Historia de la física

La astronomía es una de las ciencias naturales más antiguas . Las primeras civilizaciones que datan de antes del 3000  a. C., como los sumerios , los antiguos egipcios y la civilización del valle del Indo , tenían un conocimiento predictivo y una comprensión básica de los movimientos del Sol, la Luna y las estrellas. Las estrellas y los planetas, que se creía que representaban a los dioses, eran a menudo venerados. Si bien las explicaciones de las posiciones observadas de las estrellas a menudo no eran científicas y carecían de evidencia, estas primeras observaciones sentaron las bases de la astronomía posterior, ya que se descubrió que las estrellas recorrían grandes círculos a través del cielo, ^{[ 1 ]} lo que no podía explicar las posiciones de los planetas .

Según Asger Aaboe , los orígenes de la astronomía occidental se encuentran en Mesopotamia , y todos los esfuerzos occidentales en las ciencias exactas descienden de la astronomía babilónica tardía . ^{[ 2 ]} Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que muestran conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, ^{[ 3 ]} mientras que el poeta griego Homero escribió sobre diversos objetos celestes en su Ilíada y Odisea ; astrónomos griegos posteriores proporcionaron nombres, que todavía se usan hoy, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte . ^{[ 4 ]}

El movimiento hacia una comprensión racional de la naturaleza comenzó al menos desde el período Arcaico en Grecia (650-480 a. C. ) con los filósofos presocráticos . El filósofo Tales de Mileto (siglos VII y VI a. C.), apodado "el Padre de la Ciencia" por negarse a aceptar diversas explicaciones sobrenaturales, religiosas o mitológicas de los fenómenos naturales , proclamó que todo evento tenía una causa natural. ^{[ 5 ]} Tales también hizo avances en el 580 a. C. al sugerir que el agua es el elemento básico , experimentando con la atracción entre imanes y ámbar frotado y formulando las primeras cosmologías registradas . Anaximandro , desarrollador de una teoría protoevolutiva , refutó las ideas de Tales y propuso que, en lugar de agua, una sustancia llamada apeiron era el bloque de construcción de toda la materia. Alrededor del 500  a. C., Heráclito propuso que la única ley básica que rige el Universo es el principio del cambio y que nada permanece en el mismo estado indefinidamente. Él, junto con su contemporáneo Parménides, estuvo entre los primeros eruditos en reflexionar sobre el papel del tiempo en el universo, un concepto clave que sigue siendo un tema de debate en la física moderna .

Durante el período clásico en Grecia (siglos VI, V y IV a. C.) y en la época helenística , la filosofía natural se desarrolló como un campo de estudio. Los primeros conceptos de atomismo fueron formulados durante esta época por los filósofos Leucipo y su discípulo Demócrito . Introdujeron el atomismo temprano, proponiendo que el universo estaba compuesto de espacio vacío y partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Aristóteles ( griego : Ἀριστοτέλης , Aristotélēs ) (384-322 a. C.), discípulo de Platón , promovió el concepto de que la observación de los fenómenos físicos podría conducir finalmente al descubrimiento de las leyes naturales que los rigen. Los escritos de Aristóteles abarcan física, metafísica , poesía , teatro , música , lógica , retórica , lingüística , política , gobierno , ética , biología y zoología . Escribió la primera obra que se refiere a esta línea de estudio como "Física" ; en el siglo IV a. C., Aristóteles fundó el sistema conocido como física aristotélica . Intentó explicar ideas como el movimiento (y la gravedad ) con la teoría de los cuatro elementos . Aristóteles creía que toda la materia estaba hecha de éter, o alguna combinación de cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Según Aristóteles, estos cuatro elementos terrestres son capaces de intertransformarse y moverse hacia su lugar natural, de modo que una piedra cae hacia el centro del cosmos, pero las llamas ascienden hacia la circunferencia . Con el tiempo, la física aristotélica se popularizó durante muchos siglos en Europa, influyendo en los desarrollos científicos y escolásticos de la Edad Media . Siguió siendo el paradigma científico dominante en Europa hasta la época de Galileo Galilei e Isaac Newton . 

En los inicios de la Grecia clásica, era común el conocimiento de que la Tierra es esférica ("redonda"). Alrededor del año 240  a. C., como resultado de un experimento fundamental , Eratóstenes (276-194 a. C.) estimó con precisión su circunferencia. En contraste con las ideas geocéntricas de Aristóteles, Aristarco de Samos ( en griego : Ἀρίσταρχος ; c. 310 -c. 230 a. C. ) presentó un argumento explícito a favor de un modelo heliocéntrico del Sistema Solar , es decir, que situaba al Sol , y no a la Tierra , en su centro. Seleuco de Seleucia , seguidor de la teoría heliocéntrica de Aristarco, afirmó que la Tierra giraba sobre su propio eje , el cual, a su vez, orbitaba alrededor del Sol. Aunque los argumentos que utilizó se perdieron, Plutarco afirmó que Seleuco fue el primero en demostrar el sistema heliocéntrico mediante el razonamiento. 

En el siglo III a. C., el matemático griego Arquímedes de Siracusa ( 287-212 a. C.) , considerado generalmente el mayor matemático de la Antigüedad y uno de los más grandes de todos los tiempos , sentó las bases de la hidrostática y la estática , y calculó las matemáticas subyacentes de la palanca . Científico de la Antigüedad clásica, Arquímedes también desarrolló elaborados sistemas de poleas para mover objetos grandes con un mínimo esfuerzo. El tornillo de Arquímedes es la base de la ingeniería hidráulica moderna, y sus máquinas de guerra ayudaron a contener a los ejércitos de Roma en la Primera Guerra Púnica . Arquímedes incluso refutó los argumentos de Aristóteles y su metafísica, señalando que era imposible separar las matemáticas de la naturaleza, y lo demostró al convertir las teorías matemáticas en inventos prácticos. Además, en su obra Sobre los cuerpos flotantes , alrededor del año 250 a. C., Arquímedes desarrolló la ley de flotabilidad , también conocida como principio de Arquímedes . En matemáticas, Arquímedes utilizó el método de agotamiento para calcular el área bajo el arco de una parábola mediante la suma de una serie infinita, y proporcionó una aproximación notablemente precisa de pi . También definió la espiral que lleva su nombre , fórmulas para los volúmenes de superficies de revolución y un ingenioso sistema para expresar números muy grandes. Asimismo, desarrolló los principios de los estados de equilibrio y los centros de gravedad , ideas que influirían en futuros eruditos como Galileo y Newton.  

Hiparco (190-120 a. C.), centrado en la astronomía y las matemáticas, empleó sofisticadas técnicas geométricas para cartografiar el movimiento de las estrellas y los planetas , llegando incluso a predecir los eclipses solares . Además, realizó cálculos de la distancia del Sol y la Luna a la Tierra, basándose en las mejoras que introdujo en los instrumentos de observación de la época. Otro de los primeros físicos fue Ptolomeo (90-168 d. C.), durante el Imperio Romano . Ptolomeo fue autor de varios tratados científicos, al menos tres de los cuales tuvieron una importancia continua para la ciencia islámica y europea posterior. El primero es el tratado astronómico ahora conocido como Almagesto (en griego, Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, "El Gran Tratado", originalmente Μαθηματικὴ Σύνταξις, "Tratado de Matemáticas"). El segundo es la Geografía , que es una discusión exhaustiva del conocimiento geográfico del mundo grecorromano .

Gran parte del conocimiento acumulado del mundo antiguo se perdió. Incluso de las obras de muchos pensadores respetables, sobreviven pocos fragmentos. Aunque escribió al menos catorce libros, casi nada de la obra directa de Hiparco ha sobrevivido. De las 150 obras aristotélicas que se le atribuyen , solo existen 30, y algunas de ellas son poco más que apuntes de clase.

En las antiguas ciencias de la India y China también existían importantes tradiciones físicas y matemáticas .

En la filosofía india , Kanada (siglos VI-II a. C.) fue el primero en desarrollar sistemáticamente una teoría del atomismo. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} Esta fue elaborada posteriormente por los atomistas budistas Dharmakirti y Dignāga durante el primer milenio d. C. ^{[ 13 ]} La escuela de filósofos Vaisheshika creía que el átomo es una partícula de materia indestructible e indivisible porque es un estado al que no se le puede atribuir ninguna medida. ^{[ 14 ]} Las teorías indias sobre el átomo son muy abstractas y están inmersas en la filosofía, ya que se basaban en la lógica y no en la experiencia personal o la experimentación.

Con la llegada de la astronomía helenística a la India a través del comercio y los contactos culturales, la astronomía india entró en una nueva fase durante los primeros siglos de nuestra era. ^{[ 15 ]} Las tradiciones indígenas anteriores, como las registradas en el Vedāṅga Jyotiṣa, proporcionaron fundamentos calendáricos, mientras que los modelos astronómicos griegos fueron posteriormente integrados por eruditos como Āryabhaṭa , Varāhamihira y Brahmagupta. ^{[ 16 ]} Āryabhaṭa mejoró notablemente los métodos para calcular los movimientos planetarios y los eclipses. ^{[ 17 ]} En el período medieval tardío, la escuela de astronomía y matemáticas de Kerala hizo contribuciones significativas a la astronomía a través de técnicas de observación refinadas y cálculos más precisos de los movimientos planetarios y los eclipses. ^{[ 18 ]} Entre sus eruditos más destacados se encontraba Nilakantha Somayaji (1444–1544), quien propuso un modelo semiheliocéntrico del Sistema Solar que guarda similitudes con el sistema Tychonic.

