Ramas de la física
La física es una disciplina científica que busca construir y probar experimentalmente teorías del universo físico. Estas teorías varían en su alcance y pueden organizarse en varias ramas distintas, que se exponen en este artículo.
Mecánica clásica
La mecánica clásica es un modelo de la física de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos; incluye subcampos para describir los comportamientos de sólidos, gases y fluidos. A menudo se denomina «mecánica newtoniana» en honor a Isaac Newton y sus leyes del movimiento. También incluye el enfoque clásico dado por los métodos de Hamilton y Lagrange. Se ocupa del movimiento de las partículas y del sistema general de partículas.
Hay muchas ramas de la mecánica clásica, como: la estática, la dinámica, la cinemática, la mecánica del continuo (que incluye la mecánica de fluidos), la mecánica estadística, etc.
- Mecánica: Rama de la física en la que se estudia sobre el objeto y las propiedades de un objeto en forma de movimiento bajo la acción de la fuerza.
Termodinámica y mecánica estadística
El primer capítulo de The Feynman Lectures on Physics trata de la existencia de los átomos, que Feynman consideraba el enunciado más compacto de la física, del que la ciencia podría resultar fácilmente aunque se perdiera todo el resto de conocimientos. Al modelar la materia como colecciones de esferas duras, es posible describir la teoría cinética de los gases, en la que se basa la termodinámica clásica.
La termodinámica estudia los efectos de los cambios de temperatura, presión y volumen en los sistemas físicos a escala macroscópica, y la transferencia de energía en forma de calor. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir del deseo de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.
El punto de partida de la mayoría de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede intercambiarse entre sistemas físicos como calor o trabajo. También postulan la existencia de una cantidad denominada entropía, que puede definirse para cualquier sistema. En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre grandes conjuntos de objetos. Para ello son fundamentales los conceptos de sistema y entorno. Un sistema está compuesto por partículas, cuyos movimientos medios definen sus propiedades, que a su vez se relacionan entre sí mediante ecuaciones de estado. Las propiedades pueden combinarse para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, que son útiles para determinar las condiciones de equilibrio y los procesos espontáneos.
Electromagnetismo y fotónica
∇ ⋅ D = ρ f ∇ ⋅ B = 0 ∇ × E = – ∂ B ∂ t ∇ × H = J f + ∂ D ∂ t {\displaystyle {\begin{aligned}&\nabla \cdot \mathbf {D} =\rho _{f}\&\nabla \cdot \mathbf {B} =0&\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\parcial \mathbf {B} {{partial t}} &
Ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo
El estudio de los comportamientos de los electrones, los medios eléctricos, los imanes, los campos magnéticos y las interacciones generales de la luz.
Mecánica relativista
La teoría especial de la relatividad goza de una relación con el electromagnetismo y la mecánica; es decir, el principio de la relatividad y el principio de la acción estacionaria en la mecánica pueden utilizarse para derivar las ecuaciones de Maxwell, y viceversa.
La teoría de la relatividad especial fue propuesta en 1905 por Albert Einstein en su artículo «Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento». El título del artículo hace referencia a que la relatividad especial resuelve una incoherencia entre las ecuaciones de Maxwell y la mecánica clásica. La teoría se basa en dos postulados: (1) que las formas matemáticas de las leyes físicas son invariantes en todos los sistemas inerciales; y (2) que la velocidad de la luz en el vacío es constante e independiente de la fuente o el observador. La conciliación de ambos postulados requiere una unificación del espacio y el tiempo en el concepto de espaciotiempo, que depende del marco.
La relatividad general es la teoría geométrica de la gravitación publicada por Albert Einstein en 1915/16. Unifica la relatividad especial, la ley de la gravitación universal de Newton y la idea de que la gravitación puede describirse mediante la curvatura del espacio y el tiempo. En la relatividad general, la curvatura del espaciotiempo es producida por la energía de la materia y la radiación.
Mecánica cuántica, física atómica y física molecular
La mecánica cuántica es la rama de la física que trata los sistemas atómicos y subatómicos y su interacción basada en la observación de que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas o paquetes llamados «cuantos». Notablemente, la teoría cuántica sólo permite el cálculo probable o estadístico de las características observadas de las partículas subatómicas, entendidas en términos de funciones de onda. La ecuación de Schrödinger desempeña en la mecánica cuántica el papel que las leyes de Newton y la conservación de la energía cumplen en la mecánica clásica -es decir, predice el comportamiento futuro de un sistema dinámico- y es una ecuación de onda que se utiliza para resolver las funciones de onda.
