Capítulo 5

IA, LO BÁSICO DE LA FÍSICA

Galileo Galilei: pionero en la aplicación del método científico a la física; hizo importantes descubrimientos en mecánica, astronomía y cinemática. 

James Clerk Maxwell: sus ecuaciones del electromagnetismo unificaron los fenómenos eléctricos y magnéticos en una teoría coherente y proporcionaron la base para el desarrollo de la teoría de las ondas electromagnéticas, incluida la luz.

Según esta teoría, una onda electromagnética consiste en campos eléctricos y  magnéticos que oscilan perpendicularmente entre sí y en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Estos campos se propagan a la velocidad de la luz en el vacío, que es una constante universal.

La luz es un tipo de onda electromagnética, pero es solo una parte del espectro electromagnético, el cual incluye desde las ondas de radio, microondas y radiación infrarroja (de menor energía y longitud de onda) hasta los rayos X y los rayos gamma (de mayor energía y longitud de onda corta). La luz visible es solo una pequeña porción de este espectro, y su rango de longitudes de onda está entre aproximadamente 400 a 700 nanómetros que ha sido confirmada por numerosos experimentos y es una piedra angular de la física moderna, ya que proporciona una descripción unificada de fenómenos eléctricos y magnéticos, así como de la luz y otras formas de radiación electromagnética. 

Niels Bohr: uno de los fundadores de la mecánica cuántica y conocido por su modelo del átomo, que introdujo el concepto de niveles de energía cuantizados y sentó las bases para la comprensión moderna de la estructura atómica. 

Werner Heisenberg: formuló el principio de incertidumbre, que establece límites fundamentales sobre lo que podemos conocer simultáneamente sobre la posición y el momento de una partícula, y fue una figura clave en el desarrollo de la mecánica cuántica. 

La física es fascinante y está llena de conceptos atrayentes. Para  comprenderlos es útil realizar experimentos simples, resolver problemas prácticos y leer sobre el tema. Los principales campos de estudio de la física ofrecen un profundo  entendimiento de la naturaleza y el universo en su conjunto; cada uno de ellos tiene muchas ramificaciones y áreas especializadas. 

Área de la física y algunos de los científicos destacados asociados con ellas:

Mecánica clásica: estudia el movimiento de objetos macroscópicos bajo la influencia de fuerzas. Incluye conceptos como la cinemática (el estudio del movimiento en términos de posición, velocidad y aceleración); la dinámica (las causas del movimiento) y la estática (el estudio de objetos en equilibrio). 

Isaac Newton: sus tres leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal son fundamentales en la mecánica clásica y proporcionan las bases para comprender el movimiento de los cuerpos en el espacio. 

Teoría de la relatividad:

Albert Einstein: con su teoría de la relatividad especial y general, revolucionó nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la gravedad. Estableció que la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia y describió cómo la gravedad es una curvatura en el tejido del espacio-tiempo. 

Electromagnetismo:

James Clerk Maxwell: sus ecuaciones del electromagnetismo unificaron las teorías eléctricas y magnéticas en una sola teoría coherente, y predijeron la existencia de las ondas electromagnéticas, incluida la luz.

Michael Faraday: sus investigaciones sobre el electromagnetismo y la inducción electromagnética sentaron las bases para el desarrollo de la teoría electromagnética de Maxwell. 

Mecánica cuántica:
Niels Bohr: su modelo del átomo, con niveles de energía cuantizados, y sus contribuciones al desarrollo de la mecánica cuántica fueron fundamentales en la comprensión de la estructura atómica y el comportamiento de las partículas subatómicas 

Werner Heisenberg: formuló el principio de incertidumbre, que establece límites fundamentales de lo que podemos conocer simultáneamente sobre la posición y el momento de una partícula; una figura clave en el desarrollo de la mecánica cuántica. 

Termodinámica y física estadística: 

Ludwig Boltzmann: contribuyó significativamente al desarrollo de la mecánica estadística y explicó las propiedades macroscópicas de los sistemas físicos en términos de las propiedades microscópicas de sus componentes. 

Josiah Willard Gibbs: desarrolló la termodinámica estadística y formuló las leyes fundamentales de la termodinámica en un marco matemático coherente. 

Mecánica Cuántica: a diferencia de la clásica, la cuántica se centra en el comportamiento de partículas subatómicas, como electrones y fotones. Introduce conceptos como la dualidad onda-partícula, el principio de incertidumbre de Heisenberg y la superposición cuántica. 

Termodinámica: estudia cómo la energía se transfiere entre sistemas y afecta a la materia. Incluye conceptos como la temperatura, el calor, la entropía y las leyes de la termodinámica, que establecen los límites fundamentales para los procesos de conversión de energía. 

Electromagnetismo: trata de las interacciones entre cargas eléctricas y campos magnéticos. Incluye conceptos como la ley de Coulomb, la ley de Gauss, la ley de Ampere y las ecuaciones de Maxwell, que describen cómo los campos eléctricos y magnéticos se relacionan y se propagan. 

