apuntar resultados parciales de una manera parecida a como la proporción de memoria y de tiempo de CPU limitan la dificultad de los cálculos actuales).

Introduccion a la Fisica En los siglos XVI

A fines del siglo XVI se proporcionan todos los componentes para la aparición de la Física en la manera matematizada como la conocemos en la actualidad: hay una concepción filosófica referente a cómo debería ser una ciencia empírico, hay accesibles unas matemáticas funcionales y se tiene el término de científico como profesión, además de los avances técnicos en la producción artesanal que permiten la construcción de útiles y instrumentos de laboratorio (el primer laboratorio nuevo de indagación fué fundado por Robert Boyle en 1640).

A fines del siglo XVI y inicios del XVII. Galileo fue el primero en utilizar el procedimiento empírico (estudio del isocronismo de las oscilaciones del péndulo) y instituye los primeros fundamentos de la mecánica actualizada.

Introduccion a la Fisica En los siglos XVII

Desde el siglo XVII se multiplican los trabajos de Física: Kepler, desde las visualizaciones de Tycho Brahe ofrece órbitas planetarias elípticas y enuncia la ley de conservación de la rapidez areolar, que más que la caída de una manzana, podría ser la que proveería a Newton la pista para enunciar su ley de la Gravitación Mundial. En este siglo aparecen las primeras comunidades científicas (la Royal Society se funda en 1690).

A lo largo de los siglos XVII a XVIII surge la mecánica racional establecida por Newton, y elaborada por físico-matemáticos como Leibniz, d´Alembert, Euler o Lagrange, se matematiza la óptica (en 1620 Snell da la ley de refracción, en 1662 Fermat enuncia su inicio de minimización para la propagación de la luz, en 1675 Römer mide la rapidez de la luz, Huyghens ofrece un modelo ondulatorio en 1690), se estudian los gases y los líquidos (Boyle -ley de los gases 1662-, Pascal estudia los fluidos en equilibrio mediados del XVII, Bernouilli estudia el desplazamiento de los fluidos en 1737). A fines del siglo XVII Coulomb y Cavendish inician el análisis de la electricidad.

Introduccion a la Fisica En los siglos XIX

En el siglo XIX la termodinámica se incorporaría como disciplina de la Física. Ya en 1780 Laplace y Lavoisier muestran una memoria sobre el calor. Fourier muestra su teoría sobre la transmisión del calor en 1822. Carnot formula el segundo comienzo de la termodinámica (1824); Mayer y Joule establecen el calor como forma de energía; Boltzmann, Maxwell y Gibbs desarrollan la teoría cinética del calor, que estadística y probabilísticamente infiere las leyes macroscópicas de la termodinámica, y Clausius introduce la entropía, como medidad de la degradación energética de un sistema.

Además A lo largo de este siglo Oersted, Volta, Ampère y Faraday estudian los fenómenos eléctricos y magnéticos, que reciben una formulación unificada con las ecuaciones de Maxwell (1864), que podrían ser corroboradas por los trabajos sobre ondas electromagnéticas de Hertz (1886). A fines del siglo XIX Maxwell y Bolztmann fundan la mecánica estadística.

Introduccion a la Fisica La revolución industrial

La revolución industrial hace aparecer una totalmente nueva orientación de la ciencia: la indagación industrial, oreintada a la consecución de patentes, por oposición a la indagación académica, dirigida a la publicación de artículos científicos. Los primerios laboratorios industriales son laboratorios de química y trabajan en la averiguación de colorantes artificiales para la industria textil y fotográfica. Entre 1875-1880 Basf, Hochst, Agfa y Bayer establecen laboratorios de averiguación. Algo después aparecerían laboratorios industriales involucrados con temas físicos, p. ej los de Eastman Kodak (1886), Standard Oil (1890), Gral. Electric (1900, implantada por Thomas Edison en 1876), o AT&T (1907).

