Historia de física

En los tiempos antiguos - 1550 AD.

Ya hace muchos años cuando la gente quiso saber sobre el mundo lo más posible, que se podía saber. Esto era normal y esto es muy parecido a la época actual. Los humanos somos muy curiosos y esto pertenece a la vida cotidiana. Los primeros que dieron la primera experiencia en la física eran los Griegos.

Los Griegos aportaron mucho al mundo de la física, desarrollando las bases de los principios fundamentales modernos, tales como la conservación de la masa, la teoría atómica, y otros semejantes. En los siglos siguientes al período griego, ocurrieron muy pocos desarrollos nuevos. Cuando la intensa fuerza intelectual del Renacimiento ingresó en el campo de la física, Copérnico y otros grandes pensadores, comenzaron a descartar las ideas de los griegos en favor de nuevas ideas basadas en métodos empíricos. Dado que, a partir de las teorías de Copérnico, terminó la vieja era del conocimiento científica y comenzó la nueva revolución científica, es adecuado incluirlo con los pensadores antiguos.

Thales de Mileto(624-547 B.C.) postula que el agua es la sustancia básica de la Tierra.

Pitágoras(580-500 B.C.) sostuvo que la Tierra era esférica. Buscó una comprensión matemática del universo.

Demócrito (460 - 370 B.C.)desarrolló la teoría que el universo está formado por espacio vacío y un número (casi) infinito de partículas invisibles, que se diferencian unas de otras en su forma, posición, y disposición.. Toda la materia está hecha de partículas indivisibles llamadas átomos.

Aristóteles (384-322 B.C.) formalizó la recopilación del conocimiento científico. Si bien es dificultoso señalar como suya una teoría en particular, el resultado global de esta compilación de conocimientos fue proveer las bases fundamentales de la ciencia por unos mil años.

Arquímedes (287-212 B.C.) fue un gran pionero en física teórica. Proporcionó los fundamentos de la hidrostática.

Ptolomeo (70-147 AD)de Alejandría recogió los conocimientos ópticos de su época. También inventó una compleja teoría del movimiento planetario.NICOLÁS COPÉRNICO
(1473-1543)

Impulsó la teoría de que la Tierra gira alrededor del sol. Este modelo heliocéntrico fue revolucionario porque desafió el dogma vigente, a causa de la autoridad científica de Aristóteles, y causó una completa conmoción científica y filosófica.

Hipótesis acerca del movimiento de la Tierra alrededor del Sol Nuestros ancestros, según advierto, suponían la existencia de gran número de esferas celestes, principalmente con la intención de explicar el movimiento aparente de los planetas en virtud del principio de regularidad. Porque tenían por cosa totalmente absurda el que un cuerpo celeste que es esfera perfecta, no tuviera siempre movimiento uniforme. Vieron como uniendo y combinando de varios modos movimientos regulares, podían lograr que, al parecer, todo cuerpo se moviese hasta una posición cualquiera.

Calipo y Eudoxio, quienes se propusieron resolver el problema recurriendo a las esferas concéntricas, no pudieron explicar todos los movimientos planetarios. No sólo tenían que dar razón de los giros aparentes de los planetas, sino también de por qué dichos cuerpos a veces nos parecen remontarse por los cielos y otras bajar; y esto no concuerda con el principio de la concentricidad. Por eso se tuvo por mejor recurrir a excéntricas y epiciclos, sistema que acabaron pro aceptar los más doctos.
No obstante, las teorías planetarias de Ptolomeo y la mayoría de los otros astrónomos, aunque concordaban con los datos numéricos, a veces parecían presentar dificultades no pequeñas. Porque las tales teorías no satisfacían por completo, a menos de admitirse también ciertos ecuantes. Resultaba entonces que el planeta no se movía con velocidad uniforme ni en su deferente ni en torno del centro de su epiciclo. Por lo tanto, los sistemas de esta clase no parecían ni bastante absolutos ni bastante gratos para el entendimiento.

Habiéndome dado cuenta de tales defectos, medité a menudo, si no pudiese hallarse por ventura una combinación más razonable de círculos de la cual se infiriesen todas las anomalías aparentes y según la cual todo se moviese uniformemente en torno de su propio centro, conforme lo exige la norma del movimiento absoluto. Después de proponerse este problema dificilísimo y casi imposible de solventar, al fin se me ocurrió una idea de como podría resolverse mediante construcciones menos numerosas y mucho más sencillas que las antes usadas, con tal que se me concediesen algunos postulados (que se llaman axiomas) y que se exponen en este orden.

