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, ^{[ 7 ]} 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 . ^{[ 11 ]} Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que muestran conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, ^{[ 12 ]} 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 . ^{[ 13 ]}

La filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante el período Arcaico (650 a. C. – 480 a. C.), cuando filósofos presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones no naturalistas de los fenómenos naturales y proclamaron que todo evento tenía una causa natural. ^{[ 14 ]} Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas de sus hipótesis resultaron exitosas en la experimentación; ^{[ 15 ]} por ejemplo, el atomismo se demostró correcto aproximadamente 2000 años después de que fuera propuesto por Leucipo y su discípulo Demócrito . ^{[ 16 ]}

Durante el período clásico en Grecia (siglos VI, V y IV a. C.) y en la época helenística , la filosofía natural se desarrolló a lo largo de numerosas líneas de investigación. Aristóteles ( en griego : Ἀριστοτέλης , Aristotélēs ) (384-322 a. C.), discípulo de Platón , escribió sobre diversos temas, incluyendo un extenso tratado sobre física  en el siglo IV a. C. La física aristotélica influyó durante aproximadamente dos milenios. Su enfoque combinaba la observación limitada con argumentos lógicos deductivos, pero no se basaba en la verificación experimental de las afirmaciones deducidas. La obra fundamental de Aristóteles en física, aunque muy imperfecta, sentó las bases para el desarrollo posterior de este campo por parte de pensadores más avanzados. Su enfoque ha quedado completamente obsoleto en la actualidad.

Explicó ideas como el movimiento (y la gravedad ) con la teoría de los cuatro elementos . Aristóteles creía que cada uno de los cuatro elementos clásicos (aire, fuego, agua, tierra) tenía su propio lugar natural. ^{[ 17 ]} Debido a sus diferentes densidades, cada elemento volverá a su lugar específico en la atmósfera. ^{[ 18 ]} Así, debido a sus pesos, el fuego estaría arriba, el aire debajo del fuego, luego el agua y, por último, la tierra. También afirmó que cuando una pequeña cantidad de un elemento entra en el lugar natural de otro, el elemento menos abundante irá automáticamente hacia su propio lugar natural. Por ejemplo, si hay fuego en el suelo, las llamas suben al aire en un intento de volver a su lugar natural al que pertenece. Sus leyes del movimiento incluían: que los objetos más pesados ​​caerán más rápido, siendo la velocidad proporcional al peso y la velocidad del objeto que cae depende inversamente de la densidad del objeto a través del cual cae (por ejemplo, la densidad del aire). ^{[ 19 ]} También afirmó que, cuando se trata de movimiento violento (movimiento de un objeto cuando se le aplica una fuerza por un segundo objeto), la velocidad que se mueve ese objeto será tan rápida o fuerte como la medida de la fuerza aplicada a él. ^{[ 19 ]} El problema del movimiento y sus causas fue estudiado cuidadosamente, lo que condujo a la noción filosófica de un " motor primario " como la fuente última de todo movimiento en el mundo (Libro 8 de su tratado Física ).

El Imperio Romano de Occidente cayó ante los invasores y la decadencia interna en el siglo V, lo que provocó un declive en las actividades intelectuales en Europa occidental. Por el contrario, el Imperio Romano de Oriente (generalmente conocido como Imperio Bizantino ) resistió los ataques de los invasores y continuó impulsando diversos campos del saber, incluida la física. ^{[ 21 ]} En el siglo VI, Juan Filopono cuestionó el enfoque aristotélico dominante de la ciencia, aunque gran parte de su obra se centró en la teología cristiana. ^{[ 22 ]}

En el siglo VI, Isidoro de Mileto creó una importante compilación de las obras de Arquímedes , que se reproducen en el Palimpsesto de Arquímedes . La erudición islámica heredó la física aristotélica de los griegos y, durante la Edad de Oro islámica, la desarrolló aún más.

