Fundamentos de Física
Introducción
La física
describe principalmente la relación e interacciones entre la energía y la
materia. La ciencia se ha desarrollado para explicar el funcionamiento básico y
la estructura del universo y toda la materia contenida en el mismo. En este
tema aprenderemos los principales fundamentos de la física, como sabemos la fisicca
cuenta con diversos temas los cuales deben ser investigados y trabajados para
entenderlos mejor, en este reporte hablaremos de las cuatro teorías de las físicas
las cuales son fundamentales que aprendas y que sepas de que hablan o de que
tratan.
2.1 Desarrollo moderno de la Física
Física Moderna
La física
moderna está más enfocada al microscópico mundo de las partículas. Estudiada
desde la primera parte del siglo XX hasta la actualidad, la física moderna
incluye la mecánica cuántica, la física molecular y la física nuclear, etc.
Se denomina física clásica a la física basada en los
principios previos a la aparición de la mecánica cuántica. Incluye el estudio de la mecánica, la termodinámica, el electromagnetismo, la óptica, la acústica, la dinámica de fluidos, entre otras. La física clásica se considera determinista.
El
estudio de la física clásica incluye:
·
Los formalismos clásicos Lagrangianos y Hamiltonianos.
·
La mecánica de medios continuos que
incluye la mecánica de sólidos deformables y
la mecánica de fluidos.
Aunque la mecánica clásica y la mecánica relativista difieren en
algunos aspectos, aun así comparten entre sí algunas asunciones básicas que no
son aplicables a la mecánica cuántica:
·
Objetividad de las magnitudes físicas, según la cual magnitudes
como la posición, el momento lineal, la velocidad,
el momento angular, etc. preexisten con
independencia del observador y para cada instante del tiempo tienen un valor
bien definido (aunque no necesariamente igual para todos los observadores).
Esto contrasta con algunas interpretaciones de la mecánica cuántica que
rechazan la objetividad tal como aquí se ha definido.
·
Determinismo de la evolución temporal del sistema, que
implica que los valores de las magnitudes físicas del sistema satisfacen ecuaciones diferenciales bien
definidas, de tal manera que conocidos los valores iniciales puede predecirse
el valor de dichas magnitudes en el futuro a partir de las ecuaciones
diferenciales. Esto también contrasta con la mecánica cuántica que concede un
papel a la evolución no determinista: tras una medida se produce un colapso de la función de onda hacia
un estado compatible con la medida de manera no determinista, aunque en este
proceso las probabilidades de los posibles estados finales están fijadas, no lo
está el estado concreto al que se llegará.
2.1.2 Teoría Relativista
La teoría de la relatividad especial, formulada por Albert
Einstein en 1905, constituye uno de los avances científicos más importantes de
la historia. Alteró nuestra manera de concebir el espacio, la energía, el
tiempo y tuvo incluso repercusiones filosóficas, eliminando la posibilidad de un
espacio/tiempo absoluto en el universo.
Se complementa con la teoría de la
relatividad general, publicada en 1915, algo más compleja y que
pretende aunar la dinámica newtoniana con parte de las consecuencias de la
primera teoría especial.
Einstein se basó a su vez en dos hipótesis:
- Las
leyes de la física son las mismas mientras el sistema de referencia sea el
mismo e inercial. Esto es, ambos se mueven a una velocidad constante. Si
una ley se cumple en un sistema, también se debe cumplir en el otro.
- La
velocidad de la luz es una constante universal, que se define como c. Que
era constante lo habían demostrado algunos años antes otros dos grandes
científicos, Michelson y Morley.
Pero para
llegar al famoso E = mc2 antes tenemos que entender dos conceptos muy importantes: por
un lado qué es exactamente la relatividad y por otro lado entender el
espacio-tiempo y cómo define lo que se conoce como líneas de universo. Por último, aunque no deduciremos los pasos matemáticos
necesarios para llegar hasta la ecuación, veremos las consecuencias que tiene y
cómo se relaciona dentro de la teoría de la relatividad general.
E = mc2
A E = mc2 se llega a raíz de una
serie de ecuaciones que, debido al carácter más accesible de este post, no
tiene sentido explicar aquí aunque para quien tenga conocimientos medios de
física y matemática hay una explicación bastante buena aquí. Para llegar hasta la ecuación hace falta tener en
cuenta dos leyes importantes:
- Ley
de conservación del momento lineal: qué básicamente quiere
decir que cuando dos objetos entran en colisión a distinta velocidad (y
por tanto diferente momento lineal) la resultante de la suma de ambos
objetos ha de tener el mismo valor antes y después.
- La
famosa ley de conservación de la energía: La energía ni se crea ni
se destruye, sólo se transforma. Cambia de una forma de energía a otra.
2.1.3 Teoría Cuántica
Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber
energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribución
fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre,
formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud
simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.