Relatividad: propuesta por Albert Einstein, describe cómo la gravedad surge de la curvatura del espacio-tiempo causada por la materia y la energía. La relatividad especial, por otro lado, trata con objetos que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz y cómo el tiempo y el espacio se ven afectados por ella. 

Física de partículas: estudia los átomos subatómicos y sus interacciones fundamentales. Incluye conceptos como quarks, leptones, bosones y fuerzas fundamentales como la electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. 

Cosmología: es el estudio del origen, la evolución y la estructura del universo en su conjunto. Incluye teorías sobre el Big Bang, la expansión del universo, la formación y evolución de las galaxias y la naturaleza de la materia y la energía oscuras. 

Conceptos Fundamentales: 

Espacio y tiempo: estudia cómo el espacio y el tiempo interactúan con la materia y la energía.
Materia y energía: la materia es cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa; la energía es la capacidad de realizar trabajo.
Sistemas de unidades: se usa Sistema Internacional de Unidades (SI) para medir cantidades físicas como longitud, masa, tiempo, etc. 

Mecánica: Cinemática: estudia el movimiento de los objetos sin considerar las causas que lo producen.

Dinámica: analiza las causas del movimiento, como la fuerza y la masa, y cómo afectan al movimiento de un objeto.

Estática: se centra en los cuerpos en equilibrio, es decir, que no están en movimiento.  

Termodinámica:

Leyes de la termodinámica: establecen principios fundamentales sobre el comportamiento del calor y la energía en los sistemas físicos.

Temperatura y calor: la temperatura mide la energía cinética promedio de las partículas en un sistema, mientras que el calor es la transferencia de energía térmica entre dos sistemas debido a una diferencia de temperatura. 

Electricidad y Magnetismo:

Carga eléctrica: la propiedad fundamental de la materia que crea campos y fuerzas eléctricas.

Corriente eléctrica: el flujo ordenado de cargas eléctricas a través de un conductor.

Campo magnético: enfoque de influencia alrededor de un imán o una corriente eléctrica donde se ejerce una fuerza magnética sobre otras cargas en movimiento. 

Óptica:

Óptica geométrica: estudia la propagación de la luz en términos de rayos que viajan en línea recta. 

Óptica física: se centra en los aspectos físicos de la luz, como la interferencia y la difracción. 

Ondas:

Ondas mecánicas: se propagan a través de un medio material, como las ondas en una cuerda o las ondas sonoras.

Ondas electromagnéticas: no requieren un medio material y pueden propagarse a través del vacío, como la luz y las ondas de radio. 

Relatividad y Física Cuántica: 

Relatividad especial: descripción de cómo el espacio y el tiempo están interrelacionados y cómo se ven afectados por la velocidad. 

Física cuántica: estudia los fenómenos a escalas muy pequeñas como los átomos y las partículas subatómicas. 

Los átomos son las unidades básicas de la materia, constituyentes de todo lo que nos rodea. Están compuestos por un núcleo central que contiene partículas subatómicas llamadas protones y neutrones, rodeados por electrones que orbitan alrededor del núcleo en regiones denominadas "capas" o "niveles de energía". Las partículas subatómicas son aquellas que constituyen los átomos y se encuentran a una escala más pequeña que estos. Las principales partículas subatómicas son:

Protones: tienen una carga eléctrica positiva y se encuentran en el núcleo del átomo. La cantidad de protones determina el tipo de átomo y lo identifica como un elemento químico específico.

Neutrones: son partículas neutras, sin carga eléctrica, que también se encuentran en el núcleo junto con los protones. Contribuyen a la estabilidad del núcleo atómico y afectan su masa, pero no influyen en las propiedades químicas del átomo.

Electrones: son partículas con carga eléctrica negativa que orbitan alrededor del núcleo en diferentes capas o niveles de energía. Son responsables de las propiedades químicas de un átomo y de la forma como interactúa con otros para formar enlaces químicos y compuestos.

Además de estas, existen otras partículas subatómicas, como los neutrinos, los quarks y los bosones, que desempeñan roles importantes en la física de partículas y en nuestra comprensión del universo a niveles fundamentales. 

Por otro lado, la superposición cuántica es un concepto que surge de la mecánica y se refiere al hecho de que el sistema puede existir en múltiples estados simultáneamente hasta que se realiza una medición. Significa que, antes de medir el estado de un sistema cuántico, este puede estar en una combinación de diferentes momentos posibles, lo que se conoce como una superposición de estados. La superposición cuántica es esencial para entender fenómenos como la interferencia cuántica y es fundamental para la computación cuántica. 

Leyes y ecuaciones fundamentales en el estudio del electromagnetismo: juntas, estas leyes y ecuaciones son fundamentales en la comprensión y descripción del electromagnetismo en la física clásica.