Por ejemplo, la luz, o la radiación electromagnética emitida o absorbida por un átomo sólo tiene ciertas frecuencias (o longitudes de onda), como puede verse en el espectro de líneas asociado al elemento químico representado por ese átomo. La teoría cuántica muestra que esas frecuencias corresponden a energías definidas de los cuantos de luz, o fotones, y resultan del hecho de que los electrones del átomo sólo pueden tener ciertos valores de energía permitidos, o niveles; cuando un electrón cambia de un nivel permitido a otro, se emite o absorbe un cuanto de energía cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles. El efecto fotoeléctrico confirmó aún más la cuantización de la luz.
En 1924, Louis de Broglie propuso que no sólo las ondas de luz exhiben a veces propiedades similares a las de las partículas, sino que éstas también pueden exhibir propiedades similares a las de las ondas. Tras la sugerencia de de Broglie se presentaron dos formulaciones diferentes de la mecánica cuántica. La mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger (1926) implica el uso de una entidad matemática, la función de onda, que está relacionada con la probabilidad de encontrar una partícula en un punto determinado del espacio. La mecánica matricial de Werner Heisenberg (1925) no menciona las funciones de onda ni conceptos similares, pero se demostró que era matemáticamente equivalente a la teoría de Schrödinger. Un descubrimiento especialmente importante de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre, enunciado por Heisenberg en 1927, que pone un límite teórico absoluto a la precisión de ciertas mediciones; como resultado, hubo que abandonar la suposición de los científicos anteriores de que el estado físico de un sistema podía medirse exactamente y utilizarse para predecir estados futuros. La mecánica cuántica se combinó con la teoría de la relatividad en la formulación de Paul Dirac. Otros desarrollos incluyen la estadística cuántica, la electrodinámica cuántica, que se ocupa de las interacciones entre las partículas cargadas y los campos electromagnéticos; y su generalización, la teoría cuántica de campos.
Teoría de cuerdas
Posible candidata a la teoría del todo, esta teoría combina la teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica para hacer una única teoría. Esta teoría puede predecir las propiedades de los objetos grandes y pequeños. Esta teoría está actualmente en fase de desarrollo.
Óptica y acústica
La óptica es el estudio de los movimientos de la luz, incluyendo la reflexión, refracción, difracción e interferencia.
La acústica es la rama de la física que implica el estudio de las ondas mecánicas en diferentes medios.
Física de la materia condensada
El estudio de las propiedades físicas de la materia en fase condensada.
Física de partículas de alta energía y Física nuclear
La física de partículas estudia la naturaleza de las partículas, mientras que la física nuclear estudia los núcleos atómicos.
Cosmología
La cosmología estudia cómo se formó el universo y su destino final. Es estudiada por físicos y astrofísicos.
Campos interdisciplinares
A los campos interdisciplinares, que definen ciencias parcialmente propias, pertenecen por ejemplo la
- agrofísica es una rama de la ciencia que linda con la agronomía y la física
- astrofísica, la física en el universo, incluyendo las propiedades e interacciones de los cuerpos celestes en astronomía.
- biofísica, que estudia las interacciones físicas de los procesos biológicos.
- física química, la ciencia de las relaciones físicas en la química.
- física computacional, la aplicación de ordenadores y métodos numéricos a los sistemas físicos.
- econofísica, que se ocupa de los procesos físicos y sus relaciones en la ciencia de la economía.
- física ambiental, la rama de la física que se ocupa de la medición y el análisis de las interacciones entre los organismos y su entorno.
- física de la ingeniería, la disciplina combinada de la física y la ingeniería.
- geofísica, las ciencias de las relaciones físicas en nuestro planeta.
- física matemática, las matemáticas relativas a los problemas físicos.
- física médica, la aplicación de la física en la medicina para la prevención, el diagnóstico y el tratamiento.
- química física, que trata de los procesos físicos y sus relaciones en la ciencia de la química física.
- physical oceanography, is the study of physical conditions and physical processes within the ocean, especially the motions and physical properties of ocean waters
- psychophysics, the science of physical relations in psychology
- quantum computing, the study of quantum-mechanical computation systems.