Postulados:

1.No existe ningún centro de gravedad de todos los círculos o esferas celestes
2.El centro de la tierra no es el centro del universo, sino tan sólo de gravedad y de la esfera lunar.
3.Todas las esferas giran alrededor del sol como de su punto medio y, por lo tanto, el sol es el centro del universo.
4.La razón entre la distancia de la tierra al sol y la altura del firmamento es a tal punto menor que la razón entre el radio de la tierra y la distancia de ésta al sol, que la distancia de la tierra al sol es imperceptible, si se le compara con la altura del firmamento.
5.Todo movimiento aparente que se percibe en los cielos proviene del movimiento de la tierra, y no de algún movimiento del firmamento, cualquiera que fuere.
6.Lo que nos parece movimiento del sol no proviene del movimiento de éste, sino del movimiento de la tierra y de nuestra esfera, junto con la cual giramos en derredor del sol, lo mismo que cualquier otro planeta.
7.El movimiento aparentemente directo y retrógrado de los planetas no proviene del movimiento suyo, sino del de la tierra. Por consiguiente, el movimiento de la tierra por sí solo para explicar las aparentes anomalías de los cielos.

Línea de Tiempo de la Mecánica Clásica y la Revolución Científica

Luego de la revolución de Copérnico, se hizo evidente que las teorías científicas no debían ser aceptadas sin testos rigurosos. Las comunicaciones entre los científicos crecieron y surgieron nuevos descubrimientos.Galileo Galilea
(1564 – 1642)

Es considerado por muchos como el padre de la física moderna, por su preocupación por reemplazar los viejos postulados, en favor de teorías nuevas, deducidas científicamente. Es famoso por sus teorías sobre la mecánica celeste, y sus trabajos en el área de la mecánica, que le abrieron camino a Newton, importantes descubrimientos de Galileo en aquellos años son las leyes péndulas (sobre el cual habría comenzado a pensar, según la conocida anécdota, observando una lámpara que oscilaba en la catedral de Pisa) y las leyes del movimiento acelerado, que estableció después de trasladarse a enseñar en la Universidad de Papua en 1592. En Papua, sin embargo, y después en Florencia, Galileo se ocupa sobre todo en astronomía y lo hará intensamente hasta 1633.

En 1609 oyó decir que en los Países Bajos habían inventado un telescopio. En diciembre de 1609 Galileo había construido un telescopio de veinte aumentos, con el que descubrió montañas y cráteres en la Luna. También observó que la Vía Láctea estaba compuesta por estrellas y descubrió los cuatro satélites mayores de Júpiter. En marzo de 1610 publicó estos descubrimientos en El mensajero de los astros. Su fama le valió el ser nombrado matemático de la corte de Florencia, donde quedó libre de sus responsabilidades académicas y pudo dedicarse a investigar y escribir. En diciembre de 1610 pudo observar las fases de Venus, que contradecían la astronomía de Tolomeo y confirmaban su aceptación de las teorías de Copérnico.

Tycho de Brahe y Johannes Kepler.

Los datos de los movimientos de objetos celestes muy exactos de Brahe, le permitieron a Kepler desarrollar su teoría del movimiento planetario elíptico, y proporcionaron una evidencia para el sistema Copernicano. Además, Kepler escribió una descripción cualitativa de la gravitación.

Kepler y las órbitas de los planetas
(1571 – 1630)

Una de sus obras más importantes durante este periodo fue Astronomía nova (1609), la gran culminación de sus cuidadosos esfuerzos para calcular la órbita de Marte. Este tratado contiene la exposición de dos de las llamadas leyes de Kepler sobre el movimiento planetario. Según la primera ley, los planetas giran en órbitas elípticas con el Sol en un foco. La segunda, o regla del área, afirma que una línea imaginaria desde el Sol a un planeta recorre áreas iguales de una elipse durante intervalos iguales de tiempo. En otras palabras, un planeta girará con mayor velocidad cuanto más cerca se encuentre del Sol.

En 1612 Kepler se hizo matemático de los estados de la Alta Austria. Mientras vivía en Linz, publicó su Harmonices mundi Libra (1619), cuya sección final contiene otro descubrimiento sobre el movimiento planetario (tercera ley): la relación entre el cubo de la distancia media (o promedio) de un planeta al Sol y el cuadrado del periodo de revolución del planeta es una constante y es la misma para todos los planetas.