Las innovaciones más notables de la erudición islámica se dieron en el campo de la óptica y la visión, ^{[ 23 ]} que surgieron de las obras de muchos científicos como Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi y Avicena . En su Libro de Óptica (también conocido como Kitāb al-Manāẓir), Ibn al-Haytham presentó la idea de los rayos de luz como una alternativa a la antigua idea griega sobre los rayos visuales. Al igual que Ptolomeo, Ibn al-Haytham aplicó experimentos controlados, verificando las leyes de refracción y reflexión con el nuevo concepto de rayos de luz, pero aún carecía del concepto de formación de imágenes. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

La física se convirtió en una ciencia independiente cuando los primeros europeos de la Edad Moderna utilizaron métodos experimentales y cuantitativos para descubrir lo que ahora se consideran las leyes de la física . ^{[ 27 ]}

Entre los principales avances de este período se incluyen la sustitución del modelo geocéntrico del Sistema Solar por el modelo heliocéntrico copernicano , las leyes que rigen el movimiento de los cuerpos planetarios (determinadas por Johannes Kepler entre 1609 y 1619), el trabajo pionero de Galileo sobre telescopios y astronomía observacional en los siglos XVI y XVII, y el descubrimiento y la unificación por parte de Isaac Newton de las leyes del movimiento y la gravitación universal (que llevarían su nombre). ^{[ 28 ]} Newton, y por separado Gottfried Wilhelm Leibniz , desarrollaron el cálculo , ^{[ 29 ]} el estudio matemático del cambio continuo, y Newton lo aplicó para resolver problemas físicos. ^{[ 30 ]}

• 
  Galileo Galilei (1564–1642) relacionó las matemáticas, la física teórica y la física experimental.
• 
  Johannes Kepler (1571–1630) explicó los movimientos planetarios , formulando las primeras "leyes naturales" en el sentido moderno ^{[ 31 ].}
• 
  Isaac Newton descubrió las leyes del movimiento y la gravitación universal.

El descubrimiento de leyes en termodinámica , química y electromagnetismo fue resultado de los esfuerzos de investigación durante la Revolución Industrial , a medida que aumentaban las necesidades energéticas. ^{[ 32 ]} A finales del siglo XIX, las teorías de la termodinámica, la mecánica y el electromagnetismo coincidían con una amplia variedad de observaciones. En conjunto, estas teorías se convirtieron en la base de lo que más tarde se denominaría física clásica . ^{[ 33 ] : 2}

Algunos resultados experimentales permanecieron inexplicables. El electromagnetismo clásico presuponía un medio, un éter luminífero, para sustentar la propagación de ondas, pero este medio no pudo detectarse. La intensidad de la luz de los cuerpos negros calientes y brillantes no coincidía con las predicciones de la termodinámica y el electromagnetismo. El carácter de la emisión de electrones de los metales iluminados difería de las predicciones. Estos fallos, aparentemente insignificantes en el contexto general, conmocionarían al mundo de la física en las dos primeras décadas del siglo XX. ^{[ 33 ]}

La física moderna comenzó a principios del siglo XX con el trabajo de Max Planck en la teoría cuántica y la teoría de la relatividad de Albert Einstein . Ambas teorías surgieron debido a imprecisiones en la mecánica clásica en ciertas situaciones. La mecánica clásica predecía que la velocidad de la luz depende del movimiento del observador, lo cual no podía resolverse con la velocidad constante predicha por las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo. Esta discrepancia fue corregida por la teoría de la relatividad especial de Einstein , que reemplazó la mecánica clásica para cuerpos en movimiento rápido y permitió una velocidad constante de la luz. ^{[ 37 ]} La radiación de cuerpo negro planteó otro problema para la física clásica, que se corrigió cuando Planck propuso que la excitación de osciladores materiales solo es posible en pasos discretos proporcionales a su frecuencia . Esto, junto con el efecto fotoeléctrico y una teoría completa que predice niveles de energía discretos de los orbitales electrónicos , condujo a que la teoría de la mecánica cuántica mejorara la física clásica a escalas muy pequeñas. ^{[ 38 ]}

La mecánica cuántica sería impulsada por Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger y Paul Dirac . ^{[ 38 ]} A partir de este trabajo inicial, y del trabajo en campos relacionados, se derivó el Modelo Estándar de la física de partículas . ^{[ 39 ]} Tras el descubrimiento de una partícula con propiedades consistentes con el bosón de Higgs en el CERN en 2012, ^{[ 40 ]} todas las partículas fundamentales predichas por el Modelo Estándar, y ninguna otra, parecen existir; sin embargo, la física más allá del Modelo Estándar , con teorías como la supersimetría , es un área activa de investigación. ^{[ 41 ]} Áreas de las matemáticas en general son importantes para este campo, como el estudio de probabilidades y grupos .

