Física/Preliminais/Historia da Física

Historia da Física

Desde a antigüidade a xente tentou comprender a natureza e os fenómenos que nela se observan: o paso das estacións, o movemento dos corpos e das estrelas, os fenómenos climáticos, as propiedades dos materiais, etc. As primeiras explicacións apareceron na Antigüidade e baseáronse en consideracións puramente filosóficas, sen ser verificadas experimentalmente. Algunhas interpretacións falsas, como a que fixo Ptolomeo no seu famoso "Almagest" -"A Terra está no centro do Universo e as estrelas xiran arredor del"- persistiron durante séculos.

A física é unha das disciplinas académicas máis antigas, quizais a máis antiga grazas á inclusión da astronomía. Durante os últimos dous milenios, a física foi considerada sinónimo de filosofía, química e certas ramas das matemáticas e da bioloxía, pero durante a Revolución Científica do século XVII emerxeu para converterse nunha ciencia moderna, única por dereito propio. Porén, nalgunhas esferas como a física matemática e a química cuántica, os límites da física seguen sendo difíciles de distinguir.

A revolución científica postrenancentista

Portadas de dúas das obras mestras da Revolución Científica: The Sidereus Nuncius de Galileo Galileo e os Principia Mathematica de Isaac Newton..

No século XVI Galileo Galilei foi un pioneiro no uso de experiencias para validar as teorías da Física. Interesouse polo movemento das estrelas e dos corpos. Usando instrumentos como o plano inclinado, descubriu a lei da inercia da dinámica, e co uso dun dos primeiros telescopios observou que Xúpiter tiña satélites que xiraban ao seu redor e manchas solares no Sol. Estas observacións demostraron o modelo heliocéntrico de Nicolás Copérnico e o feito de que os corpos celestes non son perfectos. Ao mesmo tempo, as observacións de Tycho Brahe e os cálculos de Johannes Kepler permitiron establecer as leis que rexen o movemento dos planetas do Sistema Solar.

En 1687 Isaac Newton publicou os Principios matemáticos da natureza, un traballo no que se describen as leis clásicas da dinámica coñecidas como: as leis de Newton; e a lei de gravitación universal de Newton. O primeiro grupo de leis permitiunos explicar a dinámica dos corpos e facer predicións do movemento e equilibrio entre eles, a segunda lei permitiunos demostrar as leis de Kepler sobre o movemento dos planetas e explicar a gravidade terrestre (de aí o nome de gravidade universal). Neste momento revelouse un dos principios básicos da Física, as leis da Física son as mesmas en calquera punto do Universo. O desenvolvemento do cálculo matemático de Newton e Leibniz proporcionou as ferramentas matemáticas para o desenvolvemento da Física como ciencia capaz de facer predicións. Neste momento, Robert Hooke e Christian Huygens desenvolveron o seu traballo físico estudando as propiedades básicas da materia e da luz.

A finais do século XVII, a física comezou a influír no desenvolvemento tecnolóxico, permitindo á súa vez un avance máis rápido da propia física. O desenvolvemento instrumental (telescopios, microscopios e outros instrumentos) e o desenvolvemento de experimentos cada vez máis sofisticados permitiron grandes éxitos como a medición da masa terrestre no experimento de balance de torsión. Tamén apareceron as primeiras sociedades científicas, como a Royal Society de Londres en 1660 e a Académie des Sciences de París en 1666, como instrumentos de comunicación e intercambio científico, tendo as ciencias físicas un papel preeminente nos primeiros tempos de ambas sociedades.

Século XVIII: Termodinámica e óptica

A partir do século XVIII, Robert Boyle, Thomas Young e outros desenvolveron a termodinámica. En 1733 Daniel Bernoulli utilizou argumentos estatísticos, xunto coa mecánica clásica, para extraer resultados da termodinámica, iniciando a mecánica estatística. En 1798 Benjamin Thompson demostrou a conversión do traballo mecánico en calor e en 1847 James Prescott Joule formulou a lei de conservación da enerxía.

No campo da óptica, o século comezou coa teoría corpuscular da luz de Isaac Newton exposta na súa famosa obra Opticks. Aínda que as leis básicas da óptica xeométrica foran descubertas unhas décadas antes, o século XVIII foi rico en avances técnicos neste campo, producindo as primeiras lentes acromáticas, medindo a velocidade da luz por primeira vez e descubrindo a natureza espectral da luz. O século concluíu co famoso experimento de Young de 1801 no que se revelou a interferencia da luz, demostrando a súa natureza ondulatoria.

