La física

La física es la ciencia que trata de la materia y de la energía, así como de las interacciones entre ambas. Como campo de estudio, es uno de los más antiguos; ya en la Grecia clásica, por ejemplo, Aristóteles teorizó sobre los cambios locales o movimientos, distinguiendo entre los naturales (la piedra cae y el humo asciende porque se dirigen hacia su lugar natural, la tierra y el cielo) y los violentos (los que contrarían el movimiento natural). Tales reflexiones, aún basándose en la observación de la naturaleza, tenían sin embargo más de especulación filosófica que de investigación científica.


Galileo Galilei

Por esta razón, los comienzos de la física como ciencia acostumbran a situarse en la primera mitad del siglo XVII, y se vinculan principalmente a la obra del científico italiano Galileo Galilei (1564-1642). Galileo estableció una serie de reglas básicas acerca de cómo debía obtenerse la información científica sobre los fenómenos naturales, afirmando, por ejemplo, que la única manera de conseguir un conocimiento verdadero de la naturaleza era llevando a cabo observaciones controladas (experimentos) que dieran como resultado cantidades mensurables. A Galileo se deben las primeras leyes sobre el movimiento, relativas a la caída de los cuerpos y a la trayectoria de los proyectiles. La física posterior, basada en medidas y experimentos precisos y formulada en términos matemáticos, haría honor a los fundamentos sentados por las enseñanzas de Galileo.

Física clásica y física moderna

Por lo común, el campo de estudio de la física se considera subdividido en dos grandes categorías: la física clásica y la física moderna. Históricamente, la frontera entre ambas subdivisiones se sitúa en los inicios del siglo XX, cuando se introdujo una serie de nuevas y revolucionarias concepciones relativas a la naturaleza de la materia, entre las que cabe destacar las teorías especial y general de la relatividad formuladas por Einstein, la noción de cuanto propuesto por Planck, el principio de indeterminación de Heisenberg y la equivalencia entre la materia y la energía.

En términos generales puede decirse que la física clásica trata de cuestiones a escala macroscópica, es decir, relativas a fenómenos que pueden observarse en gran parte directamente a través de los cinco sentidos. En contraste, la física moderna se ocupa de la naturaleza y el comportamiento de las partículas y la energía a nivel submicroscópico. El término submicroscópico hace referencia a objetos que (como los electrones de los átomos) son demasiado pequeños para poder observarlos ni siquiera con el más potente de los microscopios. Uno de los descubrimientos más interesantes realizado en los primeros años del siglo XX fue que las leyes de la física clásica no son generalmente válidas a nivel submicroscópico.


Albert Einstein

El descubrimiento posiblemente más sorprendente de los que se produjeron en las dos primeras décadas del siglo XX tuvo que ver con la causalidad, es decir, con la creencia en el vínculo entre causas y efectos. Las enseñanzas de la física clásica son del tipo «si se aplica una fuerza F a un cuerpo de masa m, éste experimentará una aceleración a». La fuerza es la causa y la aceleración el efecto, y el sentido de la fuerza y la relación matemática entre las tres magnitudes hace posible predecir la trayectoria que seguirá el cuerpo. Durante largo tiempo, este tipo de relación causa-efecto se consideró uno de los pilares principales de la física, de modo que, llegado el momento en que se describió el átomo como un núcleo con carga positiva rodeado de electrones con carga negativa, se pensó que había de ser posible calcular la trayectoria de los electrones partiendo de su carga y de su masa.

A comienzos del siglo XX, los físicos descubrieron que la naturaleza no era, en realidad, tan previsible, y que era preciso abandonar el estricto determinismo que había caracterizado la física clásica. No era posible seguir estando seguros de que A iba a tener siempre a B como consecuencia, por lo que empezaron a hablar, en cambio, de la probabilidad de que B fuera la consecuencia de A. Al representar un átomo, por ejemplo, dejó de ser posible referirse a la trayectoria seguida efectivamente por los electrones y se empezó a hablar, en cambio, de las trayectorias que los electrones probablemente siguen (con una probabilidad del 95 %, o del 90 %, o del 80 %).

Ramas de la física

Al igual que sucede en otras ciencias, la física se subdivide generalmente en un número de campos de investigación más concretos. En el caso de la física clásica, dichos campos comprenden la mecánica, la termodinámica, la acústica, el estudio de la luz y la óptica, así como la electricidad y el magnetismo. En cuanto a la física moderna, algunas de sus principales subdivisiones son la física atómica, la física nuclear, la física de altas energías y la física de partículas.

De entre las disciplinas clásicas, la mecánica es la parte más antigua de la física y trata de la descripción del movimiento y de sus causas. Muchos de los conceptos fundamentales de la mecánica proceden de las investigaciones realizadas por el físico inglés Isaac Newton (1642-1727), cuyos Principios matemáticos de la filosofía natural (1687), en los que estableció las leyes que rigen tanto el movimiento de los cuerpos terrestres como el de los astros, constituyen la culminación de la mecánica clásica. La termodinámica se desarrolló a principios del siglo XIX como consecuencia de los trabajos dirigidos a conseguir un buen rendimiento de la máquina de vapor; se ocupa de la naturaleza del calor y de su relación con el trabajo (en el sentido físico de trabajo realizado por una fuerza).


Principios matemáticos de la filosofía natural (1687), de Isaac Newton

La acústica, la óptica, la electricidad y el magnetismo son campos de la física en los que adquiere particular relevancia la naturaleza de las ondas y su movimiento. La acústica o estudio del sonido está también relacionada con las aplicaciones prácticas de esta forma de energía, como la comunicación por radio y el habla humana.

Análogamente, la óptica no sólo trata de la reflexión, la refracción, la difracción, las interferencias, la polarización y otros fenómenos propios de la luz, sino que se ocupa también de las aplicaciones prácticas de estos fenómenos a la construcción de instrumentos como telescopios y microscopios. El estudio de la electricidad y del magnetismo se centra en las propiedades de partículas tanto en reposo como en movimiento. La electrostática, por ejemplo, describe las fuerzas que actúan sobre partículas cargadas en reposo, mientras que el estudio de la corriente eléctrica trata del movimiento de las partículas eléctricas.

En el ámbito de la física moderna, la física atómica y la física nuclear incluyen el estudio del núcleo atómico y de sus partes, ocupándose sobre todo de los cambios que se producen en el átomo (como es el caso de la desintegración atómica). La física de partículas y la de altas energías, por su parte, se centran en la naturaleza de las partículas elementales que integran el mundo material. La investigación en ambos campos requiere el uso de instrumentos muy potentes y de fabricación muy costosa, como los aceleradores lineales y los sincrotrones (desintegradores de átomos).

A lo largo del siglo XX, se ha experimentado en todos los campos de la investigación científica una tendencia a explorar las interrelaciones entre las cinco ciencias fundamentales (física, química, astronomía, biología y geología). Ello ha dado pie a la aparición de una serie de ciencias especiales que se caracterizan por utilizar las leyes de la física para interpretar fenómenos pertenecientes a otros campos de estudio. Así, la astrofísica es el estudio de la composición de los cuerpos celestes (como las estrellas) y de los cambios que experimentan. La química física, por su parte, es un campo de investigación que centrada en la naturaleza física de las moléculas químicas. La biofísica, por poner un último ejemplo ejemplo, se ocupa de las propiedades físicas de las moléculas esenciales de los organismos vivos.