En las primeras décadas del siglo XX, la física se revolucionó con los descubrimientos de la mecánica cuántica y la relatividad. Los cambios fueron tan fundamentales que estos nuevos conceptos se convirtieron en la base de la "física moderna", mientras que otros temas pasaron a ser "física clásica". La mayoría de las aplicaciones de la física son esencialmente clásicas. ^{[ 42 ] : xxxi} Las leyes de la física clásica describen con precisión sistemas cuyas escalas de longitud importantes son mayores que la escala atómica y cuyos movimientos son mucho más lentos que la velocidad de la luz. ^{[ 42 ] : xxxii} Fuera de este dominio, las observaciones no coinciden con las predicciones proporcionadas por la mecánica clásica. ^{[ 33 ] : 6}

La física clásica incluye las ramas y temas tradicionales que fueron reconocidos y bien desarrollados antes del comienzo del siglo XX: mecánica clásica, termodinámica y electromagnetismo. ^{[ 33 ] : 2} La mecánica clásica se ocupa de los cuerpos sobre los que actúan fuerzas y de los cuerpos en movimiento y puede dividirse en estática (estudio de las fuerzas sobre un cuerpo o cuerpos que no están sujetos a una aceleración), cinemática (estudio del movimiento sin tener en cuenta sus causas) y dinámica (estudio del movimiento y las fuerzas que lo afectan); la mecánica también puede dividirse en mecánica de sólidos y mecánica de fluidos (conocidas juntas como mecánica de medios continuos ), esta última incluye ramas tales como hidrostática , hidrodinámica y neumática . La acústica es el estudio de cómo se produce, controla, transmite y recibe el sonido. ^{[ 43 ]} Las ramas modernas importantes de la acústica incluyen los ultrasonidos , el estudio de las ondas sonoras de muy alta frecuencia más allá del rango de audición humana; la bioacústica , la física de las llamadas y la audición de los animales; ^{[ 44 ]} y la electroacústica , la manipulación de ondas sonoras audibles mediante electrónica. ^{[ 45 ]}

La óptica, el estudio de la luz, se ocupa no solo de la luz visible , sino también de la radiación infrarroja y ultravioleta , que exhiben todos los fenómenos de la luz visible excepto la visibilidad, por ejemplo, reflexión, refracción, interferencia, difracción, dispersión y polarización de la luz. El calor es una forma de energía, la energía interna que poseen las partículas que componen una sustancia; la termodinámica se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. La electricidad y el magnetismo se han estudiado como una sola rama de la física desde que se descubrió la estrecha conexión entre ellos a principios del siglo XIX; una corriente eléctrica da lugar a un campo magnético , y un campo magnético variable induce una corriente eléctrica. La electrostática se ocupa de las cargas eléctricas en reposo, la electrodinámica de las cargas en movimiento y la magnetostática de los polos magnéticos en reposo.

El descubrimiento de la relatividad y de la mecánica cuántica en las primeras décadas del siglo XX transformó la base conceptual de la física sin reducir el valor práctico de la mayoría de las teorías físicas desarrolladas hasta ese momento. En consecuencia, los temas de la física se han dividido en "física clásica" y "física moderna", incluyendo esta última categoría los efectos relacionados con la mecánica cuántica y la relatividad. ^{[ 33 ] : 2} La física clásica generalmente se ocupa de la materia y la energía en la escala normal de observación, mientras que gran parte de la física moderna se ocupa del comportamiento de la materia y la energía en condiciones extremas o en una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo, la física atómica y nuclear estudia la materia en la escala más pequeña en la que se pueden identificar los elementos químicos . La física de partículas elementales se encuentra en una escala aún menor, ya que se ocupa de las unidades más básicas de la materia; esta rama de la física también se conoce como física de altas energías debido a las energías extremadamente altas necesarias para producir muchos tipos de partículas en aceleradores de partículas . En esta escala, las nociones ordinarias y de sentido común de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas. ^{[ 46 ]}

