El objetivo principal de estudiar la historia de la física es reconstruir los muchos descubrimientos realizados por los físicos que se remontan a la antigüedad. Nunca ha habido un punto en la historia humana en el que la humanidad no haya deseado saber más sobre el universo. Muchos físicos han contribuido a nuestro conocimiento colectivo mediante el uso de observaciones y matemáticas para explicar exactamente cómo ocurren los eventos ordinarios. Como tal, rastrearemos la historia del pensamiento universal y demostraremos los desarrollos clave que han llevado al estado actual de nuestra comprensión.
La historia de la física está profundamente arraigada en la antigüedad y el pasado lejano. Los arqueólogos han demostrado sin duda razonable que los individuos antiguos tenían grandes poderes de observación. Sabemos esto por las estructuras megalíticas como “Stonehenge” que han sobrevivido hasta nuestros días como monumentos físicos. Los hombres a lo largo de la prehistoria reconocieron esta ardiente curiosidad por el universo e intentaron recrear eventos específicos, sentando las bases para el primer paso en el método científico: la observación cautelosa.
Además, las primeras herramientas para medir el tiempo surgieron en este momento de la historia humana. Entre los primeros se encuentran el hueso de Ishango, los huesos de Abri Blanchard e incluso las piedras de Stonehenge y Carnac. La descripción de procesos astronómicos específicos fue el primer paso en el desarrollo de la física. Sin embargo, tenemos una comprensión mucho más exacta de la física de la antigüedad. El paso del tiempo también fue un factor importante. El reloj de sol, el gnomon y la clepsidra (reloj de agua) son dispositivos con orígenes antiguos.
Muchos dispositivos de tracción, incluidas las máquinas de guerra, como la catapulta, pueden rastrear su ascendencia hasta Arquímedes.
El conocimiento griego fue formado por físicos como Arquímedes, Tales de Mileto y Eratóstenes, yendo mucho más allá de la mera medida del tiempo. La mayoría de estos filósofos han contribuido a nuestro conocimiento del universo desde que se interesaron por la materia y sus procesos. El término griego atomos significa “indivisible”, que es de donde obtenemos nuestro nombre moderno “átomo”. Demócrito (460 a. C.-370 a. C.) tenía razón al pensar que la materia consiste en partículas discretas separadas por un espacio vacío. Llamó a esas unidades más pequeñas e inseparables “átomos”.
Demócrito explicó el átomo, diciendo que los cuerpos que vemos como duros y masivos deben su coherencia a corpúsculos más enlazados e íntimamente vinculados. Según él, son los corpúsculos lisos y redondos los que forman los cuerpos de un líquido y del resto de la naturaleza.
Muchos dispositivos de tracción, así como ciertas máquinas de guerra, como la catapulta, pueden rastrear su ascendencia hasta Arquímedes (287-212 a. C.), quien ahora se considera el creador de la mecánica estática. Sin embargo, sus contribuciones al campo de la mecánica de fluidos le han llamado la atención. El “principio de Arquímedes” establece que todo cuerpo sumergido en un líquido (o un gas) recibe un empuje, que se ejerce de abajo hacia arriba, e igual al peso del volumen de líquido desalojado. Se dice que este descubrimiento ocurrió después de que Arquímedes gritara “¡Eureka!” (Lo he encontrado).
El término “empuje” en el principio de Arquímedes fue acuñado para este mecanismo de propulsión en particular. Aunque no podemos incluir aquí a todos los físicos antiguos, es importante al menos destacar a Eratóstenes (276-194 a. C.). Usando solo un palo y algunas matemáticas básicas, Eratóstenes determinó el tamaño de la Tierra.
Al mediodía en Alejandría, Eratóstenes midió el ángulo de los rayos del Sol con una vara vertical y lo encontró en 7 grados, dando crédito a la suposición de que los rayos del Sol eran paralelos. De manera similar, en Syene, una ciudad al sur de Alejandría, casi en el mismo meridiano, los rayos del sol no crearon sombras (0 grados) a la misma hora del día. Eratóstenes calculó la circunferencia de la Tierra en 25 072 millas (40 349 kilómetros) usando una relación proporcional (asumiendo que la Tierra era un globo de 360 grados), que está fuera de alrededor del 10 por ciento de la estimación que tenemos hoy.
