En esta parte de la física, la segunda nos metemos en la clase de historia de esta ciencia, para que entendamos la evolución de las cosas.
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Historia
La historia de la física abarca los esfuerzos y estudios realizados por las personas que han tratado de entender el porqué de la naturaleza y los fenómenos que en ella se observan: el paso de las estaciones, el movimiento de los cuerpos y de los astros, los fenómenos climáticos, las propiedades de los materiales, entre otros. Gracias a su vasto alcance y a su extensa historia, la física es clasificada como una ciencia fundamental. Esta disciplina científica se puede dedicar a describir las partículas más pequeñas o a explicar cómo nace una estrella.
La mayoría de las civilizaciones de la antigüedad trataron desde un principio de explicar el funcionamiento de su entorno; miraban las estrellas y pensaban cómo ellas podían regir su mundo. Esto llevó a muchas interpretaciones de carácter más filosófico que físico; no en vano en esos momentos a la física se le llamaba filosofía natural. Muchos filósofos se encuentran en el desarrollo primitivo de la física, como Aristóteles, Tales de Mileto o Demócrito, ya que fueron los primeros en tratar de buscar algún tipo de explicación a los fenómenos que les rodeaban. Las primeras explicaciones que aparecieron en la antigüedad se basaban en consideraciones puramente filosóficas, sin verificarse experimentalmente. Algunas interpretaciones equivocadas, como la hecha por Claudio Ptolomeo en su famoso Almagesto —«La Tierra está en el centro del Universo y alrededor de ella giran los astros»— perduraron durante miles de años. A pesar de que las teorías descriptivas del universo que dejaron estos pensadores eran erradas en sus conclusiones, estas tuvieron validez por mucho tiempo, casi dos mil años, en parte por la aceptación de la Iglesia católica de varios de sus preceptos, como la teoría geocéntrica.
¿Cómo empezó la física?
La primera rama: Astronomía antigua
Segunda rama: Filosofía natural
Un pequeño apunte de historia: La física en el mundo medieval europeo e islámico
Tras la introducción histórica, la física clásica:
Hoy en día… la física moderna
Esta etapa, denominada oscurantismo en la ciencia de Europa, termina cuando el canónigo y científico Nicolás Copérnico, quien es considerado padre de la astronomía moderna, recibe en 1543 la primera copia de su libro, titulado De Revolutionibus Orbium Coelestium. A pesar de que Copérnico fue el primero en formular teorías plausibles, es otro personaje al cual se le considera el padre de la física como la conocemos ahora. Un catedrático de matemáticas de la Universidad de Pisa a finales del siglo XVI cambiaría la historia de la ciencia, empleando por primera vez experimentos para comprobar sus afirmaciones: Galileo Galilei. Mediante el uso del telescopio para observar el firmamento y sus trabajos en planos inclinados, Galileo empleó por primera vez el método científico y llegó a conclusiones capaces de ser verificadas. A sus trabajos se les unieron grandes contribuciones por parte de otros científicos como Johannes Kepler, Blaise Pascal y Christian Huygens.
Posteriormente, en el siglo XVII, un científico inglés reunió las ideas de Galileo y Kepler en un solo trabajo, unifica las ideas del movimiento celeste y las de los movimientos en la Tierra en lo que él llamó gravedad. En 1687, Isaac Newton formuló, en su obra titulada Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, los tres principios del movimiento y una cuarta ley de la gravitación universal, que transformaron por completo el mundo físico; todos los fenómenos podían ser vistos de una manera mecánica.
El trabajo de Newton en este campo perdura hasta la actualidad, ya que todos los fenómenos macroscópicos pueden ser descritos de acuerdo a sus tres leyes. Por eso durante el resto de ese siglo y en el posterior, el siglo XVIII, todas las investigaciones se basaron en sus ideas. De ahí que se desarrollaron otras disciplinas como la termodinámica, la óptica, la mecánica de fluidos y la mecánica estadística. Los conocidos trabajos de Daniel Bernoulli, Robert Boyle y Robert Hooke, entre otros, pertenecen a esta época.
En el siglo XIX se produjeron avances fundamentales en la electricidad y el magnetismo, principalmente de la mano de Charles-Augustin de Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday y Georg Simon Ohm, que culminaron en el trabajo de James Clerk Maxwell en 1855, que logró la unificación de ambas ramas en el llamado electromagnetismo. Además, se producen los primeros descubrimientos sobre radiactividad y el descubrimiento del electrón por parte de Joseph John Thomson en 1897.
Del siglo XX en adelante
Durante el siglo XX, la física se desarrolló plenamente. En 1904, Hantarō Nagaoka había propuesto el primer modelo del átomo, el cual fue confirmado en parte por Ernest Rutherford en 1911, aunque ambos planteamientos serían después sustituidos por el modelo atómico de Bohr, de 1913. En 1905, Einstein formuló la teoría de la relatividad especial, la cual coincide con las leyes de Newton al decir que los fenómenos se desarrollan a velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. En 1915 extendió la teoría de la relatividad especial, formulando la teoría de la relatividad general, la cual sustituye a la ley de gravitación de Newton y la comprende en los casos de masas pequeñas. Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros, desarrollaron la teoría cuántica, a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la radiación de los cuerpos. En 1911, Ernest Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado positivamente, a partir de experiencias de dispersión de partículas. En 1925 Werner Heisenberg, y en 1926 Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac, formularon la mecánica cuántica, la cual comprende las teorías cuánticas precedentes y suministra las herramientas teóricas para la Física de la materia condensada.