Hacia la misma época publicó un libro, Epitome astronomía copernicana (1618-1621), que reúne todos los descubrimientos de Kepler en un solo tomo. Igualmente importante fue el primer libro de texto de astronomía basado en los principios copernicanos, y durante las tres décadas siguientes tuvo una influencia capital para muchos astrónomos.

La última obra importante aparecida en vida de Kepler fueron las Tablas rudolfinas (1625) . Basándose en los datos de Brahe, las nuevas tablas del movimiento planetario reducen los errores medios de la posición real de un planeta de 5° a 10'. Isaac Newton se basó en las teorías y observaciones de Kepler para formular su ley de la gravitación universal.Isaac Newton y sus leyes
(1642 – 1727)

Desarrolló las leyes de la mecánica (la ahora llamada mecánica clásica), que explican el movimiento de los objetos en forma matemática.

Newton imaginó que la gravedad de la tierra influenciaba la Luna y contrabalanceaba la fuerza centrífuga. Con su ley sobre la fuerza centrífuga y utilizando la tercera ley de Kepler, dedujo las tres leyes fundamentales de la mecánica celeste: Ley de la inercia. Todo cuerpo tiene a mantener su estado de movimiento mientras no actué sobre él otra fuerza externa. Ley fundamental de la dinámica. La fuerza es igual a la masa por aceleración. Ley de la acción y la reacción. A toda fuerza siempre se le opone una reacción de la misma magnitud pero de sentido contrario.

Newton demostró que la fuerza gravitatoria disminuye según el cuadrado de la distancia y que esto da origen a las leyes de Kepler del movimiento planetario. Expuso la Ley de la gravitación universal: Entre dos cuerpos se ejerce una fuerza de atracción directamente proporcional al producto de sus respectivas masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros de gravedad.

En 1687 Newton publicó Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, donde estableció los principios básicos de la mecánica teórica y la dinámica de los fluidos.

Michael Faraday (1791 – 1867) creó el motor eléctrico, y fue capaz de explicar la inducción electromagnética, que proporciona la primera evidencia de que la electricidad y el magnetismo están relacionados. También descubrió la electrólisis y describió la ley de conservación de la energía.

Wilhelm Röntgen (1895) descubrió los rayos x.

Marie y Pierre Curie (1898) separaron los elementos radioactivos.

Joseph Thompson (1898) midió el electrón, y desarrolló su modelo "de la torta con pasas" del átomo -- dice que el átomo es una esfera con carga positiva uniformemente distribuida, con pequeños electrones negativos como pasas adentro.

Al final del siglo diecinueve la física había evolucionado al punto en el cual la mecánica podía tratar problemas muy complejos en situaciones macroscópicas, la termodinámica y la teoría cinética estaban bien establecidas, las ópticas geométrica y física podían entenderse en términos de ondas electromagnéticas, se había propuesto la fundación atómica de la química, estaban bien aceptadas las leyes de conservación de la energía y del momento (y de la masa), y la física clásica había alcanzado una orgullosa madurez. Tan profundos fueron estos y otros desarrollos que muchos físicos creyeron que todas las leyes importantes de la física se habían descubierto y que, de ahí en adelante, la investigación consistiría en aclarar algunos problemas pequeños y, particularmente, en mejorar los métodos de medición. En ese tiempo pocos pudieron prever que el mundo de la física estaba a punto de hacer una serie de descubrimientos destinados, por un lado, a estimular la investigación como nunca antes y además a iniciar una era de aplicaciones de la física en la industria en una escala no conocida anteriormente.

Línea del tiempo de la Teoría Cuántica

A los comienzos del siglo veinte, los científicos pensaban que habían logrado comprender la mayoría de los principios fundamentales de la naturaleza. Los átomos eran los bloques constructivos sólidos de la naturaleza; la gente creía en las leyes Newtonianas del movimiento; y la mayoría de los problemas parecían estar resueltos. Sin embargo, comenzando con la teoría de la relatividad de Einstein, que modifica la mecánica de Newton, los científicos gradualmente se dieron cuenta de que su conocimiento estaba lejos de ser completo. El creciente campo de la mecánica cuántica era de particular interés; la mecánica cuántica alteró completamente los conceptos fundamentales de la física.

Máx Planck (1900)sugirió que la radiación está cuantificada (aparece en cantidades discretas.)Albert Einstein
(1905)

Uno de los pocos científicos que tomó en serio las ideas de Planck; propuso un cuanto de luz (el fotón) que se comporta como una partícula. Las otras teorías de Einstein explicaron la equivalencia entre la masa y la energía, la dualidad partícula-onda de los fotones, el principio de equivalencia, y especialmente la relatividad. Explicó la curvatura del espacio-tiempo.

