Ramas de la física

Las ramas de la física incluyen la mecánica clásica ; la termodinámica y la mecánica estadística ; el electromagnetismo ; la relatividad; la mecánica cuántica , la física atómica y la física molecular ; la óptica y la acústica; la física de la materia condensada; la física de partículas de alta energía y la física nuclear; la teoría del caos y la cosmología; y campos interdisciplinarios.

La mecánica clásica es un modelo de la física de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos; incluye subcampos para describir el comportamiento de sólidos , gases y fluidos . A menudo se la denomina "mecánica newtoniana" en honor a Isaac Newton y sus leyes del movimiento . También incluye el enfoque clásico, tal como lo presentan los métodos hamiltoniano y lagrangiano . Se ocupa del movimiento de las partículas y del sistema general de partículas.

Existen muchas ramas de la mecánica clásica, como: estática , dinámica , cinemática , mecánica de medios continuos (que incluye la mecánica de fluidos ), mecánica estadística , etc.

• Mecánica: Rama de la física en la que estudiamos el objeto y las propiedades de un objeto en forma de movimiento bajo la acción de una fuerza.

El primer capítulo de Las Lecciones de Física de Feynman trata sobre la existencia de los átomos , que Feynman consideraba la formulación más compacta de la física, a partir de la cual la ciencia podría derivarse fácilmente incluso si se perdiera todo el demás conocimiento. ^{[ 1 ]} Al modelar la materia como colecciones de esferas duras, es posible describir la teoría cinética de los gases , sobre la cual se basa la termodinámica clásica.

La termodinámica estudia los efectos de los cambios de temperatura , presión y volumen en los sistemas físicos a escala macroscópica , y la transferencia de energía en forma de calor . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir del deseo de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor . ^{[ 4 ]}

El punto de partida para la mayoría de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica , que postulan que la energía puede intercambiarse entre sistemas físicos como calor o trabajo . ^{[ 5 ]} También postulan la existencia de una magnitud llamada entropía , que puede definirse para cualquier sistema. ^{[ 6 ]} En termodinámica, se estudian y categorizan las interacciones entre grandes conjuntos de objetos. Los conceptos de sistema y entorno son fundamentales para esto . Un sistema está compuesto de partículas, cuyos movimientos promedio definen sus propiedades, que a su vez están relacionadas entre sí a través de ecuaciones de estado . Las propiedades pueden combinarse para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos , que son útiles para determinar las condiciones de equilibrio y los procesos espontáneos .

El estudio del comportamiento de los electrones, los medios eléctricos, los imanes, los campos magnéticos y las interacciones generales de la luz.

La teoría especial de la relatividad tiene una relación con el electromagnetismo y la mecánica; es decir, el principio de relatividad y el principio de acción estacionaria en mecánica pueden usarse para derivar las ecuaciones de Maxwell , ^{[ 7 ] [ 8 ]} y viceversa .

La teoría de la relatividad especial fue propuesta en 1905 por Albert Einstein en su artículo « Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ». El título del artículo alude a que la relatividad especial resuelve una inconsistencia entre las ecuaciones de Maxwell y la mecánica clásica. La teoría se basa en dos postulados : (1) que las formas matemáticas de las leyes de la física son invariantes en todos los sistemas inerciales ; y (2) que la velocidad de la luz en el vacío es constante e independiente de la fuente o del observador. Conciliar ambos postulados requiere una unificación del espacio y el tiempo en el concepto de espaciotiempo , que depende del sistema de referencia .

La relatividad general es la teoría geométrica de la gravitación publicada por Albert Einstein en 1915/16. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Unifica la relatividad especial, la ley de gravitación universal de Newton y la idea de que la gravitación puede describirse mediante la curvatura del espacio-tiempo. En la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo es producida por la energía de la materia y la radiación.

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia los sistemas atómicos y subatómicos y su interacción, basándose en la observación de que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas o conjuntos llamados " cuantos ". Cabe destacar que la teoría cuántica generalmente solo permite el cálculo probabilístico o estadístico de las características observadas de las partículas subatómicas, entendidas en términos de funciones de onda . La ecuación de Schrödinger desempeña en la mecánica cuántica el papel que las leyes de Newton y la conservación de la energía cumplen en la mecánica clásica; es decir, predice el comportamiento futuro de un sistema dinámico , y es una ecuación de onda que se utiliza para calcular las funciones de onda.

Por ejemplo, la luz, o radiación electromagnética, emitida o absorbida por un átomo solo tiene ciertas frecuencias (o longitudes de onda ), como se puede observar en el espectro de líneas asociado al elemento químico representado por ese átomo. La teoría cuántica muestra que esas frecuencias corresponden a energías definidas de los cuantos de luz, o fotones , y resultan del hecho de que los electrones del átomo solo pueden tener ciertos valores de energía permitidos, o niveles; cuando un electrón cambia de un nivel permitido a otro, se emite o absorbe un cuanto de energía cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles. El efecto fotoeléctrico confirmó aún más la cuantización de la luz.