Posteriormente se formuló la teoría cuántica de campos, para extender la mecánica cuántica de acuerdo con la Teoría de la Relatividad especial, alcanzando su forma moderna a finales de la década de 1940, gracias al trabajo de Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin’ichirō Tomonaga y Freeman Dyson, los cuales formularon la teoría de la electrodinámica cuántica. Esta teoría formó la base para el desarrollo de la física de partículas. En 1954, Chen Ning Yang y Robert Mills desarrollaron las bases del modelo estándar. Este modelo se completó en los años 1970, y con él fue posible predecir las propiedades de partículas no observadas previamente, pero que fueron descubiertas sucesivamente, siendo la última de ellas el quark top.
Los intentos de unificar las cuatro interacciones fundamentales han llevado a los físicos a nuevos campos impensables. Las dos teorías más aceptadas, la mecánica cuántica y la relatividad general, que son capaces de describir con gran exactitud el macro y el micromundo, parecen incompatibles cuando se las quiere ver desde un mismo punto de vista. Por eso se han formulado nuevas teorías, como la supergravedad o la teoría de cuerdas, donde se centran las investigaciones a inicios del siglo XXI. Esta ciencia no desarrolla únicamente teorías, también es una disciplina de experimentación. Sus hallazgos, por lo tanto, pueden ser comprobados a través de experimentos. Además, sus teorías permiten establecer previsiones sobre pruebas que se desarrollen en el futuro.
La Astronomía es una de las más antiguas ciencias naturales. Las primeras civilizaciones que se remontan a antes del año 3000 a.C., como la de Sumeria, la del antiguo Egipto y la de 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 adorados. Aunque las explicaciones de las posiciones observadas de las estrellas eran a menudo poco científicas y carentes de pruebas, estas primeras observaciones sentaron las bases de la astronomía posterior, ya que se descubrió que las estrellas atravesaban grandes círculos en el cielo, lo que, sin embargo, no explicaba las posiciones de los planetas.
Según Asger Aaboe, los orígenes de la astronomía del occidental se encuentran en Mesopotamia, y todos los esfuerzos occidentales en las ciencias exactas descienden de la tardía astronomía babilónica. Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que muestran el conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, mientras que el poeta griego Homero escribió sobre varios objetos celestes en su Ilíada y Odisea; más tarde, la astrónomos griegos proporcionó nombres, que todavía se utilizan hoy en día, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte.
La Filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante la período arcaico (650 a.C. – 480 a.C.), cuando los filósofos presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones del no naturalista para los fenómenos naturales y proclamaron que todo acontecimiento tenía una causa natural. Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas de sus hipótesis tuvieron éxito en la experimentación; por ejemplo, el atomismo se encontró correcto aproximadamente 2000 años después de ser propuesto por Leucipo y su alumno Demócrito.
El Imperio Romano de Occidente cayó en el siglo V, lo que provocó un declive de las actividades intelectuales en la parte occidental de Europa. En cambio, el Imperio Romano de Oriente (también conocido como Imperio Bizantino) resistió los ataques de los bárbaros, y continuó avanzando en diversos campos del saber, entre ellos la física.
En el siglo VI, Isidoro de Mileto realizó una importante recopilación de las obras de Arquímedes que están copiadas en el Palimpsesto de Arquímedes.
En la Europa del siglo VI, Juan Filopón, un erudito bizantino, cuestionó la enseñanza de la física de Aristóteles y señaló sus defectos. Introdujo la teoría del ímpetu. La física de Aristóteles no fue examinada hasta que apareció Filopón; a diferencia de Aristóteles, que basaba su física en la argumentación verbal, Filopón se basó en la observación. Sobre la física de Aristóteles, Filopón escribió:
Pero esto es completamente erróneo, y nuestro punto de vista puede ser corroborado por la observación real más eficazmente que por cualquier tipo de argumento verbal. Pues si dejas caer desde la misma altura dos pesos de los cuales uno es muchas veces más pesado que el otro, verás que la relación de los tiempos requeridos para el movimiento no depende de la relación de los pesos, sino que la diferencia de tiempo es muy pequeña. Y así, si la diferencia de pesos no es considerable, es decir, si uno es, digamos, el doble que el otro, no habrá diferencia, o bien una diferencia imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso no es en absoluto despreciable, con un cuerpo que pesa el doble que el otro.
La crítica de Philoponus a los principios aristotélicos de la física sirvió de inspiración a Galileo Galilei diez siglos después, durante la Revolución Científica. Galileo citó sustancialmente a Filopón en sus obras al argumentar que la física aristotélica era defectuosa. En el año 1300 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 e impulso.