Einstein obtuvo su doctorado en 1905 expedido por la Universidad de Zurich con una tesis sobre la teoría del movimiento Browniano. Más tarde examinó el fenómeno descubierto por Max Planck, en el cual la energía electromagnética emitida por un objeto radiante lo hace en cantidades discretas llamados cuantos, Esta energía es directamente proporcional a la frecuencia de radiación. Esto contradecía la teoría electromagnética clásica, la cual asumía que la energía se comportaba como ondas.

Los otros trabajos describen la Teoría especial de la Relatividad. En Sobre la Electrodinámica de los Cuerpos Móviles propone que la velocidad de la luz en el vacío es una constante de la naturaleza y no depende del estado de reposo o movimiento del cuerpo que emite la luz o la detecta. En el cuarto artículo publicado en 1905 ¿Depende la inercia de un cuerpo de la Energía que Contiene? Demuestra que la masa y energía son intercambiable y dedujo su famosa fórmula que explica que la energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz.

Niels Bohr (1913) tuvo éxito al construir una teoría de la estructura atómica, basándose en ideas cuánticas.

Ernesto Rutherford (1911) encontró la primer evidencia de un protón.

Paul Dirac (1931) combinó la mecánica cuántica y la relatividad especial para describir al electrón. comprendió que las partículas cargadas positivamente requeridas por su ecuación eran nuevos objetos (el los llamó "positrones"). Son exactamente como electrones, pero cargados positivamente. Este es el primer ejemplo de antipartículas.

James Chadwick descubrió el neutrón. Los mecanismos de las uniones nucleares y los decaimientos se convirtieron en problemas principales.

Línea de tiempo de la visión moderna (el Modelo Standard): desde 1964 hasta el presente

A mediados de los 60, los físicos comprendieron que sus ideas previas, en las que toda la materia estaba compuesta de protones, neutrones, y electrones, como partículas fundamentales, era insuficiente para explicar las nuevas partículas que se estaban descubriendo. La teoría de los quarks, de Gell-Mann y Zweig solucionó estos problemas. Durante los últimos treinta años, la teoría que hoy se conoce como el Modelo Standard de las Partículas e Interacciones, ha crecido gradualmente y han ganado aceptación, a partir de las nuevas evidencias proporcionadas por los aceleradores de partículas.

Murray Gell-Mann y George Zweig (1964) introdujeron la idea tentativa de los quarks. Sugirieron que los mesones y los bariones están compuestos por quarks o antiquarks de tres tipos, llamados up, down y strange (u, d, s), con spin 1/2 y cargas eléctricas 2/3, -1/3, -1/3, respectivamente (resulta que esta teoría no es completamente exacta). Ya que estas cargas nunca han sido.

Fue formulada una teoría cuántica de campos, para las interacciones fuertes. Esta teoría de quarks y gluones (que ahora es parte del Modelo Standard) es similar, en su estructura, a la electrodinámica cuántica (QED), pero dado que las interacciones fuertes actúan sobre las cargas de color, esta teoría se llama cromo dinámica cuántica (QCD). Los quarks están destinados a ser partículas reales, con una carga de color. Los gluones son los cuantos, sin masa, del campo de las interacciones fuertes. Esta teoría de interacciones fuertes fue primero sugerida por Harald Fritzsch y Murray Gell-Mann.

Las partículas como quarks deberían tener características muy extrañas, como por ejemplo una carga eléctrica. Gell-Mann propuso originalmente tres quarks, bautizados como u (de up, arriba), d (de down, abajo) y s (de strange, extraño), cuyas cargas respectivas son +2/3, -1/3 y -1/3, y sus antipartículas respectivas (antiquarks), con cargas eléctricas opuestas. Estos serían los componentes de cualquier hadrón o mesón. Por. Ej., el protón, con carga +1, sería una combinación de dos quarks u y un quark d. Un pión positivo sería una combinación de un quark u y un antiquark d, mientras que el pión negativo tendría la composición opuesta (un antiquark u y un quark d). Para justificar otras partículas conocidas la teoría de los quarks fue completada más adelante con la incorporación de otros tres quarks, bautizados como c (de charmed, encantado), b (de bottom, fondo) y t (de top, cúspide).

Los quarks tienen un espín de1/2. Los quarks existen únicamente formando hadrones o piones.