La física en la antigüedad

La primera actividad del hombre englobable dentro de la física fue mirar al cielo. Las grandes civilizaciones de la antigüedad (chinos, babilonios, egipcios) estudiaron los astros llegando incluso a predecir eclipses pero sin éxito a la hora de explicar los movimientos planetarios. En éste punto de inflexión del conocimiento humano, antes de hacerse –y responder- ciertas preguntas sobre la naturaleza, el cielo era un misterioso techo plano en el que unas luces lejanas brillaban por alguna causa más mística que astronómica. Unos cuatrocientos años antes del nacimiento de Cristo los griegos ya empezaban a desarrollar teorías, aún inexactas pero no del todo equivocadas, sobre la composición del universo. Leucipo concebía el atomismo más tarde desarrollado por Demócrito, que afirmaba que todo estaba formado por microscópicas partículas llamadas átomos, y que contradecía a la Teoría de los elementos, del siglo anterior.

Durante el periodo helenístico, Alejandría se convirtió en el núcleo científico de occidente. Desde Sicilia, Arquímedes, entre otros inventos como el tornillo infinito o la polea, descubría las leyes de la palanca y de la hidrostática, principio el de ésta última que llevaría su nombre y que enunciaba que “todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido desalojado”, razón por la cual se puede explicar que flote un barco o vuele un globo aerostático. En la astronomía también se realizaron grandes descubrimientos: Aristarco de Samo desarrolló un método para medir las distancias relativas entre la tierra y el sol y la tierra y la luna, inútil finalmente por falta de medios aunque bien encaminado, y también, según se cree a través de los escritos de Arquímedes, fue el primero en afirmar que la tierra gira alrededor del sol; Erastótenes midió la circunferencia de la tierra y elaboró un catálogo de estrellas; Hiparlo de Nicea descubrió la sucesión de equinoccios; y Tolomeo, ya en el s. II d.C., elaboró su sistema para explicar el movimiento de los planetas, en el que la Tierra permanecía en el centro de las órbitas circulares del resto de astros.

La Física en la Edad Media y los siglos XV, XVI y XVI

Los de la edad media no fueron años de grandes descubrimientos en ningún campo en occidente -en Asia los chinos ya habían inventado la pólvora en el s. IX-. Sirvieron sin embargo para que científicos árabes, entre los que se cuentan Averroes o Ibn al-Nafis realizaran un trabajo de conservación de textos de la Grecia clásica, y poco más tarde, mientras santo Tomás de Aquino intentara demostrar la compatibilidad de las teorías griegas con las Sagradas Escrituras, Roger Bacon defendía el método experimental.

Tras el renacimiento, a lo largo del siglo XV y hasta principios del XVII, los descubrimientos de cuatro astrónomos marcaron el comienzo de la ciencia moderna. Contrariando la teoría geocéntrica de Tolomeo, el polaco Nicolás Copérnico propuso el heliocentrismo como modelo del universo, en el que los planetas trazan órbitas circulares alrededor del Sol, así decía en su obra Sobre las revoluciones (de los orbes celestes): “En primer lugar, hemos de señalar que el mundo es esférico, sea porque es la forma más perfecta de todas, sin comparación alguna, totalmente indivisa, sea porque es la más capaz de todas las figuras, la que más conviene para comprender todas las cosas y conservarlas, sea también porque las demás partes separadas del mundo (me refiero al Sol, a la Luna y a las estrellas) aparecen con tal forma, sea porque con esta forma todas las cosas tienden a perfeccionarse, como aparece en las gotas de agua y en los demás cuerpos líquidos, ya que tienden a limitarse por sí mismos, para que nadie ponga en duda la atribución de tal forma a los cuerpos divinos” Copérnico, Nicolás. Sobre las revoluciones (De los orbes celestes). Madrid: Editora Nacional, 1982. Esta asociación entre lo esférico y lo perfecto le llevó diseñar su modelo con respecto a unas órbitas circulares de compleja elaboración. Copérnico asentó de este modo las bases para los posteriores descubrimientos de Newton y Kepler.

Tycho Brahe, nacido en 1546 en una Suecia de posesión danesa por entonces, elaboró, obtenidos unos cálculos muy precisos, una teoría intermedia según la cual los planetas orbitaban alrededor del sol a la vez que éste lo hacía alrededor de la tierra.

Sobre los cálculos de Brahe, su ayudante Johannes Kepler desarrolló unas leyes que acabaron definitivamente con la teoría de Tolomeo. Las tres leyes de Kepler son las siguientes:

Los planetas giran alrededor del sol en órbitas elípticas estando el sol en uno de sus focos. Contradecía así también a la teoría de Copérnico acercándose a la realidad.

El vector posición de cualquier planeta respecto del Sol, barre áreas iguales de la elipse en tiempos iguales. Dicho de otra manera, los planetas avanzan más rápidamente cuanto más cerca se encuentren del sol.

Para cualquier planeta, el cuadrado de su período orbital es directamente proporcional al cubo de la distancia media con el Sol. Lo que en lenguaje de a pie quiere decir que cuanto más lejos está el planeta del Sol más tiempo tarda en dar una vuelta –el planeta Tierra tarda un año; Plutón, el más alejado, tarda unos 248 años y medio-, y además la relación entre esa distancia y el tiempo es proporcional.