Una de las primeras descripciones escritas conocidas de la imagen estenopeica aparece en la obra de Mozi, que data del siglo IV a. C. Tradicionalmente, se atribuye a Mozi (c. 470-391 a. C.), quien describe cómo la luz que pasa a través de una pequeña abertura produce una imagen invertida, una observación temprana del principio de la cámara oscura. ^{[ 19 ]}

El estudio del magnetismo en la antigua China se remonta al siglo IV a. C. (en el Libro del Maestro del Valle del Diablo ). ^{[ 20 ]} Uno de los principales contribuyentes a este campo fue Shen Kuo (1031-1095), un polímata y estadista que fue el primero en describir la brújula de aguja magnética utilizada para la navegación, además de establecer el concepto de norte verdadero . En óptica, Shen Kuo desarrolló de forma independiente una cámara oscura . ^{[ 21 ]}

Entre los siglos VII y XV, se produjo un progreso científico en el mundo musulmán. Muchas obras clásicas en indio , asirio , sasánida (persa) y griego , incluidas las de Aristóteles, fueron traducidas al árabe . ^{[ 22 ]} Ibn al-Haytham (965-1040), un científico árabe ^{[ 23 ]} o persa ^{[ 24 ]} , realizó importantes contribuciones y es considerado uno de los fundadores de la óptica moderna . Ptolomeo y Aristóteles teorizaron que la luz emanaba del ojo para iluminar los objetos o que las "formas" surgían de los objetos mismos, mientras que al-Haytham (conocido por el nombre latino "Alhazen") sugirió que la luz viaja al ojo en rayos desde diferentes puntos de un objeto. Las obras de Ibn al-Haytham y al-Biruni (973-1050), un científico persa, llegaron finalmente a Europa Occidental, donde fueron estudiadas por eruditos como Roger Bacon y Vitello . ^{[ 25 ]}

Ibn al-Haytham empleó experimentos controlados en su trabajo sobre óptica, aunque se debate hasta qué punto difería del de Ptolomeo. ^{[ 26 ] [ 27 ]} Mecánicos árabes como Bīrūnī y Al-Khazini desarrollaron una sofisticada «ciencia del peso», realizando mediciones de pesos y volúmenes específicos. ^{[ 28 ]}

Ibn Sīnā (980–1037), conocido como «Avicena», fue un polímata de Bujará (en el actual Uzbekistán ) responsable de importantes contribuciones a la física, la óptica, la filosofía y la medicina . Publicó su teoría del movimiento en el Libro de la Curación (1020), donde argumentó que el lanzador imparte un impulso a un proyectil. Lo consideró persistente, requiriendo fuerzas externas como la resistencia del aire para disiparlo. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} Ibn Sina hizo una distinción entre «fuerza» e «inclinación» (llamada «mayl»), y argumentó que un objeto ganaba mayl cuando se oponía a su movimiento natural. Concluyó que la continuación del movimiento se atribuye a la inclinación que se transfiere al objeto, y que este permanecerá en movimiento hasta que se agote el mayl. ^{[ 29 ]} Esta idea que discrepaba de la visión aristotélica fue descrita más tarde como " impulso " por Juan Buridán , quien probablemente fue influenciado por el Libro de curación de Ibn Sina . ^{[ 32 ]}

Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi ( c. 1080 – c. 1165 ) adoptó y modificó la teoría de Ibn Sina sobre el movimiento de proyectiles . En su Kitab al-Mu'tabar , Abu'l-Barakat afirmó que el motor imparte una inclinación violenta ( mayl qasri ) al objeto movido y que esta disminuye a medida que el objeto en movimiento se aleja del motor. ^{[ 33 ]} También propuso una explicación de la aceleración de los cuerpos en caída libre mediante la acumulación de incrementos sucesivos de potencia con incrementos sucesivos de velocidad . ^{[ 34 ]} Según Shlomo Pines , la teoría del movimiento de al-Baghdaadi fue "la negación más antigua de la ley dinámica fundamental de Aristóteles [a saber, que una fuerza constante produce un movimiento uniforme], [y es, por lo tanto, una] anticipación vaga de la ley fundamental de la mecánica clásica [a saber, que una fuerza aplicada continuamente produce aceleración]". ^{[ 35 ]} Jean Buridan y Alberto de Sajonia se refirieron más tarde a Abu'l-Barakat al explicar que la aceleración de un cuerpo en caída es resultado de su impulso creciente. ^{[ 33 ]} 

Ibn Bajjah ( c. 1085-1138 ), conocido como «Avempace» en Europa, propuso que para cada fuerza existe siempre una fuerza de reacción . Ibn Bajjah fue un crítico de Ptolomeo y trabajó en la creación de una nueva teoría de la velocidad para reemplazar la teorizada por Aristóteles. Dos filósofos posteriores apoyaron las teorías de Avempace, conocidas como dinámica avempacea. Estos filósofos fueron Tomás de Aquino , un sacerdote católico, y Juan Duns Escoto . ^{[ 36 ]} Galileo adoptó la fórmula de Avempace: «la velocidad de un objeto dado es la diferencia entre la fuerza motriz de ese objeto y la resistencia del medio de movimiento». ^{[ 36 ]}

Nasir al-Din al-Tusi (1201-1274), astrónomo y matemático persa que falleció en Bagdad, presentó al matrimonio Tusi un importante teorema matemático y fundó la Escuela de Maragha . Los modelos astronómicos geocéntricos (pero no heliocéntricos) desarrollados por la Escuela de Maragha presentan muchos paralelismos sorprendentes con los modelos desarrollados por Nicolás Copérnico . La posibilidad de que los resultados de Maragha hayan influido en Copérnico ha sido investigada con cierto detalle. ^{[ 37 ]}

El conocimiento de las obras antiguas volvió a Occidente gracias a las traducciones del árabe al latín . Su reintroducción, junto con los comentarios teológicos judeo-islámicos , influyó enormemente en filósofos medievales como Tomás de Aquino . Los eruditos escolásticos europeos , que buscaban conciliar la filosofía de los filósofos clásicos con la teología cristiana , proclamaron a Aristóteles como el mayor pensador del mundo antiguo. En los casos en que no contradecían directamente la Biblia, la física aristotélica se convirtió en el fundamento de las explicaciones físicas de las Iglesias europeas. La cuantificación se convirtió en un elemento central de la física medieval. ^{[ 38 ]}

Basándose en la física aristotélica, la física escolástica describía las cosas como moviéndose según su naturaleza esencial. Los objetos celestes se describían moviéndose en círculos, ya que el movimiento circular perfecto se consideraba una propiedad innata de los objetos que existían en el reino incorrupto de las esferas celestes . Los movimientos por debajo de la esfera lunar se consideraban imperfectos y, por lo tanto, no se podía esperar que exhibieran un movimiento consistente. Un movimiento más idealizado en el reino "sublunar" solo podía lograrse mediante artificios , y antes del siglo XVII, muchos no consideraban los experimentos artificiales como un medio válido para aprender sobre el mundo natural. Las explicaciones físicas en el reino sublunar giraban en torno a tendencias. Las piedras contenían el elemento tierra, y los objetos terrestres tendían a moverse en línea recta hacia el centro de la tierra (y del universo en la visión geocéntrica aristotélica) a menos que algo se lo impidiera. ^{[ 39 ]}

La física de Aristóteles no fue examinada hasta Juan Filopono , quien se basó en la observación en lugar de la argumentación verbal como Aristóteles. ^{[ 40 ]} La crítica de Filopono a los principios aristotélicos de la física sirvió de inspiración a Galileo Galilei diez siglos después, ^{[ 41 ]} durante la Revolución Científica . Galileo citó a Filopono extensamente en sus obras al argumentar que la física aristotélica era defectuosa. ^{[ 42 ] [ 43 ]} En el siglo XIV, Jean Buridan , profesor de la facultad de artes de la Universidad de París , desarrolló el concepto de ímpetu . Fue un paso hacia las ideas modernas de inercia y momento. ^{[ 44 ]}

El astrónomo renacentista Nicolás Copérnico (1473-1543) realizó un avance significativo en la astronomía cuando, en 1543, presentó sólidos argumentos a favor del modelo heliocéntrico del Sistema Solar, aparentemente para mejorar la precisión de las tablas que representaban el movimiento planetario y simplificar su elaboración. En los modelos heliocéntricos del Sistema Solar, la Tierra orbita alrededor del Sol junto con otros cuerpos de su galaxia , lo cual contradice la teoría del astrónomo greco-egipcio Ptolomeo (siglo II d. C.; véase más arriba), cuyo sistema situaba a la Tierra en el centro del Universo y había sido aceptado durante más de 1400 años. El astrónomo griego Aristarco de Samos ( c. 310 -c. 230 a. C. ) había sugerido que la Tierra gira alrededor del Sol, pero el razonamiento de Copérnico condujo a la aceptación generalizada de esta idea "revolucionaria". El libro de Copérnico que presenta la teoría ( De revolutionibus orbium coelestium , «Sobre las revoluciones de las esferas celestes») se publicó poco antes de su muerte en 1543 y, dado que generalmente se considera que marca el comienzo de la astronomía moderna, también se considera que marca el comienzo de la Revolución Científica. La nueva perspectiva de Copérnico, junto con las observaciones precisas realizadas por Tycho Brahe , permitió al astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630) formular sus leyes sobre el movimiento planetario , que siguen vigentes en la actualidad. 