- sociophysics or social physics, is a field of science which uses mathematical tools inspired by physics to understand the behavior of human crowds
Summary
The table below lists the core theories along with many of the concepts they employ.
| Theory | Major subtopics | Concepts | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Classical mechanics | Newton’s laws of motion, Lagrangian mechanics, Hamiltonian mechanics, kinematics, statics, dynamics, chaos theory, acoustics, fluid dynamics, continuum mechanics | Density, dimension, gravity, space, time, motion, length, position, velocity, aceleración, invariancia galileana, masa, momento, impulso, fuerza, energía, velocidad angular, momento angular, momento de inercia, par de torsión, ley de conservación, oscilador armónico, onda, trabajo, potencia, lagrangiano, hamiltoniano, ángulos de Tait-Bryan, ángulos de Euler, neumática, hidráulica | |||||
| Electromagnetismo | Electroestática, electrodinámica, electricidad, magnetismo, magnetostática, ecuaciones de Maxwell, óptica | Capacitancia, carga eléctrica, corriente, conductividad eléctrica, campo eléctrico, permitividad eléctrica, potencial eléctrico, resistencia eléctrica, campo electromagnético, inducción electromagnética, radiación electromagnética, superficie gaussiana, campo magnético, flujo magnético, monopolo magnético, permeabilidad magnética | |||||
| Termodinámica y mecánica estadística | Motor térmico, teoría cinética | Constante de Boltzmann, variables conjugadas, entalpía, entropía, ecuación de estado, teorema de equiparación, energía libre termodinámica, calor, ley del gas ideal, energía interna, leyes de la termodinámica, relaciones de Maxwell, proceso irreversible, modelo de Ising, acción mecánica, función de partición, presión, proceso reversible, proceso espontáneo, función de estado, conjunto estadístico, temperatura, equilibrio termodinámico, potencial termodinámico, procesos termodinámicos, estado termodinámico, sistema termodinámico, viscosidad, volumen, trabajo, material granular | Formulación integral de trayectorias, teoría de la dispersión, ecuación de Schrödinger, teoría cuántica de campos, mecánica estadística cuántica | Aproximación adiabática, radiación del cuerpo negro, principio de correspondencia, partícula libre, Hamiltoniano, espacio de Hilbert, partículas idénticas, mecánica matricial, constante de Planck, efecto del observador, operadores, cuantos, cuantización, entrelazamiento cuántico, oscilador armónico cuántico, número cuántico, túnel cuántico, gato de Schrödinger, ecuación de Dirac, espín, función de onda, mecánica ondulatoria, dualidad onda-partícula, energía de punto cero, principio de exclusión de Pauli, principio de incertidumbre de Heisenberg | |||
| Relatividad | Relatividad especial, relatividad general, ecuaciones de campo de Einstein | Covarianza, colector de Einstein, principio de equivalencia, cuatro-momento, cuatro-vector, principio general de relatividad, movimiento geodésico, gravedad, gravitoelectromagnetismo, marco de referencia inercial, invarianza, contracción de longitud, colector lorentino, transformación de Lorentz, equivalencia masa-energía, métrica, diagrama de Minkowski, espacio de Minkowski, principio de relatividad, longitud propia, tiempo propio, sistema de referencia, energía en reposo, masa en reposo, relatividad de la simultaneidad, espaciotiempo, principio especial de la relatividad, velocidad de la luz, tensor tensión-energía, dilatación del tiempo, paradoja de los gemelos, línea del mundo |
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). The Feynman Lectures on Physics. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5.. Feynman comienza con la hipótesis atómica, como su declaración más compacta de todo el conocimiento científico: «Si, en algún cataclismo, se destruyera todo el conocimiento científico y sólo se transmitiera una frase a las siguientes generaciones …, ¿qué afirmación contendría la mayor información en el menor número de palabras? Creo que es … que todas las cosas están formadas por átomos, pequeñas partículas que se mueven en perpetuo movimiento, que se atraen entre sí cuando están a poca distancia, pero que se repelen cuando se aprietan unas contra otras. …» vol. I p. I-2
- ^ Perot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9.
- ^ Clark, John O.E. (2004). El diccionario esencial de la ciencia. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5.
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