Las dos principales teorías de la física moderna presentan una visión distinta de los conceptos de espacio, tiempo y materia respecto a la presentada por la física clásica. La mecánica clásica concibe la naturaleza como continua, mientras que la teoría cuántica se ocupa de la naturaleza discreta de muchos fenómenos a nivel atómico y subatómico, así como de los aspectos complementarios de partículas y ondas en la descripción de dichos fenómenos. La teoría de la relatividad se ocupa de la descripción de fenómenos que tienen lugar en un sistema de referencia en movimiento con respecto a un observador; la teoría especial de la relatividad se ocupa del movimiento en ausencia de campos gravitatorios, y la teoría general de la relatividad del movimiento y su relación con la gravitación . Tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad encuentran aplicaciones en numerosas áreas de la física moderna. ^{[ 47 ]}

Los conceptos fundamentales de la física moderna incluyen:

• Acción
• Causalidad
• Covarianza
• Partícula
• Campo físico
• interacción física
• Cuántico
• Conjunto estadístico
• Simetría
• Ola

Los físicos utilizan el método científico para comprobar la validez de una teoría física . Mediante un enfoque metódico que compara las implicaciones de una teoría con las conclusiones derivadas de sus experimentos y observaciones, los físicos pueden comprobar mejor la validez de una teoría de forma lógica, imparcial y reproducible. Para ello, se realizan experimentos y observaciones con el fin de determinar la validez o invalidez de una teoría . ^{[ 48 ]}

Una ley científica es una declaración verbal o matemática concisa de una relación que expresa un principio fundamental de alguna teoría, como la ley de gravitación universal de Newton. ^{[ 49 ]}

Los teóricos buscan desarrollar modelos matemáticos que concuerden con los experimentos existentes y predigan con éxito los resultados experimentales futuros, mientras que los experimentalistas diseñan y realizan experimentos para comprobar las predicciones teóricas y explorar nuevos fenómenos. Aunque la teoría y el experimento se desarrollan por separado, se influyen y dependen mutuamente de manera significativa. El progreso en física suele producirse cuando los resultados experimentales desafían la explicación de las teorías existentes, lo que impulsa una intensa atención a la modelización aplicable, y cuando las nuevas teorías generan predicciones que pueden comprobarse experimentalmente , lo que inspira el desarrollo de nuevos experimentos (y a menudo, el equipo relacionado). ^{[ 50 ]}

Los físicos que trabajan en la interacción entre teoría y experimento se denominan fenomenólogos , quienes estudian fenómenos complejos observados en el experimento y trabajan para relacionarlos con una teoría fundamental . ^{[ 51 ]}

Históricamente, la física teórica se ha inspirado en la filosofía; el electromagnetismo se unificó de esta manera. ^{[ b ]} Más allá del universo conocido, el campo de la física teórica también aborda cuestiones hipotéticas, ^{[ c ]} como universos paralelos , un multiverso y dimensiones superiores . Los teóricos recurren a estas ideas con la esperanza de resolver problemas específicos de las teorías existentes; luego exploran las consecuencias de estas ideas y trabajan para formular predicciones comprobables.

La física experimental se expande y se ve expandida por la ingeniería y la tecnología. Los físicos experimentales que se dedican a la investigación básica diseñan y realizan experimentos con equipos como aceleradores de partículas y láseres , mientras que aquellos que se dedican a la investigación aplicada suelen trabajar en la industria, desarrollando tecnologías como la resonancia magnética (RM) y los transistores . Feynman señaló que los experimentalistas pueden buscar áreas que no han sido bien exploradas por los teóricos. ^{[ 52 ]}

La física abarca una amplia gama de fenómenos , desde partículas elementales (como quarks , neutrinos y electrones ) hasta los supercúmulos de galaxias más grandes. Estos fenómenos incluyen los objetos más básicos que componen todo lo demás. Por lo tanto, a la física se la denomina a veces la "ciencia fundamental". ^{[ 53 ]} La física busca describir los diversos fenómenos que ocurren en la naturaleza en términos de fenómenos más simples. Así, la física pretende conectar lo observable por los humanos con sus causas fundamentales y, posteriormente, conectar estas causas entre sí.