El matemático, astrónomo y físico italiano Galileo Galilei (1564-1642) fue un defensor del copernicanismo que realizó numerosos descubrimientos astronómicos, llevó a cabo experimentos empíricos y perfeccionó el telescopio. Como matemático, el papel de Galileo en la cultura universitaria de su época estaba subordinado a las tres principales áreas de estudio: derecho , medicina y teología (estrechamente ligada a la filosofía). Sin embargo, Galileo consideraba que el contenido descriptivo de las disciplinas técnicas merecía un interés filosófico, sobre todo porque el análisis matemático de las observaciones astronómicas  —en particular, el análisis de Copérnico sobre los movimientos relativos del Sol, la Tierra, la Luna y los planetas—  indicaba que las afirmaciones de los filósofos sobre la naturaleza del universo podían ser erróneas. Galileo también realizó experimentos mecánicos, insistiendo en que el movimiento en sí mismo  —independientemente de si se producía «naturalmente» o «artificialmente» (es decir, deliberadamente)  — tenía características universalmente consistentes que podían describirse matemáticamente.

Los primeros estudios de Galileo en la Universidad de Pisa fueron de medicina, pero pronto se sintió atraído por las matemáticas y la física. A los 19 años, descubrió (y posteriormente verificó ) la naturaleza isócrona del péndulo cuando, utilizando su pulso, cronometró las oscilaciones de una lámpara que se balanceaba en la catedral de Pisa y comprobó que permanecía igual en cada oscilación, independientemente de su amplitud . Pronto se hizo conocido por su invención de una balanza hidrostática y por su tratado sobre el centro de gravedad de los cuerpos sólidos. Mientras impartía clases en la Universidad de Pisa (1589-1592), inició sus experimentos sobre las leyes del movimiento de los cuerpos, cuyos resultados contradecían tanto las enseñanzas aceptadas de Aristóteles que suscitaron una fuerte oposición. Descubrió que los cuerpos no caen con velocidades proporcionales a su peso. La historia de Galileo arrojando pesas desde la Torre Inclinada de Pisa es apócrifa, pero sí descubrió que la trayectoria de un proyectil es una parábola y se le atribuyen conclusiones que anticiparon las leyes del movimiento de Newton (por ejemplo, la noción de inercia). Entre ellas se encuentra lo que hoy se conoce como relatividad galileana , la primera formulación precisa sobre las propiedades del espacio y el tiempo fuera de la geometría tridimensional .

Galileo ha sido llamado el "padre de la astronomía observacional moderna ", ^{[ 45 ]} el "padre de la física moderna", el "padre de la ciencia", ^{[ 46 ]} y "el padre de la ciencia moderna ". ^{[ 47 ]} Según Stephen Hawking , "Galileo, quizás más que ninguna otra persona, fue responsable del nacimiento de la ciencia moderna". ^{[ 48 ]} Dado que la ortodoxia religiosa decretaba una comprensión geocéntrica o tychónica del sistema solar, el apoyo de Galileo al heliocentrismo provocó controversia y fue juzgado por la Inquisición . Considerado "vehementemente sospechoso de herejía", fue obligado a retractarse y pasó el resto de su vida bajo arresto domiciliario.

Las contribuciones de Galileo a la astronomía observacional incluyen la confirmación telescópica de las fases de Venus ; su descubrimiento, en 1609, de las cuatro lunas más grandes de Júpiter (posteriormente denominadas colectivamente " lunas galileanas "); y la observación y el análisis de las manchas solares . Galileo también se dedicó a la ciencia y la tecnología aplicadas, inventando, entre otros instrumentos, una brújula militar . Su descubrimiento de las lunas jovianas se publicó en 1610 , lo que le permitió obtener el puesto de matemático y filósofo en la corte de los Médici . Como tal, se esperaba que participara en debates con filósofos de la tradición aristotélica y recibió una gran audiencia por sus propias publicaciones, como los Discursos y demostraciones matemáticas sobre dos nuevas ciencias (publicados en el extranjero tras su arresto por la publicación de Diálogo sobre los dos principales sistemas del mundo ) y El ensayador . ^{[ 49 ] [ 50 ]} El interés de Galileo por experimentar y formular descripciones matemáticas del movimiento estableció la experimentación como parte integral de la filosofía natural. Esta tradición, combinada con el énfasis no matemático en la recopilación de "historias experimentales" por parte de reformistas filosóficos como William Gilbert y Francis Bacon , atrajo a un número significativo de seguidores en los años previos y posteriores a la muerte de Galileo, incluyendo a Evangelista Torricelli y los participantes de la Accademia del Cimento en Italia; Marin Mersenne y Blaise Pascal en Francia; Christiaan Huygens en los Países Bajos; y Robert Hooke y Robert Boyle en Inglaterra.

Johannes Kepler (1571-1630) fue un astrónomo , matemático , astrólogo y filósofo natural alemán , figura clave de la Revolución Científica del siglo XVII , conocido principalmente por sus leyes del movimiento planetario y sus libros Astronomia nova , Harmonice Mundi y Epitome Astronomiae Copernicanae , que influyeron, entre otros, en Isaac Newton , proporcionando uno de los fundamentos de su teoría de la gravitación universal . ^{[ 51 ]} La variedad e impacto de su obra convirtieron a Kepler en uno de los fundadores de la astronomía moderna , el método científico y las ciencias naturales y modernas . ^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}

Kepler estaba motivado en parte por su creencia de que existe un plan inteligible accesible a través de la razón . ^{[ 55 ]} Kepler describió su nueva astronomía como "física celestial", ^{[ 56 ]} como "una incursión en la Metafísica de Aristóteles ", ^{[ 57 ]} y como "un complemento a Sobre los cielos de Aristóteles " , ^{[ 58 ]} tratando la astronomía como parte de una física matemática universal. ^{[ 59 ]}

El filósofo francés René Descartes (1596-1650) estaba bien conectado con las redes de la filosofía experimental y ejercía una gran influencia dentro de ellas. Sin embargo, Descartes tenía un propósito: reemplazar la tradición filosófica escolástica. Cuestionando la realidad interpretada a través de los sentidos, buscaba restablecer las explicaciones filosóficas reduciendo todos los fenómenos al movimiento de un mar invisible de "corpúsculos". (Cabe destacar que excluyó el pensamiento humano y a Dios de su esquema, considerándolos separados del universo físico). Al proponer este marco filosófico, Descartes suponía que los diferentes tipos de movimiento, como el de los planetas frente al de los objetos terrestres, no eran fundamentalmente distintos, sino manifestaciones de una cadena interminable de movimientos corpusculares que obedecían a principios universales. Particularmente influyentes fueron sus explicaciones de los movimientos astronómicos circulares en términos del movimiento de vórtice de los corpúsculos en el espacio (Descartes argumentó, de acuerdo con las creencias, si no los métodos, de los escolásticos, que el vacío no podía existir), y su explicación de la gravedad en términos de corpúsculos que empujan los objetos hacia abajo. ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}

Descartes, al igual que Galileo, estaba convencido de la importancia de la explicación matemática, y tanto él como sus seguidores fueron figuras clave en el desarrollo de las matemáticas y la geometría en el siglo XVII. Las descripciones matemáticas cartesianas del movimiento sostenían que todas las formulaciones matemáticas debían justificarse en términos de acción física directa, una postura defendida por Christiaan Huygens y el filósofo alemán Gottfried Leibniz , quien, si bien seguía la tradición cartesiana, desarrolló su propia alternativa filosófica a la escolástica, que expuso en su obra de 1714, la Monadología . A Descartes se le ha llamado el "Padre de la Filosofía Moderna", y gran parte de la filosofía occidental posterior es una respuesta a sus escritos, que se estudian detenidamente hasta el día de hoy. En particular, sus Meditaciones sobre la Filosofía Primera siguen siendo un texto estándar en la mayoría de los departamentos de filosofía universitarios. La influencia de Descartes en las matemáticas es igualmente evidente; el sistema de coordenadas cartesianas  —que permite expresar ecuaciones algebraicas como figuras geométricas en un sistema de coordenadas bidimensional—  lleva su nombre. Se le considera el padre de la geometría analítica , el puente entre el álgebra y la geometría , fundamental para el descubrimiento del cálculo y el análisis .

El físico, matemático, astrónomo e inventor neerlandés Christiaan Huygens (1629-1695) fue el científico más destacado de Europa entre Galileo y Newton. Huygens provenía de una familia noble con una posición importante en la sociedad neerlandesa del siglo XVII, época en la que la República de los Países Bajos floreció económica y culturalmente. Este periodo  —aproximadamente entre 1588 y 1702—  de la historia de los Países Bajos se conoce como la Edad de Oro neerlandesa , una era durante la Revolución Científica en la que la ciencia neerlandesa fue una de las más aclamadas de Europa. En esta época, intelectuales y científicos como René Descartes, Baruch Spinoza , Pierre Bayle , Antonie van Leeuwenhoek , John Locke y Hugo Grocio residían en los Países Bajos. Fue en este entorno intelectual donde Christiaan Huygens creció. El padre de Christiaan, Constantijn Huygens , fue, además de un importante poeta, secretario y diplomático de los príncipes de Orange. Gracias a sus contactos e intereses intelectuales, conoció a muchos científicos de su época, entre ellos René Descartes y Marin Mersenne , y fue gracias a estos contactos que Christiaan Huygens tuvo conocimiento de su obra, especialmente la de Descartes, cuya filosofía mecanicista tendría una enorme influencia en la suya propia. Posteriormente, Descartes quedó impresionado por la destreza de Huygens en geometría, al igual que Mersenne, quien lo apodó "el nuevo Arquímedes" (lo que llevó a Constantijn a referirse a su hijo como "mi pequeño Arquímedes").