La observación, la prueba de hipótesis y el uso de herramientas matemáticas para crear teorías son los medios por los cuales la física avanza y la información se acumula.
Avances en la física
A medida que se asentaba la Edad Media, proliferaban los conflictos. El conocimiento griego recopilado de la Antigüedad se pierde debido a invasiones, conquistas y guerras; no obstante, ciertos pensadores, como Boecio (480-524 d. C.), mantuvieron algunas herencias científicas de la antigüedad a través del Quadrivium. La edad de oro del progreso científico de los árabes musulmanes ocurrió mientras Occidente estaba en una edad oscura, y fue durante este tiempo que los trabajos científicos de los griegos fueron llevados a cabo por los árabes musulmanes. En particular, preservaron los registros escritos de los descubrimientos y los ampliaron, sentando las bases para una civilización basada en el conocimiento.
El álgebra y el trabajo de matemáticos como Averroes (1126–1198) muestran cómo la introducción del cero por parte de los árabes provocó una revolución en las matemáticas y allanó el camino para los avances en este campo. Cuando el astrónomo Alhazen (965–1039) creó el primer telescopio acuático, marcó el comienzo de una nueva era de descubrimientos que alteraría profundamente el campo. Cuando se le preguntó por qué la Luna parece más grande en determinados momentos o por qué brilla, Alhazen pudo dar una explicación racional.
Alhazen también hizo la primera mención registrada de la refracción, un concepto que desarrollarían los científicos posteriores. Alhazen propuso el concepto de inercia en mecánica, que finalmente fue adoptado por Galileo; también discutió la atracción de masas, que fue adoptada principalmente por Isaac Newton unos siglos más tarde. Durante el Renacimiento, varios científicos hicieron contribuciones innovadoras al campo de la física.
La siguiente figura importante es Galileo Galilei (1564-1642), un astrónomo y físico que alcanzó gran renombre gracias a innovaciones como el telescopio. El estudio de la dinámica le permitió comprender los caminos que toman los planetas, una idea que obtuvo en el transcurso de su carrera. Aparte de eso, Galileo ideó el concepto de inercia, que dice que un cuerpo está en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si no está sujeto a ninguna fuerza oa fuerzas cuya resultante es cero. Unos años más tarde, la Primera Ley de Newton se basaría en esta idea. René Descartes (1596-1650) dedicó más tiempo y energía al estudio de la óptica y finalmente formuló la expresión matemática de la regla de refracción de la luz y, por supuesto, la ley de reflexión.
Sin embargo, es seguro decir que las contribuciones del físico Isaac Newton (1643-1723) fueron las más significativas del siglo XVII. Al contribuir a varias disciplinas, incluidas la óptica, la mecánica y las matemáticas, Newton alteró radicalmente nuestra visión del universo. Con su trabajo sobre la refracción de la luz, Newton se basó en los descubrimientos realizados por Descartes (y Willebrord Snellius) al demostrar que un prisma separa la luz en sus colores componentes antes de recombinarlos para generar luz blanca. También inventó el telescopio Newton, que superó al de Galileo en términos de claridad de imagen, e investigó la difracción.
Isaac Newton desarrolló una teoría matemática de la mecánica que usaba vectores para representar las fuerzas responsables del movimiento de las cosas. Con la ayuda de su amigo, el astrónomo Edmund Halley (1656-1742), pudo formular tres reglas que se conocerían como “Leyes de Newton”, y también logró explicar cómo funcionaba la gravedad enunciando la ley de la gravitación universal. , ambos publicados en el libro de Newton Los principios matemáticos de la filosofía natural.
Finalmente, Gottfried Leibniz (1646-1716) fue una figura importante en el campo de la física en ese momento. Sus hallazgos teóricos sobre la conservación de la energía y el modelado teórico de las dimensiones espaciales y temporales fueron de gran ayuda para los científicos posteriores.