Por ejemplo, los antiguos chinos observaron que ciertas rocas ( piedra imán y magnetita ) se atraían entre sí por una fuerza invisible. Este efecto se denominó posteriormente magnetismo, que se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII. Pero incluso antes de que los chinos descubrieran el magnetismo, los antiguos griegos conocían otros objetos, como el ámbar , que al frotarlo con pieles provocaba una atracción invisible similar entre ambos. ^{[ 54 ]} Esto también se estudió rigurosamente por primera vez en el siglo XVII y se denominó electricidad. Así, la física llegó a comprender dos observaciones de la naturaleza en términos de una causa raíz (electricidad y magnetismo). Sin embargo, trabajos posteriores en el siglo XIX revelaron que estas dos fuerzas eran solo dos aspectos diferentes de una misma fuerza: el electromagnetismo . Este proceso de "unificación" de fuerzas continúa hoy en día, y el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil se consideran ahora dos aspectos de la interacción electrodébil . La física espera encontrar una razón última (teoría del todo) de por qué la naturaleza es como es (véase la sección Investigación actual más abajo para obtener más información). ^{[ 55 ]}

La investigación en física avanza continuamente en numerosos frentes.

En física de la materia condensada, un importante problema teórico sin resolver es el de la superconductividad a alta temperatura . ^{[ 56 ]} Muchos experimentos de materia condensada tienen como objetivo fabricar espintrónica y computadoras cuánticas funcionales . ^{[ 57 ] [ 58 ]}

En física de partículas, han comenzado a aparecer las primeras evidencias experimentales de física más allá del Modelo Estándar. Entre ellas destacan las indicaciones de que los neutrinos tienen masa distinta de cero . Estos resultados experimentales parecen haber resuelto el antiguo problema de los neutrinos solares , y la física de los neutrinos masivos sigue siendo un área de investigación teórica y experimental activa. El Gran Colisionador de Hadrones ya ha descubierto el bosón de Higgs, pero la investigación futura tiene como objetivo probar o refutar la supersimetría , que extiende el Modelo Estándar de la física de partículas. La investigación sobre la naturaleza de los principales misterios de la materia oscura y la energía oscura también está en curso. ^{[ 59 ]}

Aunque se han logrado grandes avances en física de altas energías, cuántica y astronómica, muchos fenómenos cotidianos que involucran complejidad , ^{[ 60 ]} caos, ^{[ 61 ]} o turbulencia ^{[ 62 ]} aún se comprenden poco. Problemas complejos que parecen poder resolverse mediante una ingeniosa aplicación de la dinámica y la mecánica permanecen sin solución; ejemplos de ello son la formación de montones de arena, los nodos en el agua que gotea, la forma de las gotas de agua, los mecanismos de las catástrofes de tensión superficial y la autoorganización en colecciones heterogéneas agitadas. ^{[ d ] [ 63 ]}

Estos fenómenos complejos han recibido una atención creciente desde la década de 1970 por varias razones, incluyendo la disponibilidad de métodos matemáticos modernos y computadoras, que permitieron modelar sistemas complejos de nuevas maneras. La física compleja se ha convertido en parte de una investigación cada vez más interdisciplinaria, como lo ejemplifica el estudio de la turbulencia en aerodinámica y la observación de la formación de patrones en sistemas biológicos. En la Revista Anual de Mecánica de Fluidos de 1932 , Horace Lamb dijo: ^{[ 64 ]}

Ahora soy un anciano, y cuando muera y vaya al cielo, espero alcanzar la iluminación en dos asuntos. Uno es la electrodinámica cuántica, y el otro, el movimiento turbulento de los fluidos. Y respecto al primero, soy bastante optimista.

En la siguiente tabla se muestran los principales campos de la física, junto con sus subcampos y las teorías y conceptos que emplean.