La erudición islámica heredó la física aristotélica de los griegos y durante la Edad de Oro islámica la desarrolló aún más, poniendo especialmente énfasis en la observación y el razonamiento a priori, desarrollando las primeras formas del método científico.
Las innovaciones más notables se produjeron en el campo de la óptica y la visión, que procedieron de los trabajos de muchos científicos como Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi y Avicena. La obra más notable fue El Libro de la Óptica (también conocido como Kitāb al-Manāẓir), escrito por Ibn al-Haytham, en el que refutaba de forma concluyente la antigua idea griega sobre la visión, pero también aportaba una nueva teoría. En el libro, presentó un estudio del fenómeno de la cámara oscura (su versión milenaria de la cámara estenopeica) y profundizó en el funcionamiento del propio ojo. Utilizando disecciones y los conocimientos de estudiosos anteriores, pudo empezar a explicar cómo entra la luz en el ojo. Afirmó que el rayo de luz se enfoca, pero la explicación real de cómo la luz se proyecta a la parte posterior del ojo tuvo que esperar hasta 1604. Su Tratado sobre la luz explicó la cámara oscura, cientos de años antes del desarrollo moderno de la fotografía.
El Libro de la Óptica (Kitab al-Manathir), de siete volúmenes, influyó enormemente en el pensamiento de distintas disciplinas, desde la teoría de la percepción visual hasta la naturaleza de la perspectiva en el arte medieval, tanto en Oriente como en Occidente, durante más de 600 años. Muchos estudiosos europeos posteriores y compañeros polímatas, desde Robert Grosseteste y Leonardo da Vinci hasta René Descartes, Johannes Kepler e Isaac Newton, estaban en deuda con él. De hecho, la influencia de la Óptica de Ibn al-Haytham se equipara a la de la obra de Newton del mismo título, publicada 700 años después.
La traducción de El libro de la óptica tuvo un gran impacto en Europa. A partir de ella, los eruditos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que replicaban los que Ibn al-Haytham había construido, y comprender el funcionamiento de la luz. A partir de ello, se desarrollaron cosas tan importantes como gafas, lupas, telescopios y cámaras.
La física se convirtió en una ciencia independiente cuando la Europa moderna temprana utilizó métodos experimentales y cuantitativos para descubrir lo que ahora se consideran las leyes de la física.
Entre los principales avances de este periodo se encuentran la sustitución del modelo geocéntrico del Sistema Solar por el modelo copernicano heliocéntrico, las leyes que rigen el movimiento de los cuerpos planetarios determinadas por Kepler entre 1609 y 1619, los trabajos pioneros sobre telescopios y astronomía observacional de Galileo en los siglos XVI y XVII, y el descubrimiento y la unificación por parte de Newton de las leyes del movimiento y de la ley de la gravitación universal de Newton, que llegarían a llevar su nombre. Newton también desarrolló el cálculo, el estudio matemático del cambio, que proporcionó nuevos métodos matemáticos para resolver problemas físicos.
El descubrimiento de nuevas leyes en termodinámica, química y electromagnética fue el resultado de un mayor esfuerzo de investigación durante la Revolución Industrial al aumentar las necesidades energéticas. Las leyes que componen la física clásica siguen siendo muy utilizadas para objetos a escalas cotidianas que se desplazan a velocidades no relativistas, ya que proporcionan una aproximación muy cercana en tales situaciones, y teorías como la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad se simplifican a sus equivalentes clásicos a tales escalas. Sin embargo, las imprecisiones de la mecánica clásica para objetos muy pequeños y velocidades muy altas condujeron al desarrollo de la física moderna en el siglo XX.
La física clásica se ocupa generalmente 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 a una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo, la atómica y la Física nuclear estudian la materia a la escala más pequeña en la que se pueden identificar los elementos químicos. La física de las partículas elementales se encuentra en una escala aún más pequeña, ya que se ocupa de las unidades más básicas de la materia; esta rama de la física también se conoce como física de alta energía debido a las energías extremadamente altas necesarias para producir muchos tipos de partículas en los aceleradores de partículas. A esta escala, las nociones ordinarias y comunes de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas.
Conclusión
Las dos principales teorías de la física moderna presentan una imagen diferente de los conceptos de espacio, tiempo y materia de la presentada por la física clásica. La mecánica clásica aproxima la naturaleza como continua, mientras que la teoría cuántica se ocupa de la naturaleza discreta de muchos fenómenos a nivel atómico y subatómico y de los aspectos complementarios de las partículas y las ondas en la descripción de dichos fenómenos. La teoría de la relatividad se ocupa de la descripción de los fenómenos que tienen lugar en un marco de referencia que está 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 conexión con la gravitación. Tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad encuentran aplicaciones en todas las áreas de la física moderna.
En la próxima publicación os encontraréis con los nombres destacados en esta ciencia que han ganado premios nobel y la filosofía detrás de está ciencia, acercándonos más a entenderla.
Podéis aprender mucho más en el Glosario de Física y de los científicos destacados de la misma.
Artículo escrito por Ana María Morón Usero.
Gracias por leer. Que la ciencia y la fuerza os acompañen
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