Niño prodigio, Huygens comenzó su correspondencia con Marin Mersenne a los 17 años. Su interés por los juegos de azar surgió al conocer la obra de Fermat , Blaise Pascal y Girard Desargues . Fue Pascal quien lo animó a escribir Van Rekeningh in Spelen van Gluck , que Frans van Schooten tradujo y publicó como De Ratiociniis in Ludo Aleae en 1657. Este libro constituye el primer estudio científico conocido sobre el tema y, en su momento, la presentación más coherente de un enfoque matemático de los juegos de azar. Dos años después, Huygens derivó geométricamente las fórmulas, ahora estándar en mecánica clásica, para la fuerza centrípeta y centrífuga en su obra De vi Centrifuga (1659). Casi al mismo tiempo, su investigación en relojería culminó con la invención del reloj de péndulo , un hito en la medición del tiempo y el cronómetro más preciso durante casi 300 años. La investigación teórica sobre el funcionamiento del péndulo condujo finalmente a la publicación de uno de sus logros más importantes: el Horologium Oscillatorium . Esta obra se publicó en 1673 y se convirtió en una de las tres obras más importantes del siglo XVII sobre mecánica (las otras dos son los Discursos y demostraciones matemáticas relativas a dos nuevas ciencias de Galileo (1638) y los Principia Mathematica de Newton (1687) ^{[ 63 ]} ). El Horologium Oscillatorium es el primer tratado moderno en el que un problema físico (el movimiento acelerado de un cuerpo en caída libre) se idealiza mediante un conjunto de parámetros que luego se analizan matemáticamente y constituye una de las obras seminales de las matemáticas aplicadas . ^{[ 64 ] [ 65 ]} Es por esta razón que Huygens ha sido llamado el primer físico teórico y uno de los fundadores de la física matemática moderna . ^{[ 66 ] [ 67 ]} El Horologium Oscillatorium de Huygens influyó en la obra de Isaac Newton, quien la admiraba. Por ejemplo, las leyes que Huygens describió en el Horologium Oscillatorium son estructuralmente las mismas que las dos primeras leyes del movimiento de Newton . ^{[ 68 ]}

Cinco años después de la publicación de su Horologium Oscillatorium , Huygens describió su teoría ondulatoria de la luz . Aunque la propuso en 1678, no se publicó hasta 1690 en su Traité de la Lumière . Su teoría matemática de la luz fue inicialmente rechazada en favor de la teoría corpuscular de la luz de Newton, hasta que Augustin-Jean Fresnel adoptó el principio de Huygens para dar una explicación completa de la propagación rectilínea y los efectos de difracción de la luz en 1821. Hoy en día, este principio se conoce como el principio de Huygens-Fresnel .

Como astrónomo, Huygens comenzó a pulir lentes con su hermano Constantijn Jr. para construir telescopios para la investigación astronómica. Fue el primero en identificar los anillos de Saturno como "un anillo delgado y plano, que no se toca en ningún punto y está inclinado con respecto a la eclíptica", y descubrió la primera de las lunas de Saturno, Titán , utilizando un telescopio refractor .

Huygens fue también el primero en aportar rigor matemático a la descripción de los fenómenos físicos. Debido a esto, y al hecho de que desarrolló marcos institucionales para la investigación científica en el continente, se le ha denominado "el principal actor en la 'creación de la ciencia en Europa ' " ^{[ 69 ].}

El físico y matemático de la Universidad de Cambridge , Sir Isaac Newton (1642-1727), fue miembro de la Royal Society of England y creó un sistema único para describir el funcionamiento del universo. Newton formuló tres leyes del movimiento que definían la relación entre el movimiento y los objetos, así como la ley de la gravitación universal , la cual podía utilizarse para explicar el comportamiento no solo de los cuerpos que caen a la Tierra, sino también de los planetas y otros cuerpos celestes. Para llegar a sus conclusiones, Newton inventó una rama completamente nueva de las matemáticas: el cálculo (también inventado independientemente por Gottfried Leibniz ), que se convertiría en una herramienta esencial en gran parte del desarrollo posterior de la mayoría de las ramas de la física. Los hallazgos de Newton se expusieron en su obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica («Principios matemáticos de la filosofía natural»), cuya publicación en 1687 marcó el comienzo de la era moderna de la mecánica y la astronomía.

Newton refutó la tradición mecanicista cartesiana que sostenía que todos los movimientos debían explicarse en función de la fuerza inmediata ejercida por los corpúsculos. Utilizando sus tres leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal, Newton descartó la idea de que los objetos siguieran trayectorias determinadas por formas naturales y, en cambio, demostró que todos los movimientos futuros de cualquier cuerpo podían deducirse matemáticamente a partir del conocimiento de su movimiento actual, su masa y las fuerzas que actuaban sobre él. Sin embargo, los movimientos celestes observados no se ajustaban con precisión a la explicación newtoniana, y Newton, quien también estaba profundamente interesado en la teología , imaginó que Dios intervenía para asegurar la estabilidad continua del sistema solar.

Los principios de Newton (pero no sus tratamientos matemáticos) resultaron controvertidos para los filósofos continentales, quienes consideraron inaceptable desde el punto de vista filosófico su falta de explicación metafísica del movimiento y la gravitación. Hacia 1700, se abrió una profunda brecha entre las tradiciones filosóficas continentales y británicas, avivada por las acaloradas, continuas y sumamente personales disputas entre los seguidores de Newton y Leibniz sobre la prioridad de las técnicas analíticas del cálculo, que cada uno había desarrollado de forma independiente. Inicialmente, las tradiciones cartesiana y leibniziana prevalecieron en el continente (lo que llevó al predominio de la notación del cálculo leibniziano en todas partes, excepto en Gran Bretaña). El propio Newton se mostró preocupado en privado por la falta de una comprensión filosófica de la gravitación, aunque insistió en sus escritos en que no era necesaria para inferir su realidad. A medida que avanzaba el siglo XVIII, los filósofos naturales continentales aceptaron cada vez más la disposición de los newtonianos a prescindir de explicaciones metafísicas ontológicas para los movimientos descritos matemáticamente. ^{[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]}

Newton construyó el primer telescopio reflector funcional ^{[ 73 ]} y desarrolló una teoría del color, publicada en Opticks , basada en la observación de que un prisma descompone la luz blanca en los muchos colores que forman el espectro visible . Mientras Newton explicaba la luz como compuesta de partículas diminutas, Christiaan Huygens presentó en 1690 una teoría rival de la luz que explicaba su comportamiento en términos de ondas. Sin embargo, la creencia en la filosofía mecanicista, junto con la reputación de Newton, hizo que la teoría ondulatoria recibiera relativamente poco apoyo hasta el siglo XIX. Newton también formuló una ley empírica de enfriamiento , estudió la velocidad del sonido , investigó las series de potencias , demostró el teorema del binomio generalizado y desarrolló un método para aproximar las raíces de una función . Su trabajo sobre series infinitas se inspiró en los decimales de Simon Stevin . ^{[ 74 ]} Lo más importante es que Newton demostró que los movimientos de los objetos en la Tierra y de los cuerpos celestes se rigen por el mismo conjunto de leyes naturales, que no eran ni caprichosas ni malévolas. Al demostrar la coherencia entre las leyes de Kepler sobre el movimiento planetario y su propia teoría de la gravitación, Newton también disipó las últimas dudas sobre el heliocentrismo. Al reunir todas las ideas planteadas durante la Revolución Científica, Newton sentó las bases de la sociedad moderna en matemáticas y ciencias.

Otras ramas de la física también recibieron atención durante el período de la Revolución Científica. William Gilbert , médico de la corte de la reina Isabel I , describió cómo la Tierra se comporta como un imán gigante. Robert Boyle (1627-1691) estudió el comportamiento de los gases encerrados en una cámara y formuló la ley de los gases que lleva su nombre ; además, contribuyó a la fisiología y a la fundación de la química moderna.

Otro factor en la Revolución Científica fue el surgimiento de sociedades y academias científicas en varios países. Las primeras de ellas se establecieron en Italia y Alemania y tuvieron una corta duración. Más influyentes fueron la Royal Society de Inglaterra (1660) y la Academia de Ciencias de Francia (1666). La primera era una institución privada en Londres e incluía a John Wallis , William Brouncker , Thomas Sydenham , John Mayow y Christopher Wren (quien contribuyó no solo a la arquitectura sino también a la astronomía y la anatomía); la segunda, en París, era una institución gubernamental e incluía como miembro extranjero al holandés Huygens. En el siglo XVIII, se establecieron importantes academias reales en Berlín (1700) y en San Petersburgo (1724). Las sociedades y academias proporcionaron las principales oportunidades para la publicación y discusión de resultados científicos durante y después de la revolución científica. En 1690, James Bernoulli demostró que la cicloide es la solución al problema de la tautócrona; Al año siguiente, en 1691, Johann Bernoulli demostró que una cadena suspendida libremente de dos puntos forma una catenaria , la curva con el centro de gravedad más bajo posible para cualquier cadena suspendida entre dos puntos fijos. Posteriormente, en 1696, demostró que la cicloide es la solución al problema de la braquistócrona .