El increíble desarrollo llevado a cabo por la física en el siglo XIX llevó a pensar a varios a fines de dicha centuria que la Física había encontrado su frontera y que desde entonces el trabajo de los físicos se disminuiría a refinar las teorías existentes para ajustar cada vez mejor las teorías a las visualizaciones. No obstante, las 3 primeras décadas del siglo XX fueron un lapso revolucionario para la Física, del que surgiría lo cual se sabe como Física actualizada. Ambos pilares de la Física actualizada son la teoría cuántica y la relatividad particular y general.

Introduccion a la Fisica La teoría cuántica en la Revolución Industrial

La teoría cuántica surge en el año 1900, una vez que Max Planck inventa el término de cuanto de energía para obtener la ley de radiación de un cuerpo humano negro. En 1905 Einstein aplicó el término de cuanto o mínima proporción de energía que puede intercambiarse para describir el impacto fotoeléctrico.

En el mismo año Einstein presentó la teoría de la relatividad particular basada en 2 principios básicos: la equivalencia de las leyes físicas entre sistemas de alusión no acelerados (sistemas de alusión inerciales) y la constancia de la rapidez de la luz para todos los observadores inerciales. Tanto el término de cuanto como el de la constancia de la rapidez de la luz fueron ideas que rompían con la tradición física anterior y que en aquella etapa resultaban contrarias a la lógica. En la termodinámica, que tan con éxito fue elaborada el siglo anterior se admitía que la energía se podía intercambiar de forma continua.

Por su lado, la constancia de la rapidez de la luz hacía equivocadas las transformaciones de Galileo entre sistemas de alusión inerciales en las que se había basado la Mecánica a partir del siglo XVII. No obstante, las dos teorías podrían ser confirmadas por los experimentos y al mediar el siglo formarían parte de la ortodoxia científica.

La teoría de la relatividad particular ha sido aceptada con bastante velocidad, puesto que describía resultados experimentales ya logrados En 1915 Einstein, seguido de cerca por Poincaré y Hilbert planteó la relatividad general y tan rápido como en 1919 Eddington la confirmó experimentalmente por medio de el tamaño de la desviación de la luz por el campo gravitatorio solar.

Introduccion a la Fisica La Mecánica Cuántica

Algo más despacio se desarrolló la Mecánica Cuántica. En 1913 Bohr planteó un modelo cuántico de átomo, en 1922 Compton describió las colisones entre fotones y electrones y en 1925 de Broglie es el primero en asociar una onda a una partícula (el electrón) para describir los radios de las órbitas de los electrones en el modelo atómico de Bohr. En 1925 Heisenberg formuló la Mecánica Cuántica utilizando operadores matriciales y en 1925 Schrödinger formuló la Mecánica cuántica utilizando ecuaciones de onda. Con la presentación de dichos 2 formalismos la Mecánica cuántica adoptó su forma de hoy.

La fisica en el siglo XX

A lo largo de lo demás del siglo XX buena parte de los trabajos en Física han estado involucrados con alargar el entorno de aplicación de las dos teorías y con la persecución de una explicación unificada de las relaciones primordiales siguiendo la iniciativa presentada por Einstein. Así surgieron novedosas disciplinas como la Física de Altas energías, la Física Atómica y Nuclear, la Física del Estado Sólido, la Astrofísica o la Cosmología. En 1967 la Físca de Altas energías logró la explicación unificada del electromagnetismo y la relación nuclear débil (Steven Weinberg y Abdul Salam) y poco después el modelo de quarks para la relación nuclear intenso.

Desde entonces se presentaron distintas teorías para unir estas 3 colaboraciones, aun cuando la validez de ni una de ellas fue aceptada de forma generalizada. La Física del estado sólido nació a lo largo de los años 30 como una aplicación especial de la mecánica cuántica y cuando a inicios de la década de 1960 las máquinas de cálculo se realizan disponibles de manera generalizada para la indagación se ha convertido en una de las especialidades más relevantes de la Física en la segunda mitad del siglo XX, quizá la de mayor relevancia para la indagación industrial.