En 1609, Galileo Galilei, observando a través de un telescopio las fases del planeta Venus, pudo confirmar el sistema heliocéntrico. La otra gran hazaña de Galileo fue demostrar que, en contra de los postulados de Aristóteles, todos los objetos tardan lo mismo en caer, y que su velocidad al hacerlo aumenta de forma uniforme. Éste concepto puede resultar extraño. Podemos preguntarnos en un ejemplo extremo ¿Tardarían lo mismo en caer desde lo alto de la torre de pisa una esfera de plomo y otra de goma espuma? La respuesta es rotundamente sí, incluso un piano y una mandolina tardarían lo mismo en caer. La diferencia en la naturaleza la marca el rozamiento del aire, que frena las caídas de todos los objetos dentro de la atmósfera, de éste modo los paracaidistas no se estrellan contra el suelo. La tierra atrae con igual fuerza a la esfera de plomo y a la pluma, pero el rozamiento del aire hace que la pluma caiga más lentamente.

Galileo murió en una villa de Florencia, habiendo sido obligado por la inquisición a renunciar a sus ideas por considerarlas heréticas.

En el Siglo XVII, Newton (1687) formuló las leyes clásicas de la dinámica (Leyes de Newton) y la Ley de la Gravitación Universal.

A partir del Siglo XVIII se produce el desarrollo de otras disciplinas tales como la termodinámica, la mecánica estadística y la física de fluídos.

En el Siglo XIX se producen avances fundamentales en electricidad y magnetismo. En 1855, Maxwell unificó ambos fenómenos y las respectivas teorías vigentes hasta entonces en la Teoría del electromagnetismo, descrita a través de las Ecuaciones de Maxwell. Una de las predicciones de esta teoría es que la luz es una onda electromagnética. A finales de este siglo se producen los primeros descubrimientos sobre radiactividad dando comienzo el campo de la física nuclear. En 1897, Thompson descubrió el electrón.

Durante el Siglo XX la Física se desarrolló plenamente. En 1904 se propuso el primer modelo del átomo. En 1905 Einstein formuló la Teoría de la Relatividad Especial, la cual coincide con las Leyes de Newton cuando los fenómenos se desarrollan a velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. En 1915 Einstein 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. Planck, Einstein, Bohr y otros desarrollaron la Teoría cuántica a fin de explicar resultados experimentales anómalos

sobre la radiación de los cuerpos. En 1911 Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado positivamente a partir de experiencias de dispersión de partículas. En 1925, Heisenberg y en 1926 Schrödinger y 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 manera consistente con la Teoría de la Relatividad especial, alcanzando su forma moderna a finales de los 40 gracias al trabajo de Feynman, Schwinger, Tomonaga y Dyson, quienes formularon la Teoría de la Electrodinámica Cuántica. Asimismo, esta teoría suministró las bases para el desarrollo de la Física de Partículas. En 1954, Yang y Mills, desarrollaron las bases del Modelo Estándar. Este modelo se completó en los años 70 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. En la actualidad el modelo estándar describe todas las partículas elementales observadas así como la naturaleza de su interacción.

La investigación actual

En los últimos años, la investigación se ha dedicado, entre otros aspectos, al estudio de la estructura de los núcleos y a las partículas que aparecen en la fisión de tales núcleos, a la explotación rentable de la fusión nuclear, al fenómeno de la superconductividad, a la naturaleza de los agujeros negros, etc.

Se está buscando la obtención de energía procedente de la fusión nuclear debido a que los residuos que origina no son radiactivos, en oposición a los procedentes de la fisión nuclear. No obstante, aunque actualmente ya se ha logrado la fusión de átomos a pequeña escala, no se ha podido rentabilizar su explotación, a causa de que se necesita una gran cantidad de energía y aún no se dispone de confinamientos capaces de resistirla.

La Superconductividad es la propiedad que poseen ciertos metales de disminuir bruscamente su resistencia eléctrica cuando se enfrían a una temperatura menor a la denominada temperatura de transición. Aunque este fenómeno fue descubierto en 1911 por Onnes, actualmente se están investigando sus posibles aplicaciones. A lo largo del siglo XX se han ido descubriendo más características de los materiales superconductores, así, en 1933, Meisner observó que tenían la propiedad de impedir la penetración en su interior de los campos magnéticos externos. Éstos son realmente rechazados si son menores a un cierto valor crítico, pero si la intensidad magnética supera ese valor crítico, el campo penetra parcialmente en el interior.

Ya en 1957, Bardeen, Cooper y Schrieffer interpretaron la superconductividad de la siguiente manera: en la temperatura de transición, aparece un estado de mínima energía para los electrones de la red, los cuales forman pares acoplados a la vibración de la red metálica.

Los superconductores se usan para obtener potentes campos magnéticos, que se consiguen al hacer pasar una corriente eléctrica por alambres superconductores. Son superconductores el mercurio, el estaño, el

aluminio, el cinc, el uranio, el plomo, etc. La investigación se está orientando hacia la aplicación de este tipo de materiales en la electrónica y en la medicina.

El estudio de la naturaleza de los agujeros negros realizado por Stephen Hawking (n. 1942) ha sido uno de los grandes descubrimientos de la actualidad. Hawking ha contribuido, de esta manera, a la comprensión de la gravedad. Un Agujero negro es una región de enorme atracción gravitatoria alrededor de un punto denominado singularidad cuya densidad es tan alta que ni siquiera la luz puede escapar de él después de traspasar el horizonte de sucesos (borde del agujero).

La física contemporánea es el inicio de un estudio que revolucionan el pensamiento y abren las puertas hacia un futuro lleno de tecnología física.

A través del tiempo la física nos ha demostrado los aspectos que posee un elemento simple que día a día nos mejora la vida. La física posee diversas ramas las cuales tienen un inicio a partir de la época contemporánea, pues fue en esa época en la que los descubrimientos se dieron a conocer.

Esta tiene un inicio con los grandes pensadores como Aristóteles y Platón, los cuales plantearon problemas y su posible solución con los elementos que en este tiempo poseían.