Termodinámica temprana

Un precursor del motor fue diseñado por el científico alemán Otto von Guericke, quien, en 1650, diseñó y construyó la primera bomba de vacío del mundo para crear vacío , como se demostró en el experimento de los hemisferios de Magdeburgo . Su objetivo era crear vacío para refutar la antigua suposición de Aristóteles de que «la naturaleza aborrece el vacío» . Poco después, el físico y químico irlandés Boyle conoció los diseños de Guericke y, en 1656, en colaboración con el científico inglés Robert Hooke , construyó una bomba de aire. Utilizando esta bomba, Boyle y Hooke observaron la correlación presión-volumen para un gas: PV = k , donde P es la presión , V es el volumen y k es una constante; esta relación se conoce como la ley de Boyle . En aquel entonces, se asumía que el aire era un sistema de partículas inmóviles, y no se interpretaba como un sistema de moléculas en movimiento. El concepto de movimiento térmico surgió dos siglos después. Por lo tanto, la publicación de Boyle en 1660 habla de un concepto mecánico: el resorte neumático. ^{[ 75 ]} Más tarde, tras la invención del termómetro, se pudo cuantificar la propiedad de la temperatura. Esta herramienta le dio a Joseph Louis Gay-Lussac la oportunidad de derivar su ley , que poco después condujo a la ley de los gases ideales . Pero, ya antes del establecimiento de la ley de los gases ideales, un colaborador de Boyle llamado Denis Papin construyó en 1679 un digestor de huesos, que es un recipiente cerrado con una tapa hermética que confina el vapor hasta que se genera una alta presión.

Diseños posteriores implementaron una válvula de liberación de vapor para evitar que la máquina explotara. Al observar el movimiento rítmico de la válvula, Papin concibió la idea de un motor de pistón y cilindro. Sin embargo, no llevó a cabo su diseño. No obstante, en 1697, basándose en los diseños de Papin, el ingeniero Thomas Savery construyó el primer motor. Aunque estos primeros motores eran rudimentarios e ineficientes, atrajeron la atención de los científicos más destacados de la época. Por lo tanto, antes de 1698 y la invención del Motor Savery , se utilizaban caballos para accionar poleas, conectadas a cubos, que extraían agua de las minas de sal inundadas en Inglaterra. En los años siguientes, se construyeron más variantes de máquinas de vapor, como el Motor Newcomen y, posteriormente, el Motor Watt . Con el tiempo, estos primeros motores reemplazarían a los caballos. Así, cada motor comenzó a asociarse con una cierta cantidad de "caballos de fuerza" dependiendo de cuántos caballos había reemplazado. El principal problema de estos primeros motores era que eran lentos y torpes, convirtiendo menos del 2% del combustible de entrada en trabajo útil. En otras palabras, era necesario quemar grandes cantidades de carbón (o madera) para obtener una pequeña fracción de la fuerza motriz; así nació la necesidad de una nueva ciencia de la dinámica de los motores.

En 1714, Brook Taylor derivó la frecuencia fundamental de una cuerda vibrante estirada en términos de su tensión y masa por unidad de longitud resolviendo una ecuación diferencial . El matemático suizo Daniel Bernoulli (1700–1782) realizó importantes estudios matemáticos del comportamiento de los gases, anticipando la teoría cinética de los gases desarrollada más de un siglo después, y ha sido referido como el primer físico matemático. ^{[ 76 ]} En 1733, Daniel Bernoulli derivó la frecuencia fundamental y los armónicos de una cadena colgante resolviendo una ecuación diferencial. En 1734, Bernoulli resolvió la ecuación diferencial para las vibraciones de una barra elástica sujeta en un extremo. El tratamiento de Bernoulli de la dinámica de fluidos y su examen del flujo de fluidos se introdujo en su obra Hydrodynamica de 1738 .

La mecánica racional se ocupó principalmente del desarrollo de elaborados tratamientos matemáticos de los movimientos observados, utilizando los principios newtonianos como base, y enfatizó la mejora de la manejabilidad de los cálculos complejos y el desarrollo de medios legítimos de aproximación analítica. Un libro de texto contemporáneo representativo fue publicado por Johann Baptiste Horvath . A finales de siglo, los tratamientos analíticos eran lo suficientemente rigurosos como para verificar la estabilidad del Sistema Solar únicamente sobre la base de las leyes de Newton sin referencia a la intervención divina  , incluso cuando los tratamientos deterministas de sistemas tan simples como el problema de los tres cuerpos en la gravitación seguían siendo intratables. ^{[ 77 ]} En 1705, Edmond Halley predijo la periodicidad del cometa Halley , William Herschel descubrió Urano en 1781, y Henry Cavendish midió la constante gravitacional y determinó la masa de la Tierra en 1798. En 1783, John Michell sugirió que algunos objetos podrían ser tan masivos que ni siquiera la luz podría escapar de ellos.

En 1739, Leonhard Euler resolvió la ecuación diferencial ordinaria para un oscilador armónico forzado y observó el fenómeno de resonancia. En 1742, Colin Maclaurin descubrió sus esferoides autogravitantes que giraban uniformemente . Ese mismo año, Benjamin Robins publicó sus Nuevos Principios de Artillería , sentando las bases de la ciencia de la aerodinámica. El trabajo británico, llevado a cabo por matemáticos como Taylor y Maclaurin, se quedó rezagado con respecto a los avances continentales a medida que avanzaba el siglo. Mientras tanto, florecía el trabajo en las academias científicas del continente, lideradas por matemáticos como Bernoulli y Euler, así como por Joseph-Louis Lagrange , Pierre-Simon Laplace y Adrien-Marie Legendre . En 1743, Jean le Rond d'Alembert publicó su Traité de dynamique , en el que introdujo el concepto de fuerzas generalizadas para sistemas acelerados y sistemas con restricciones, y aplicó la nueva idea del trabajo virtual para resolver problemas dinámicos, ahora conocida como el principio de D'Alembert , como rival de la segunda ley del movimiento de Newton. En 1747, Pierre Louis Maupertuis aplicó los principios mínimos a la mecánica. En 1759, Euler resolvió la ecuación diferencial parcial para la vibración de un tambor rectangular. En 1764, Euler examinó la ecuación diferencial parcial para la vibración de un tambor circular y encontró una de las soluciones de la función de Bessel. En 1776, John Smeaton publicó un artículo sobre experimentos que relacionaban potencia, trabajo , momento y energía cinética , y que apoyaban la conservación de la energía . En 1788, Lagrange presentó sus ecuaciones de movimiento en Mécanique analytique , en la que toda la mecánica se organizó en torno al principio del trabajo virtual. En 1789, Antoine Lavoisier estableció la ley de conservación de la masa . La mecánica racional desarrollada en el siglo XVIII recibió exposiciones tanto en Mécanique analytique de Lagrange como en Traité de mécanique céleste de Laplace (1799-1825).

Durante el siglo XVIII, la termodinámica se desarrolló a través de las teorías de los " fluidos imponderables " sin peso, como el calor ("calórico"), la electricidad y el flogisto (concepto que fue rápidamente descartado tras la identificación del oxígeno gaseoso por Antoine Lavoisier a finales de siglo). Partiendo de la base de que estos conceptos eran fluidos reales, su flujo podía rastrearse mediante aparatos mecánicos o reacciones químicas. Esta tradición de experimentación condujo al desarrollo de nuevos tipos de aparatos experimentales, como la botella de Leyden ; y nuevos instrumentos de medición, como el calorímetro , y versiones mejoradas de los antiguos, como el termómetro . Los experimentos también produjeron nuevos conceptos, como la noción de calor latente del experimentador de la Universidad de Glasgow Joseph Black y la caracterización del fluido eléctrico por el intelectual de Filadelfia Benjamin Franklin como un flujo entre zonas de exceso y déficit (un concepto que posteriormente se reinterpretó en términos de cargas positivas y negativas ). Franklin también demostró que el rayo es electricidad en 1752.

La teoría aceptada del calor en el siglo XVIII lo consideraba una especie de fluido, llamado calor ; aunque posteriormente se demostró que esta teoría era errónea, varios científicos que la defendían realizaron importantes descubrimientos que fueron útiles para el desarrollo de la teoría moderna, entre ellos Joseph Black (1728-1799) y Henry Cavendish (1731-1810). En contraposición a esta teoría del calor, desarrollada principalmente por los químicos, existía la teoría menos aceptada, que databa de la época de Newton, según la cual el calor se debe al movimiento de las partículas de una sustancia. Esta teoría mecánica obtuvo respaldo en 1798 gracias a los experimentos de perforación de cañones del conde Rumford ( Benjamin Thompson ), quien halló una relación directa entre el calor y la energía mecánica.

Aunque a principios del siglo XVIII se reconoció que encontrar teorías absolutas de la fuerza electrostática y magnética similares a los principios de movimiento de Newton sería un logro importante, no se llegó a formular ninguna. Esta imposibilidad desapareció lentamente a medida que la práctica experimental se generalizó y se perfeccionó a principios del siglo XIX en lugares como la recién creada Royal Institution de Londres. Mientras tanto, los métodos analíticos de la mecánica racional comenzaron a aplicarse a fenómenos experimentales, siendo la más influyente el tratamiento analítico del flujo de calor del matemático francés Joseph Fourier , publicado en 1822. ^{[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]} Joseph Priestley propuso una ley eléctrica del inverso del cuadrado en 1767, y Charles-Augustin de Coulomb introdujo la ley del inverso del cuadrado de la electrostática en 1798.