O século XIX: o electromagnetismo e a estrutura da materia

A investigación física na primeira metade do século XIX estivo dominada polo estudo dos fenómenos da electricidade e do magnetismo. Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday, Georg Simon Ohm e moitos outros físicos famosos estudaron os fenómenos dispares e contraintuitivos asociados co campo. En 1855 James Clerk Maxwell unificou as leis coñecidas do comportamento da electricidade e do magnetismo nunha soa teoría cun marco matemático común que mostraba a natureza unitaria do electromagnetismo. O traballo de Maxwell sobre o electromagnetismo considérase a miúdo comparable aos descubrimentos de Newton sobre a gravitación universal e resúmese coas coñecidas ecuacións de Maxwell, un conxunto de catro ecuacións capaces de predicir e explicar todos os fenómenos electromagnéticos clásicos. Unha das predicións desta teoría era que a luz é unha onda electromagnética. Este descubrimento de Maxwell proporcionaría a posibilidade do desenvolvemento da radio unhas décadas máis tarde por Heinrich Rudolf Hertz en 1888.

En 1895 Wilhelm Röntgen descubriu os raios X, ondas electromagnéticas de moi altas frecuencias. Case ao mesmo tempo, Henri Becquerel descubriu a radioactividade en 1896. Este campo desenvolveuse rapidamente cos traballos posteriores de Pierre Curie, Marie Curie e moitos outros, dando lugar á física nuclear e ao comezo da estrutura microscópica da materia. En 1897 Joseph John Thomson descubriu o electrón, a partícula elemental que transporta corrente nos circuítos eléctricos, propoñendo en 1904 un primeiro modelo simplificado do átomo.

O século XX: a segunda revolución da física

Albert Einstein é a miúdo considerado a icona máis popular da ciencia do século XX.

O século XX estivo marcado polo desenvolvemento da física como ciencia capaz de promover o desenvolvemento tecnolóxico. A principios deste século, os físicos consideraban que tiñan unha visión case completa da natureza. Porén, pronto se produciron dúas grandes revolucións conceptuais: o desenvolvemento da teoría da relatividade e o inicio da mecánica cuántica.

En 1905 Albert Einstein formulou a teoría da relatividade espacial, na que o espazo e o tempo se unen nunha única entidade, o espazo-tempo. A relatividade formula diferentes ecuacións para a transformación dos movementos cando se observan desde sistemas de referencia inerciales diferentes aos dados pola mecánica clásica. Ambas teorías coinciden a velocidades pequenas en relación coa velocidade da luz. En 1915 estendeu a teoría da relatividade espacial para explicar a gravidade, formulando a teoría xeral da relatividade, que substituíu á lei da gravitación de Newton.

En 1911 Ernest Rutherford deduciu a existencia dun núcleo atómico cargado positivamente a partir de experimentos de dispersión de partículas. Os compoñentes con carga positiva deste núcleo chamáronse protóns. Os neutróns, que tamén forman parte do núcleo pero non teñen carga eléctrica, foron descubertos por James Chadwick en 1932.

O Modelo atómico de Bohr, unha das primeiras bases da mecánica cuántica.

Nos primeiros anos do século XX, Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr e outros desenvolveron a teoría cuántica para explicar resultados experimentais anómalos sobre a radiación dos corpos. Nesta teoría, os niveis de enerxía posibles fanse discretos. En 1925 Werner Heisenberg e en 1926 Erwin Schrödinger e Paul Dirac formularon a mecánica cuántica, na que explican as teorías cuánticas precedentes. En mecánica cuántica, os resultados das medicións físicas son probabilísticos; A teoría cuántica describe o cálculo destas probabilidades.

A mecánica cuántica proporcionou as ferramentas teóricas para a física da materia condensada, que estuda o comportamento de sólidos e líquidos, incluíndo fenómenos como a estrutura cristalina, a semicondutividade e a supercondutividade. Os pioneiros da física da materia condensada inclúen a Felix Bloch, que desenvolveu unha descrición mecánica cuántica do comportamento dos electróns nas estruturas cristalinas (1928).

A teoría cuántica de campos formulouse para estender a mecánica cuántica dun xeito consistente coa teoría da relatividade especial. Alcanzou a súa forma moderna a finais da década de 1940 grazas ao traballo de Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga e Freeman Dyson. Formularon a teoría da electrodinámica cuántica, na que se describe a interacción electromagnética.

A teoría cuántica de campos proporcionou a base para o desenvolvemento da física de partículas, que estuda as forzas fundamentais e as partículas elementais. En 1954 Yang Chen Ning e Robert Mills desenvolveron as bases do modelo estándar. Este modelo completouse na década de 1970 e describe case todas as partículas elementais observadas.

A física nos albores do século XXI

A física segue a enfrontarse a grandes retos, tanto prácticos como teóricos, a principios do século XXI. O estudo de sistemas complexos dominados por sistemas de ecuacións non lineais, como a meteoroloxía ou as propiedades cuánticas dos materiais, que permitiron o desenvolvemento de novos materiais con propiedades sorprendentes. A nivel teórico, a astrofísica ofrece unha visión do mundo con numerosas preguntas abertas en todas as frontes, desde a cosmoloxía ata a formación planetaria. A física teórica continúa os seus intentos de atopar unha teoría física capaz de unificar todas as forzas nunha única fórmula no que sería unha teoría de todo. Entre as teorías candidatas hai que mencionar a teoría de supercordas.