En 1924, Louis de Broglie propuso que no solo las ondas de luz a veces exhiben propiedades de partículas, sino que las partículas también pueden exhibir propiedades ondulatorias. Tras la sugerencia de De Broglie, se presentaron dos formulaciones diferentes de la mecánica cuántica. La mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger (1926) implica el uso de una entidad matemática, la función de onda, que está relacionada con la probabilidad de encontrar una partícula en un punto dado del espacio. La mecánica matricial de Werner Heisenberg (1925) no menciona las funciones de onda ni conceptos similares, pero se demostró que era matemáticamente equivalente a la teoría de Schrödinger. Un descubrimiento particularmente importante de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre , enunciado por Heisenberg en 1927, que impone un límite teórico absoluto a la precisión de ciertas mediciones; como resultado, la suposición de los científicos anteriores de que el estado físico de un sistema podía medirse con exactitud y usarse para predecir estados futuros tuvo que abandonarse. La mecánica cuántica se combinó con la teoría de la relatividad en la formulación de Paul Dirac . Otros avances incluyen la estadística cuántica , la electrodinámica cuántica , que se ocupa de las interacciones entre partículas cargadas y campos electromagnéticos; y su generalización, la teoría cuántica de campos .

Teoría de cuerdas

Esta teoría, una posible candidata a la teoría del todo, combina la relatividad general y la mecánica cuántica en un marco conceptual único. Es capaz de predecir propiedades tanto de objetos pequeños como grandes, pero aún se encuentra en fase de desarrollo.

La óptica es el estudio del movimiento de la luz, incluyendo la reflexión, la refracción, la difracción y la interferencia.

La acústica es la rama de la física que estudia las ondas mecánicas en diferentes medios.

El estudio de las propiedades físicas de la materia en fase condensada.

La física de partículas estudia la naturaleza de las partículas, mientras que la física nuclear estudia los núcleos atómicos .

La teoría del caos representa un área de estudio multidisciplinaria que abarca tanto la investigación científica como las matemáticas. Examina los modelos esenciales y los principios deterministas que rigen los sistemas dinámicos que presentan una extrema sensibilidad a las condiciones iniciales. Anteriormente, se creía que estos sistemas existían en un estado de completa aleatoriedad y desorden. Sin embargo, la teoría del caos postula que, bajo la aparente aleatoriedad de los sistemas complejos caóticos, subyacen patrones, interconexiones, mecanismos de retroalimentación continua, repeticiones, autosimilitud, fractales y autoorganización. El efecto mariposa, un concepto fundamental en la teoría del caos, ilustra cómo una pequeña alteración en un aspecto de un sistema no lineal puede generar variaciones significativas posteriormente, lo que pone de manifiesto una frágil dependencia de las circunstancias iniciales. Este fenómeno se ilustra a menudo con la metáfora de que una mariposa batiendo sus alas en Brasil podría influir o incluso evitar un tornado en Texas al alterar las condiciones de su entorno.

La cosmología estudia cómo se originó el universo y cuál será su destino final. Es objeto de estudio para físicos y astrofísicos . También estudia los universos ficticios creados por el ser humano, su origen y su destino y destrucción.

A los campos interdisciplinarios, que definen parcialmente ciencias propias, pertenecen, por ejemplo,

• La agrofísica es una rama de la ciencia que limita con la agronomía y la física.
• astrofísica , la física del universo, incluyendo las propiedades e interacciones de los cuerpos celestes en astronomía
• La física atmosférica es la aplicación de la física al estudio de la atmósfera.
• La física espacial es el estudio de los plasmas tal como se producen de forma natural en la atmósfera superior de la Tierra (aeronomía) y dentro del Sistema Solar.
• biofísica , estudio de las interacciones físicas de los procesos biológicos
• física química , la ciencia de las relaciones físicas en química
• física computacional , la aplicación de computadoras y métodos numéricos a sistemas físicos.
• Econofísica , que se ocupa de los procesos físicos y sus relaciones en la ciencia de la economía.
• física ambiental , la rama de la física que se ocupa de la medición y el análisis de las interacciones entre los organismos y su entorno.
• física de la ingeniería , la disciplina combinada de física e ingeniería
• geofísica , las ciencias de las relaciones físicas en nuestro planeta
• física matemática , matemáticas relacionadas con problemas físicos
• física médica , la aplicación de la física en la medicina para la prevención, el diagnóstico y el tratamiento
• Química física , que se ocupa de los procesos físicos y sus relaciones en la ciencia de la química física.
• La enseñanza de la física , los métodos educativos que se utilizan actualmente para enseñar física.
• La oceanografía física es el estudio de las condiciones físicas y los procesos físicos dentro del océano, especialmente los movimientos y las propiedades físicas de las aguas oceánicas.
• psicofísica , la ciencia de las relaciones físicas en psicología
• computación cuántica , el estudio de los sistemas de computación cuántico-mecánicos.
• La sociofísica o física social es un campo de la ciencia que utiliza herramientas matemáticas inspiradas en la física para comprender el comportamiento de las multitudes humanas.

La tabla que aparece a continuación enumera las teorías principales junto con muchos de los conceptos que emplean.

• Física clásica
• Física moderna