La historia de la física después de Newton
La comprensión de la energía y el movimiento (cinemática y dinámica) condujo al desarrollo de la termodinámica, una ciencia que reúne campos de estudio previamente separados. Llamado así por las antiguas palabras griegas para calor (thermos) y poder (dunamis), este subcampo de la física estudia las conexiones entre el movimiento y la energía (el calor es solo un medio para transportar energía). El avance de la industria (durante el período industrial) y la mejora de las máquinas de vapor se pueden atribuir a este nuevo tema de la física.
La medición de la velocidad de la luz mediante un interferómetro por Edward Morley (1838-1923) y Albert Abraham Michelson (1852-1931), quienes compartieron el Premio Nobel de Física, fue sin duda el descubrimiento más significativo del siglo. Su descubrimiento sacudió la dinámica de la física al descubrir que la velocidad de la luz era constante en todos los marcos de referencia del mismo medio. Esto significaba que la velocidad de la luz era la misma para todos los observadores sin importar su velocidad de movimiento.
Pero en realidad, la dinámica de la física dicta que un observador que viaja en la misma dirección que un fotón a alta velocidad debe percibir que el fotón va más lentamente para ese observador que para un observador en reposo (en el mismo marco de referencia). Solo la noción de contracción de la longitud de George FitzGerald (1851-1901), y más tarde la de Hendrik Lorentz (1853-1928), pudo explicar esto. Esta suposición contradecía directamente los principios de la mecánica clásica hasta que Einstein la hizo explícita.
Los aportes de Albert Einstein
Este hallazgo inesperado nunca se hizo compatible con la mecánica hasta Albert Einstein (1879-1955). En 1905, Einstein presentó su teoría de la relatividad especial, que demostraba que el movimiento resulta de una distorsión del espacio y el tiempo incluso si la velocidad de la luz permanece constante. Como resultado, Einstein demostró que el espacio y el tiempo no son fijos, sino que se expanden y contraen, como lo muestra el experimento imaginario de los gemelos de Paul Langevin (1872-1946), cuyas edades variarían dependiendo de si eran o no. había viajado a gran velocidad (según algún marco de referencia).
Reconciliar la relatividad especial con una teoría de la gravedad ahora era posible gracias a la teoría general de la relatividad que Einstein desarrolló entre 1907 y 1915. De hecho, Albert demostró que, en su opinión, la gravedad era solo una deformación del espacio-tiempo. Cuando un cuerpo, como una pelota, se coloca sobre una lámina de goma, la lámina se hundiría y esta atraería a la primera debido a las líneas gravitatorias creadas por esta deformación, o geodésicas.
Ernest Rutherford (1871–1937) allanó el camino para avances sin precedentes en la física nuclear a través de su trabajo en mecánica cuántica.
Debido a la relatividad general, la aplicación de la física newtoniana resultó ser limitada; ya no se aplicaría a objetos que viajan a velocidades muy altas. La relatividad general también abrió la puerta a ideas novedosas, como el agujero negro recién descubierto. Edwin Hubble (1889-1953), físico, también demostraría que las galaxias se están alejando unas de otras (al contrario de lo que la física newtoniana nos hizo suponer), dando lugar así al concepto de la expansión del universo a raíz de un evento que más tarde se denominó “Big Bang”.
En los siglos XIX y XX, la física siguió evolucionando con el desarrollo de nuevas tecnologías y el descubrimiento de nuevos fenómenos. La teoría de la relatividad de Albert Einstein, que describe el comportamiento de los objetos a altas velocidades y en fuertes campos gravitatorios, revolucionó el campo de la física y condujo al desarrollo de nuevas áreas de estudio como la física de partículas y la cosmología.
Hoy en día, la física es un campo muy diverso e interdisciplinario con aplicaciones en áreas como la ingeniería, la medicina y la tecnología. Los físicos continúan haciendo importantes descubrimientos y desarrollando nuevas teorías y tecnologías que tienen el potencial de transformar nuestra comprensión del mundo natural y nuestra vida cotidiana.