A finales de siglo, los miembros de la Academia Francesa de Ciencias habían alcanzado un claro dominio en el campo. ^{[ 72 ] [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]} Al mismo tiempo, la tradición experimental establecida por Galileo y sus seguidores persistió. La Royal Society y la Academia Francesa de Ciencias fueron centros importantes para la realización y la divulgación de trabajos experimentales. Los experimentos en mecánica, óptica, magnetismo , electricidad estática , química y fisiología no se distinguían claramente entre sí durante el siglo XVIII, pero surgían diferencias significativas en los esquemas explicativos y, por lo tanto, en el diseño de experimentos. Los experimentadores químicos, por ejemplo, desafiaron los intentos de imponer un esquema de fuerzas newtonianas abstractas a las relaciones químicas y, en cambio, se centraron en el aislamiento y la clasificación de sustancias y reacciones químicas. ^{[ 84 ]}

En 1821, William Hamilton comenzó su análisis de la función característica de Hamilton. En 1835, enunció las ecuaciones canónicas de movimiento de Hamilton .

En 1813, Peter Ewart defendió la idea de la conservación de la energía en su artículo « Sobre la medida de la fuerza motriz» . En 1829, Gaspard Coriolis introdujo los términos trabajo (fuerza por distancia) y energía cinética con el significado que tienen hoy en día. En 1841, Julius Robert von Mayer , un científico aficionado , escribió un artículo sobre la conservación de la energía, aunque su falta de formación académica provocó su rechazo. En 1847, Hermann von Helmholtz enunció formalmente la ley de conservación de la energía.

En 1800, Alessandro Volta inventó la pila eléctrica (conocida como pila voltaica ) y, por lo tanto, mejoró la forma en que se podían estudiar las corrientes eléctricas. Un año después, Thomas Young demostró la naturaleza ondulatoria de la luz  —que recibió un fuerte respaldo experimental del trabajo de Augustin-Jean Fresnel—  y el principio de interferencia. En 1820, Hans Christian Ørsted descubrió que un conductor por el que circula corriente genera una fuerza magnética a su alrededor, y una semana después de que el descubrimiento de Ørsted llegara a Francia, André-Marie Ampère descubrió que dos corrientes eléctricas paralelas ejercen fuerzas entre sí. En 1821, Michael Faraday construyó un motor eléctrico, mientras que Georg Ohm enunció su ley de resistencia eléctrica en 1826, que expresa la relación entre voltaje, corriente y resistencia en un circuito eléctrico.

En 1831, Faraday (e independientemente Joseph Henry ) descubrió el efecto inverso, la producción de un potencial eléctrico o corriente a través del magnetismo  , conocido como inducción electromagnética ; estos dos descubrimientos son la base del motor eléctrico y del generador eléctrico, respectivamente.

En 1873, James Clerk Maxwell publicó *Tratado sobre electricidad y magnetismo* , que describía la transmisión de energía en forma de onda a través de un "éter luminífero" y sugería que la luz era una onda de este tipo. Esto se confirmó en 1888 cuando Heinrich Hertz, estudiante de Helmholtz , generó y detectó radiación electromagnética en el laboratorio. ^{[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]}

En el siglo XIX, Julius Robert von Mayer y James Prescott Joule establecieron cuantitativamente la relación entre calor y energía mecánica , midiendo el equivalente mecánico del calor en la década de 1840. En 1849, Joule publicó los resultados de su serie de experimentos (incluido el experimento de la rueda de paletas) que demostraban que el calor es una forma de energía, un hecho que se aceptó en la década de 1850. La relación entre calor y energía fue fundamental para el desarrollo de las máquinas de vapor, y en 1824 se publicó la obra experimental y teórica de Sadi Carnot . Carnot plasmó algunas ideas de la termodinámica en su análisis de la eficiencia de una máquina idealizada. El trabajo de Sadi Carnot sentó las bases para la formulación de la primera ley de la termodinámica  —una reformulación de la ley de conservación de la energía—  , enunciada alrededor de 1850 por William Thomson , posteriormente conocido como Lord Kelvin, y Rudolf Clausius . Lord Kelvin, quien en 1848 extendió el concepto de cero absoluto de los gases a todas las sustancias, se basó en la teoría de la ingeniería de Lazare Carnot , Sadi Carnot y Émile Clapeyron , así como en la experimentación de James Prescott Joule sobre la intercambiabilidad de las formas de trabajo mecánico, químico, térmico y eléctrico para formular la primera ley.

Kelvin y Clausius también enunciaron la segunda ley de la termodinámica , formulada originalmente en términos del hecho de que el calor no fluye espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente. Otras formulaciones surgieron rápidamente (por ejemplo, la segunda ley fue expuesta en la influyente obra de Thomson y Peter Guthrie Tait , Tratado de Filosofía Natural ), y Kelvin, en particular, comprendió algunas de las implicaciones generales de la ley. La segunda ley —la idea de que los gases están compuestos de moléculas en movimiento— había sido discutida con cierto detalle por Daniel Bernoulli en 1738, pero había caído en desuso y fue recuperada por Clausius en 1857. En 1850, Hippolyte Fizeau y Léon Foucault midieron la velocidad de la luz en el agua y descubrieron que es menor que en el aire, lo que apoyaba el modelo ondulatorio de la luz. En 1852, Joule y Thomson demostraron que un gas que se expande rápidamente se enfría, fenómeno que más tarde se denominó efecto Joule-Thomson o efecto Joule-Kelvin. Hermann von Helmholtz planteó la idea de la muerte térmica del universo en 1854, el mismo año en que Clausius estableció la importancia de dQ/T ( teorema de Clausius ) (aunque aún no le había dado nombre a la magnitud).

En 1860, James Clerk Maxwell desarrolló las fórmulas matemáticas de la distribución de velocidades de las moléculas de un gas, conocida hoy como la distribución de Maxwell-Boltzmann .

La teoría atómica de la materia fue propuesta nuevamente a principios del siglo XIX por el químico John Dalton y se convirtió en una de las hipótesis de la teoría cinético-molecular de los gases desarrollada por Clausius y James Clerk Maxwell para explicar las leyes de la termodinámica.

La teoría cinética, a su vez, condujo a un enfoque revolucionario de la ciencia: la mecánica estadística de Ludwig Boltzmann (1844-1906) y Josiah Willard Gibbs (1839-1903), que estudia la estadística de los microestados de un sistema y la utiliza para determinar su estado. Al interrelacionar la probabilidad estadística de ciertos estados de organización de estas partículas con la energía de dichos estados, Clausius reinterpretó la disipación de energía como la tendencia estadística de las configuraciones moleculares a transitar hacia estados cada vez más probables y desorganizados (acuñando el término " entropía " para describir la desorganización de un estado). Las interpretaciones estadística y absoluta de la segunda ley de la termodinámica dieron lugar a una disputa que duraría varias décadas (generando argumentos como el del " demonio de Maxwell ") y que no se consideraría resuelta definitivamente hasta que el comportamiento de los átomos se estableció firmemente a principios del siglo XX. ^{[ 89 ] [ 90 ]} En 1902, James Jeans encontró la escala de longitud necesaria para que las perturbaciones gravitacionales crecieran en un medio estático casi homogéneo.

En 1822, el botánico Robert Brown descubrió el movimiento browniano : los granos de polen en el agua experimentan un movimiento como resultado del bombardeo de los átomos o moléculas que se mueven rápidamente en el líquido.

En 1834, Carl Jacobi descubrió sus elipsoides autogravitantes que giraban uniformemente (el elipsoide de Jacobi ).

En 1834, John Russell observó una onda de agua solitaria no decreciente ( solitón ) en el Canal Union cerca de Edimburgo , Escocia, y utilizó un tanque de agua para estudiar la dependencia de las velocidades de las ondas de agua solitarias con respecto a la amplitud de la onda y la profundidad del agua. En 1835, Gaspard Coriolis examinó teóricamente la eficiencia mecánica de las ruedas hidráulicas y dedujo el efecto Coriolis . En 1842, Christian Doppler propuso el efecto Doppler .

En 1851, Léon Foucault demostró la rotación de la Tierra con un enorme péndulo ( péndulo de Foucault ).

En la primera mitad del siglo se produjeron importantes avances en la mecánica de medios continuos , en particular la formulación de las leyes de elasticidad para los sólidos y el descubrimiento de las ecuaciones de Navier-Stokes para los fluidos.

En el siglo XIX, los experimentadores comenzaron a detectar formas inesperadas de radiación: Wilhelm Röntgen causó sensación con su descubrimiento de los rayos X en 1895; en 1896, Henri Becquerel descubrió que ciertos tipos de materia emiten radiación por sí mismos. En 1897, J.J. Thomson descubrió el electrón , y los nuevos elementos radiactivos hallados por Marie y Pierre Curie plantearon interrogantes sobre el átomo supuestamente indestructible y la naturaleza de la materia. Marie y Pierre acuñaron el término " radiactividad " para describir esta propiedad de la materia y aislaron los elementos radiactivos radio y polonio . Ernest Rutherford y Frederick Soddy identificaron dos de las formas de radiación de Becquerel con los electrones y el elemento helio . Rutherford identificó y nombró dos tipos de radiactividad y, en 1911, interpretó la evidencia experimental como una demostración de que el átomo consiste en un núcleo denso con carga positiva rodeado de electrones con carga negativa. Sin embargo, la teoría clásica predijo que esta estructura debería ser inestable. La teoría clásica tampoco logró explicar satisfactoriamente otros dos resultados experimentales que aparecieron a finales del siglo XIX. Uno de ellos fue la demostración de Albert A. Michelson y Edward W. Morley  —conocida como el experimento de Michelson-Morley—  que mostró que no parecía existir un marco de referencia preferido , en reposo con respecto al hipotético éter luminífero , para describir los fenómenos electromagnéticos. Los estudios de radiación y desintegración radiactiva continuaron siendo un foco preeminente para la investigación física y química hasta la década de 1930, cuando el descubrimiento de la fisión nuclear por Lise Meitner y Otto Frisch abrió el camino a la explotación práctica de lo que se denominó energía "atómica" .