Desde el siglo XX, los distintos campos de la física se han especializado cada vez más, y hoy en día la mayoría de los físicos trabajan en un solo campo durante toda su carrera. Los "universalistas" como Einstein (1879-1955) y Lev Landau (1908-1968), que trabajaron en múltiples campos de la física, son ahora muy raros. ^{[ e ]}

La investigación contemporánea en física se puede dividir a grandes rasgos en física nuclear y de partículas ; física de la materia condensada ; física atómica, molecular y óptica ; astrofísica ; y física aplicada. Algunos departamentos de física también apoyan la investigación en didáctica de la física y la divulgación científica . ^{[ 65 ]}

Nuclear y partícula

La física de partículas es el estudio de los constituyentes elementales de la materia y la energía, y las interacciones entre ellos. ^{[ 66 ]} Además, los físicos de partículas diseñan y desarrollan los aceleradores de alta energía, ^{[ 67 ]} los detectores, ^{[ 68 ]} y los programas informáticos ^{[ 69 ]} necesarios para esta investigación. El campo también se denomina "física de alta energía" porque muchas partículas elementales no se producen de forma natural, sino que se crean únicamente durante colisiones de alta energía de otras partículas. ^{[ 70 ]}

Actualmente, las interacciones de partículas elementales y campos se describen mediante el Modelo Estándar . ^{[ 71 ]} El modelo explica las 12 partículas conocidas de materia ( quarks y leptones ) que interactúan a través de las fuerzas fundamentales fuerte , débil y electromagnética . ^{[ 71 ]} La dinámica se describe en términos de partículas de materia que intercambian bosones de gauge ( gluones , bosones W y Z , y fotones , respectivamente). ^{[ 72 ]} El Modelo Estándar también predice una partícula conocida como el bosón de Higgs. ^{[ 71 ]} En julio de 2012, el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, anunció la detección de una partícula consistente con el bosón de Higgs, ^{[ 73 ]} una parte integral del mecanismo de Higgs .

La física nuclear es la rama de la física que estudia los componentes y las interacciones de los núcleos atómicos . Las aplicaciones más conocidas de la física nuclear son la generación de energía nuclear y la tecnología de armas nucleares , pero la investigación ha tenido aplicaciones en muchos campos, incluyendo la medicina nuclear y la resonancia magnética, la implantación iónica en la ingeniería de materiales y la datación por radiocarbono en geología y arqueología .

materia condensada

La física de la materia condensada es el campo de la física que se ocupa de las propiedades físicas macroscópicas de la materia. ^{[ 77 ] [ 78 ]} En particular, se ocupa de las fases "condensadas" que aparecen cuando el número de partículas en un sistema es extremadamente grande y las interacciones entre ellas son fuertes. ^{[ 57 ]}

Los ejemplos más conocidos de fases condensadas son los sólidos y los líquidos, que surgen del enlace mediante la fuerza electromagnética entre átomos. ^{[ 79 ]} Entre las fases condensadas más exóticas se incluyen el superfluido ^{[ 80 ]} y el condensado de Bose-Einstein ^{[ 81 ]} que se encuentran en ciertos sistemas atómicos a temperaturas muy bajas, la fase superconductora que exhiben los electrones de conducción en ciertos materiales, ^{[ 82 ]} y las fases ferromagnética y antiferromagnética de los espines en las redes atómicas . ^{[ 83 ]}

La física de la materia condensada es el campo más extenso de la física contemporánea. Históricamente, surgió de la física del estado sólido, que ahora se considera uno de sus principales subcampos. ^{[ 84 ]} El término física de la materia condensada fue aparentemente acuñado por Philip Anderson cuando renombró su grupo de investigación —anteriormente teoría del estado sólido— en 1967. ^{[ 85 ]} En 1978, la División de Física del Estado Sólido de la Sociedad Estadounidense de Física pasó a llamarse División de Física de la Materia Condensada. ^{[ 84 ]} La física de la materia condensada tiene una gran superposición con la química, la ciencia de los materiales , la nanotecnología y la ingeniería. ^{[ 57 ]}