Según Schrödinger la mecánica ondulatoria y la mecánica
de matrices son versiones matemáticas diferentes de una misma teoría, hoy
denominada mecánica cuántica. Incluso en el caso del átomo de hidrógeno, formado por sólo
dos partículas, ambas interpretaciones matemáticas son muy
complejas. El siguiente átomo más sencillo, el de helio, tiene tres partículas, e incluso en el sistema matemático
relativamente sencillo de la dinámica clásica, el problema de los tres cuerpos
(la descripción de las interacciones mutuas de tres cuerpos distintos) no se
puede resolver por completo. Sin embargo, sí es posible calcular los niveles de energía. Al aplicar la
matemática mecanocuántica a situaciones complejas, los físicos pueden emplear
alguna de las muchas formulaciones matemáticas.
Aportes de Einstein a
esta Teoría
Albert Einstein, empleó el
concepto del cuanto introducido por Planck para explicar determinadas
propiedades del efecto fotoeléctrico, un fenómeno
experimental en el que una superficie metálica emite electrones cuando incide
sobre ella una radiación. Según la teoría clásica, la energía de los electrones
emitidos medida por la tensión eléctrica que generan
debería ser proporcional a la intensidad de la radiación. Sin embargo, se
comprobó que esta energía era independiente de la intensidad que sólo
determinaba el número de electrones emitidos y dependía exclusivamente de la
frecuencia de la radiación.
2.1.4 Teoría de Unificación
de La Física
ORIGEN
EN lo que refiere a la unificación de fuerzas se hizo en la época de
Newton, y surge la primera unificación de Fuerza la Gravitación Universal.
EN 1860
Pero, luego de hacer experimentos se logró la primera unificación de la
electricidad y el magnetismo con ayuda de Maxwell.
EN EL SIGLO XX
Se dio un conocimiento de la estructura microscópica de la materia y se identificó
como la interacción débil y la interacción fuerte.
ACTUALMENTE
Quedaron reconocidas tres fuerzas: La Gravitoria, La Electro-Débil, y La
Fuerte
LAS CUATRO FUERZAS SON: Gravedad, Electromagnetismo,
Fuerzas Débiles y Fuertes.
Estas cuatro fuerzas o interraciones se manifiestan mediante campos de
ondas que ejerce efectos sobre las partículas, sobre los cuerpos y la energía.
Según el modelo estándar, las partículas que interaccionan con las partículas
materiales, fermiones, son los bosones.
FALTA POR DESCUBRIR
Muchos Físicos, argumentan con algunas teorías que la fuerza fuerte es la misma que la
electro-débil, esto sin poder demostrarlo con experimentos.
INTERACCIÓN GRAVITATORIA O GRAVEDAD
Es una fuerza extremadamente débil pero no tiene límites es su alcance
su influencia se reduce según aumenta la distancia y afecta a todas las
partículas incluso a las que no tienen masa como los fotones, no obstante en
presencia de cuerpos de gran masa puede tener un efecto enorme llevando a
colapsar estrellas bajo la fuerza gravitatoria interna de su propia masa dando
lugar a los famosos agujeros negros.
INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA O ELECTROMAGNETISMO
Esta fuerza son campos electromagnéticos, la
interacción de partículas con carga eléctrica, es 100 veces más débil que la
interacción fuerte pero mucho más fuerte que la gravedad y nos indica cómo
funciona la química y muchos acontecimientos de nuestra vida cotidiana.
Puede ser de dos tipos: Positiva y Negativa, cuando
dos partículas cuentan con distinta carga se atraen y cuando coinciden se
repelen, un ejemplo de esto es la forma en la que actúa un imán.
Teoría de la Unificación, una
teoría simple de todo:
Un grupo de Lie es una forma
matemática que es una colección de círculos que se superponen en un patrón
especifico, el grupo más simple es solo un circulo, si tomamos un segundo
circulo y lo ponemos al rededor del circulo interno de modo perpendicular
tenemos lo que se llama un toro lo cual parece ser la superficie de una dona, y
tomando un tercer circulo y manteniendolo perpendicular a los otros dos y lo
hacemos girar al rededor del circulo interno mientras lo hacemos girar haremos
que los 3 círculos giren alrededor de los otros creando una forma
tridimensional y así superponiendo círculos 248 veces tiene como resultado el
grupo de Lie E8.
Conclusión
Las 4 teorías de la física como
ya mencionamos en la introducción, son algo fundamental para manejar y conocer
a fondo la física, estas 4 teorías las cuales de hablo en el ensayo nos ayudan
a identificar para que sirve cada una y en que podemos aplicarlas. También, se habló
del desarrollo moderno de la física, concluimos lo antes dicho con que
aprendimos desde donde se comienza a desarrollar todo panorama y todo lo que
tiene en común cada dicho subtema.
Bibliografías
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