En 1905, un físico alemán de 26 años llamado Albert Einstein (entonces empleado de patentes en Berna , Suiza) demostró cómo las mediciones de tiempo y espacio se ven afectadas por el movimiento entre un observador y lo observado. La radical teoría de la relatividad de Einstein revolucionó la ciencia. Aunque Einstein realizó muchas otras contribuciones importantes a la ciencia, la teoría de la relatividad por sí sola es uno de los mayores logros intelectuales de todos los tiempos. Si bien el concepto de relatividad no fue introducido por Einstein, reconoció que la velocidad de la luz en el vacío es constante, es decir, la misma para todos los observadores, y un límite superior absoluto para la velocidad. Esto no afecta la vida cotidiana de una persona, ya que la mayoría de los objetos viajan a velocidades mucho menores que la de la luz. Sin embargo, para los objetos que viajan cerca de la velocidad de la luz, la teoría de la relatividad muestra que los relojes asociados con esos objetos funcionarán más lentamente y que los objetos se acortan en longitud según las mediciones de un observador en la Tierra. Einstein también derivó la ecuación ^E = mc² , que expresa la equivalencia entre masa y energía .

relatividad general

En 1916, Einstein logró generalizar aún más esta teoría, abarcando todos los estados de movimiento, incluyendo la aceleración no uniforme, lo que dio origen a la teoría general de la relatividad. En esta teoría, Einstein también especificó un nuevo concepto: la curvatura del espacio-tiempo, que describía el efecto gravitatorio en cada punto del espacio. La curvatura del espacio-tiempo reemplazó la ley de gravitación universal de Newton. Según Einstein, la fuerza gravitatoria en el sentido convencional es una ilusión causada por la geometría del espacio. La presencia de una masa provoca una curvatura del espacio-tiempo en sus proximidades, y esta curvatura determina la trayectoria espacio-temporal que siguen todos los objetos en movimiento libre. Esta teoría también predijo que la luz estaría sujeta a la gravedad  , lo cual fue verificado experimentalmente. Este aspecto de la relatividad explicó el fenómeno de la luz que se curva alrededor del Sol, predijo la existencia de agujeros negros y las propiedades de la radiación cósmica de fondo de microondas  , un descubrimiento que generó anomalías fundamentales en la hipótesis clásica del estado estacionario. Por su trabajo sobre la relatividad, el efecto fotoeléctrico y la radiación del cuerpo negro, Einstein recibió el Premio Nobel en 1921.

La aceptación gradual de las teorías de la relatividad de Einstein y la naturaleza cuantizada de la transmisión de la luz, así como del modelo atómico de Niels Bohr, generó tantos problemas como soluciones, lo que impulsó un esfuerzo a gran escala por restablecer la física sobre nuevos principios fundamentales. Al extender la relatividad a casos de sistemas de referencia acelerados (la " teoría general de la relatividad ") en la década de 1910, Einstein postuló una equivalencia entre la fuerza de aceleración inercial y la fuerza de gravedad, lo que llevó a la conclusión de que el espacio es curvo y de tamaño finito, y a la predicción de fenómenos como las lentes gravitacionales y la distorsión del tiempo en campos gravitacionales.

Aunque la relatividad resolvió el conflicto sobre los fenómenos electromagnéticos demostrado por Michelson y Morley, un segundo problema teórico fue la explicación de la distribución de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro ; el experimento mostró que en longitudes de onda más cortas, hacia el extremo ultravioleta del espectro, la energía se aproximaba a cero, pero la teoría clásica predecía que debería volverse infinita. Esta flagrante discrepancia, conocida como la catástrofe ultravioleta , fue resuelta por la nueva teoría de la mecánica cuántica . La mecánica cuántica es la teoría de los átomos y los sistemas subatómicos. Aproximadamente los primeros 30 años del siglo XX representan el tiempo de concepción y evolución de la teoría. Las ideas básicas de la teoría cuántica fueron introducidas en 1900 por Max Planck (1858-1947), quien recibió el Premio Nobel de Física en 1918 por su descubrimiento de la naturaleza cuantificada de la energía. La teoría cuántica (que anteriormente se basaba en la "correspondencia" a gran escala entre el mundo cuantizado del átomo y las continuidades del mundo " clásico ") fue aceptada cuando el efecto Compton estableció que la luz transporta momento y puede dispersarse en las partículas, y cuando Louis de Broglie afirmó que la materia puede verse como comportándose como una onda de manera muy similar a como las ondas electromagnéticas se comportan como partículas ( dualidad onda-partícula ).

En 1905, Einstein utilizó la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico, y en 1913 el físico danés Niels Bohr utilizó la misma constante para explicar la estabilidad del átomo de Rutherford , así como las frecuencias de luz emitidas por el gas hidrógeno. La teoría cuantizada del átomo dio paso a una mecánica cuántica a gran escala en la década de 1920. Los nuevos principios de una mecánica "cuántica" en lugar de una "clásica", formulados en forma matricial por Werner Heisenberg , Max Born y Pascual Jordan en 1925, se basaron en la relación probabilística entre "estados" discretos y negaron la posibilidad de causalidad . La mecánica cuántica fue desarrollada extensamente por Heisenberg, Wolfgang Pauli , Paul Dirac y Erwin Schrödinger , quien estableció una teoría equivalente basada en ondas en 1926; pero el " principio de incertidumbre " de Heisenberg de 1927 (que indicaba la imposibilidad de medir con precisión y simultáneamente la posición y el momento) y la " interpretación de Copenhague " de la mecánica cuántica (llamada así por la ciudad natal de Bohr) continuaron negando la posibilidad de causalidad fundamental, aunque oponentes como Einstein afirmarían metafóricamente que "Dios no juega a los dados con el universo". ^{[ 92 ]} La nueva mecánica cuántica se convirtió en una herramienta indispensable en la investigación y explicación de fenómenos a nivel atómico. También en la década de 1920, el trabajo del científico indio Satyendra Nath Bose sobre fotones y mecánica cuántica proporcionó la base para la estadística de Bose-Einstein , la teoría del condensado de Bose-Einstein .

El teorema de espín-estadística estableció que cualquier partícula en mecánica cuántica puede ser un bosón (estadísticamente de Bose-Einstein) o un fermión (estadísticamente de Fermi-Dirac ). Posteriormente se descubrió que todos los bosones fundamentales transmiten fuerzas, como el fotón que transmite el electromagnetismo.

Los fermiones son partículas "como electrones y nucleones" y son los constituyentes habituales de la materia . La estadística de Fermi-Dirac encontró posteriormente numerosos otros usos, desde la astrofísica (véase Materia degenerada ) hasta el diseño de semiconductores .

Las diferencias conceptuales entre las teorías físicas discutidas en el siglo XIX y las que tuvieron mayor relevancia histórica en las primeras décadas del siglo XX llevaron a caracterizar las ciencias anteriores como "física clásica", mientras que el trabajo basado en las teorías cuánticas y de la relatividad se conoció como "física moderna". Inicialmente aplicada a la mecánica, como en "mecánica clásica", la división acabó por caracterizar los efectos cuánticos y relativistas. ^{[ 93 ] : 411} Esta caracterización fue impulsada inicialmente por físicos como Max Planck y Hendrik Lorentz , científicos consagrados que, sin embargo, observaron problemas que las teorías establecidas no podían explicar. Su participación y contribuciones a la Conferencia Solvay de 1911 llevaron a la introducción de esta división como concepto. ^{[ 94 ] : 558}

Esta división se refleja en los títulos de muchos libros de texto de física. Por ejemplo, el prefacio de Mecánica clásica de Goldstein explica por qué el tema sigue siendo relevante para los estudiantes de física. ^{[ 95 ]} En Conceptos de física moderna, Arthur Beiser comienza con una definición de física moderna: ^{[ 96 ]}

La física moderna comenzó en 1900 con el descubrimiento de Max Planck sobre el papel de la cuantización de la energía en la radiación del cuerpo negro, una idea revolucionaria a la que pronto siguieron la teoría de la relatividad y la teoría cuántica de la luz de Albert Einstein, igualmente revolucionarias.