Astrofísica

La astrofísica y la astronomía son la aplicación de las teorías y los métodos de la física al estudio de la estructura estelar , la evolución estelar , el origen del Sistema Solar y problemas cosmológicos relacionados. Dado que la astrofísica es un campo amplio, los astrofísicos suelen aplicar diversas disciplinas de la física, como la mecánica, el electromagnetismo, la mecánica estadística, la termodinámica, la mecánica cuántica, la relatividad, la física nuclear y de partículas, y la física atómica y molecular. ^{[ 86 ]}

El descubrimiento de Karl Jansky en 1931 de que los cuerpos celestes emitían señales de radio dio inicio a la ciencia de la radioastronomía . Más recientemente, la exploración espacial ha ampliado las fronteras de la astronomía. Las perturbaciones e interferencias de la atmósfera terrestre hacen necesarias las observaciones espaciales para la astronomía infrarroja , ultravioleta , de rayos gamma y de rayos X.

La cosmología física estudia la formación y evolución del universo a sus mayores escalas. La teoría de la relatividad de Albert Einstein desempeña un papel fundamental en todas las teorías cosmológicas modernas. A principios del siglo XX, el descubrimiento de Hubble de que el universo se está expandiendo, como muestra el diagrama de Hubble , dio lugar a explicaciones rivales conocidas como el universo en estado estacionario y el Big Bang .

El Big Bang fue confirmado por el éxito de la nucleosíntesis del Big Bang y el descubrimiento del fondo cósmico de microondas en 1964. El modelo del Big Bang se basa en dos pilares teóricos: la relatividad general de Albert Einstein y el principio cosmológico . Recientemente, los cosmólogos han establecido el modelo ΛCDM de la evolución del universo, que incluye la inflación cósmica , la energía oscura y la materia oscura .

La física, al igual que el resto de la ciencia, se basa en la filosofía de la ciencia y su " método científico " para avanzar en el conocimiento del mundo físico. ^{[ 92 ]} El método científico emplea el razonamiento a priori y a posteriori , así como el uso de la inferencia bayesiana para medir la validez de una teoría dada. ^{[ 93 ]} El estudio de las cuestiones filosóficas que rodean a la física, la filosofía de la física , abarca temas como la naturaleza del espacio y el tiempo , el determinismo y perspectivas metafísicas como el empirismo , el naturalismo y el realismo . ^{[ 94 ]}

Muchos físicos han escrito sobre las implicaciones filosóficas de su trabajo, por ejemplo Laplace , quien defendió el determinismo causal , ^{[ 95 ]} y Erwin Schrödinger , quien escribió sobre mecánica cuántica. ^{[ 96 ] [ 97 ]} El físico matemático Roger Penrose ha sido tildado de platónico por Stephen Hawking , ^{[ 98 ]} una opinión que Penrose analiza en su libro El camino a la realidad . ^{[ 99 ]} Hawking se autodenominó un «reduccionista sin complejos» y discrepó de las opiniones de Penrose. ^{[ 100 ]}

Las matemáticas proporcionan un lenguaje conciso y exacto para describir el orden en la naturaleza. Esto fue señalado y defendido por Pitágoras , ^{[ 101 ]} Platón , ^{[ 102 ]} Galileo, ^{[ 103 ]} y Newton. Algunos teóricos, como Hilary Putnam y Penelope Maddy , sostienen que las verdades lógicas, y por ende el razonamiento matemático, dependen del mundo empírico . Esto suele combinarse con la afirmación de que las leyes de la lógica expresan regularidades universales presentes en las características estructurales del mundo, lo que podría explicar la peculiar relación entre estos campos.

La física utiliza las matemáticas ^{[ 104 ]} para organizar y formular los resultados experimentales. A partir de estos resultados, se obtienen soluciones precisas o estimadas , o resultados cuantitativos, a partir de los cuales se pueden realizar nuevas predicciones que se confirman o refutan experimentalmente. Los resultados de los experimentos de física son datos numéricos, con sus unidades de medida y estimaciones de los errores de medición. Las tecnologías basadas en las matemáticas, como la computación, han convertido a la física computacional en un área de investigación activa.