La obra de Kenneth Krane, Física moderna, comienza un texto sobre teorías cuánticas y de la relatividad con algunas páginas sobre las deficiencias de la física clásica. ^{[ 97 ] : 3} ET La obra de dos volúmenes de Whittaker, Historia de las teorías del éter y la electricidad, subtitula el primer volumen Las teorías clásicas y el segundo Las teorías modernas (1900–1926). ^{[ 98 ]}

Mientras los pensadores filosóficos continuaban debatiendo la naturaleza fundamental del universo, se seguían desarrollando teorías cuánticas, comenzando con la formulación de una teoría cuántica relativista por Paul Dirac en 1928. Sin embargo, los intentos de cuantizar completamente la teoría electromagnética se vieron frustrados durante la década de 1930 por formulaciones teóricas que arrojaban energías infinitas. Esta situación no se consideró resuelta adecuadamente hasta después de la Segunda Guerra Mundial , cuando Julian Schwinger , Richard Feynman y Sin-Itiro Tomonaga postularon independientemente la técnica de renormalización , que permitió el establecimiento de una electrodinámica cuántica (QED) robusta. ^{[ 99 ]}

Mientras tanto, proliferaron nuevas teorías de partículas fundamentales con el auge de la idea de la cuantización de campos mediante " fuerzas de intercambio " reguladas por un intercambio de partículas "virtuales" de corta duración , cuya existencia se regía por las leyes que rigen las incertidumbres inherentes al mundo cuántico. En particular, Hideki Yukawa propuso que las cargas positivas del núcleo se mantenían unidas gracias a una fuerza potente pero de corto alcance mediada por una partícula con una masa intermedia entre la del electrón y la del protón . Esta partícula, el " pión ", fue identificada en 1947 como parte de una serie de partículas descubiertas tras la Segunda Guerra Mundial. Inicialmente, estas partículas se encontraron como radiación ionizante dejada por los rayos cósmicos , pero cada vez se producían más en aceleradores de partículas más modernos y potentes . ^{[ 100 ]}

Fuera de la física de partículas, los avances más significativos de la época fueron:

• la invención del láser ( Premio Nobel de Física de 1964 );
• La investigación teórica y experimental de la superconductividad , especialmente la invención de una teoría cuántica de la superconductividad por Vitaly Ginzburg y Lev Landau (Premio Nobel de Física de 1962) y, posteriormente, su explicación mediante pares de Cooper (Premio Nobel de Física de 1972). El par de Cooper fue un ejemplo temprano de cuasipartículas .

Einstein consideró que todas las interacciones fundamentales de la naturaleza podían explicarse mediante una sola teoría. Las teorías de campo unificadas fueron numerosos intentos de «fusionar» diversas interacciones. Una de las muchas formulaciones de dichas teorías (así como de las teorías de campo en general) es la teoría de gauge , una generalización del concepto de simetría. Finalmente, el Modelo Estándar (véase más abajo) logró unificar las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Todos los intentos de unificar la gravitación con algún otro fenómeno fracasaron.

Cuando Chien-Shiung Wu rompió la paridad en las interacciones débiles en su experimento , se produjo una serie de descubrimientos posteriores. ^{[ 102 ]} La interacción de estas partículas por dispersión y desintegración proporcionó una clave para nuevas teorías cuánticas fundamentales. Murray Gell-Mann y Yuval Ne'eman pusieron cierto orden en estas nuevas partículas clasificándolas según ciertas cualidades, comenzando con lo que Gell-Mann denominó la " Vía Óctuple ". Si bien su desarrollo posterior, el modelo de quarks , inicialmente pareció inadecuado para describir las fuerzas nucleares fuertes , lo que permitió el surgimiento temporal de teorías competidoras como la Matriz S , el establecimiento de la cromodinámica cuántica en la década de 1970 finalizó un conjunto de partículas fundamentales y de intercambio, lo que permitió el establecimiento de un "modelo estándar" basado en las matemáticas de la invariancia de gauge , que describió con éxito todas las fuerzas excepto la gravitación, y que sigue siendo generalmente aceptado dentro de su dominio de aplicación. ^{[ 92 ]}

El Modelo Estándar, basado en la teoría de Yang-Mills ^{[ 103 ],} agrupa la teoría de la interacción electrodébil y la cromodinámica cuántica en una estructura denominada grupo de gauge SU(3)×SU(2)×U(1). La formulación de la unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles en el modelo estándar se debe a Abdus Salam , Steven Weinberg y, posteriormente, a Sheldon Glashow . La teoría electrodébil fue confirmada experimentalmente más tarde (mediante la observación de corrientes débiles neutras ) ^{[ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]} y distinguida con el Premio Nobel de Física de 1979 ^{[ 108 ] .}

Desde la década de 1970, la física fundamental de partículas ha aportado información valiosa sobre la cosmología del universo primitivo , en particular la teoría del Big Bang, propuesta como consecuencia de la teoría general de la relatividad de Einstein . Sin embargo, a partir de la década de 1990, las observaciones astronómicas también han planteado nuevos desafíos, como la necesidad de nuevas explicaciones de la estabilidad galáctica (" materia oscura ") y la aparente aceleración en la expansión del universo (" energía oscura ").

Si bien los aceleradores han confirmado la mayoría de los aspectos del Modelo Estándar al detectar las interacciones de partículas esperadas a diversas energías de colisión, aún no se ha encontrado ninguna teoría que concilie la relatividad general con el Modelo Estándar, aunque muchos teóricos consideraban la supersimetría y la teoría de cuerdas como una vía prometedora. Sin embargo, el Gran Colisionador de Hadrones , que comenzó a operar en 2008, no ha encontrado ninguna evidencia que respalde la supersimetría y la teoría de cuerdas. ^{[ 109 ]}

Se puede decir que la cosmología se convirtió en una cuestión de investigación seria con la publicación de la Teoría General de la Relatividad de Einstein en 1915, aunque no se incorporó a la corriente principal científica hasta el período conocido como la " edad de oro de la relatividad general ".

Aproximadamente una década después, en medio de lo que se denominó el " Gran Debate ", Edwin Hubble y Vesto Slipher descubrieron la expansión del universo en la década de 1920 midiendo el corrimiento al rojo de los espectros Doppler de las nebulosas galácticas. Utilizando la relatividad general de Einstein, Georges Lemaître y George Gamow formularon lo que se conocería como la teoría del Big Bang . Una teoría rival, llamada teoría del estado estacionario , fue ideada por Fred Hoyle , Thomas Gold , Jayant Narlikar y Hermann Bondi .

La radiación cósmica de fondo de microondas fue verificada en la década de 1960 por Arno Allan Penzias y Robert Woodrow Wilson , y este descubrimiento favoreció la teoría del Big Bang en detrimento del escenario de estado estacionario. Posteriormente, George Smoot et al. (1989), entre otros colaboradores, utilizaron datos de los satélites Cosmic Background Explorer (CoBE) y Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) para refinar estas observaciones. En la década de 1980 (la misma década de las mediciones de COBE) también se presentó la propuesta de la teoría de la inflación por Alan Guth .

Recientemente, los problemas de la materia oscura y la energía oscura se han situado en lo más alto de la agenda cosmológica.

El 4 de julio de 2012, físicos que trabajaban en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula subatómica muy parecida al bosón de Higgs , una clave potencial para comprender por qué las partículas elementales tienen masa y, de hecho, para la existencia de diversidad y vida en el universo. ^{[ 110 ]} Por ahora, algunos físicos la denominan partícula "similar al bosón de Higgs". ^{[ 110 ]} Joe Incandela , de la Universidad de California, Santa Bárbara , dijo: "Es algo que, al final, podría ser una de las mayores observaciones de cualquier fenómeno nuevo en nuestro campo en los últimos 30 o 40 años, remontándonos al descubrimiento de los quarks , por ejemplo". ^{[ 110 ]} Michael Turner , cosmólogo de la Universidad de Chicago y presidente de la junta del centro de física, dijo:

"Este es un momento crucial para la física de partículas y una encrucijada: ¿será este el punto álgido o será el primero de muchos descubrimientos que nos encaminen hacia la solución de las grandes preguntas que nos hemos planteado?"

Peter Higgs fue uno de los seis físicos, que trabajaban en tres grupos independientes, que en 1964 inventaron el concepto del campo de Higgs ("melaza cósmica"). Los otros fueron Tom Kibble del Imperial College de Londres ; Carl Hagen de la Universidad de Rochester ; Gerald Guralnik de la Universidad de Brown ; y François Englert y Robert Brout , ambos de la Université libre de Bruxelles . ^{[ 110 ]}

Aunque nunca se han observado, los campos tipo Higgs desempeñan un papel importante en las teorías del universo y en la teoría de cuerdas. Bajo ciertas condiciones, según la peculiar explicación de la física einsteiniana, pueden impregnarse de energía que ejerce una fuerza antigravitatoria. Se ha propuesto que dichos campos sean la fuente de una enorme explosión de expansión, conocida como inflación, en los inicios del universo y, posiblemente, el secreto de la energía oscura que ahora parece estar acelerando la expansión del universo. ^{[ 110 ]}

Con el aumento de la accesibilidad y el perfeccionamiento de las técnicas analíticas avanzadas en el siglo XIX, la física se definió tanto, o incluso más, por dichas técnicas que por la búsqueda de principios universales del movimiento y la energía, y la naturaleza fundamental de la materia. Campos como la acústica , la geofísica , la astrofísica , la aerodinámica , la física de plasmas , la física de bajas temperaturas y la física del estado sólido se unieron a la óptica, la dinámica de fluidos , el electromagnetismo y la mecánica como áreas de investigación física. En el siglo XX, la física también se alió estrechamente con campos como la ingeniería eléctrica , aeroespacial y de materiales , y los físicos comenzaron a trabajar tanto en laboratorios gubernamentales e industriales como en entornos académicos. Tras la  Segunda Guerra Mundial, la población de físicos aumentó drásticamente y se concentró en Estados Unidos, mientras que, en las últimas décadas, la física se ha convertido en una disciplina más internacional que en cualquier otro momento de su historia.

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