La ontología es un requisito previo para la física, pero no para las matemáticas. Esto significa que la física se ocupa, en última instancia, de las descripciones del mundo real, mientras que las matemáticas se ocupan de patrones abstractos, incluso más allá del mundo real. Por lo tanto, los enunciados físicos son sintéticos, mientras que los enunciados matemáticos son analíticos. Las matemáticas contienen hipótesis, mientras que la física contiene teorías. Los enunciados matemáticos solo tienen que ser lógicamente verdaderos, mientras que las predicciones de los enunciados físicos deben coincidir con los datos observados y experimentales.

La distinción es clara, pero no siempre obvia. Por ejemplo, la física matemática es la aplicación de las matemáticas a la física. Sus métodos son matemáticos, pero su objeto de estudio es físico. ^{[ 105 ]} Los problemas en este campo parten de un « modelo matemático de una situación física » (sistema) y una «descripción matemática de una ley física» que se aplicará a dicho sistema. Cada enunciado matemático utilizado para la resolución tiene un significado físico difícil de encontrar. La solución matemática final tiene un significado más fácil de encontrar, porque es lo que busca quien resuelve el problema.

La física es una rama de la ciencia fundamental (también llamada ciencia básica). Se la denomina « la ciencia fundamental» porque todas las ramas de las ciencias naturales, incluyendo la química, la astronomía, la geología y la biología, están sujetas a las leyes de la física. ^{[ 53 ]} De manera similar, la química suele denominarse la ciencia central debido a su papel en la conexión de las ciencias físicas. Por ejemplo, la química estudia las propiedades, estructuras y reacciones de la materia (su enfoque en la escala molecular y atómica la distingue de la física ). Las estructuras se forman porque las partículas ejercen fuerzas eléctricas entre sí, las propiedades incluyen las características físicas de las sustancias dadas y las reacciones están regidas por las leyes de la física, como la conservación de la energía , la masa y la carga . La física fundamental busca explicar y comprender mejor los fenómenos en todas las esferas, sin una aplicación práctica específica como objetivo, más allá de una comprensión más profunda de los fenómenos mismos.

La física aplicada es un término general que engloba la investigación y el desarrollo en física con un propósito específico. Un programa de estudios de física aplicada suele incluir algunas asignaturas de una disciplina aplicada, como geología o ingeniería eléctrica. Se diferencia de la ingeniería en que un físico aplicado no diseña nada en concreto, sino que utiliza la física o realiza investigaciones en este campo con el objetivo de desarrollar nuevas tecnologías o resolver un problema.

El enfoque es similar al de las matemáticas aplicadas . Los físicos aplicados utilizan la física en la investigación científica. Por ejemplo, quienes trabajan en física de aceleradores podrían intentar construir mejores detectores de partículas para la investigación en física teórica.

La física se utiliza ampliamente en la ingeniería. Por ejemplo, la estática, una subdisciplina de la mecánica , se emplea en la construcción de puentes y otras estructuras estáticas. La comprensión y el uso de la acústica permiten controlar el sonido y mejorar las salas de conciertos; de igual modo, el uso de la óptica crea mejores dispositivos ópticos. Comprender la física contribuye a la creación de simuladores de vuelo , videojuegos y películas más realistas, y suele ser fundamental en las investigaciones forenses .

Con el consenso generalizado de que las leyes de la física son universales e inmutables, esta disciplina puede utilizarse para estudiar fenómenos que normalmente estarían sumidos en la incertidumbre . Por ejemplo, en el estudio del origen de la Tierra, un físico puede modelar con precisión su masa, temperatura y velocidad de rotación en función del tiempo, lo que permite extrapolar los resultados hacia adelante o hacia atrás y, por lo tanto, predecir eventos futuros o pasados. También posibilita simulaciones en ingeniería que aceleran el desarrollo de nuevas tecnologías.

También existe una considerable interdisciplinariedad , por lo que muchos otros campos importantes están influenciados por la física (por ejemplo, los campos de la econofísica y la sociofísica ).

• Lista de publicaciones importantes en física
• Lista de físicos
• Listas de ecuaciones físicas