Física para niños

El sistema solar se puede explicar con gran aproximación mediante la mecánica clásica, usando las leyes de movimiento y gravitación universal de Newton. Solo algunas pequeñas desviaciones en el perihelio de Mercurio, que fueron descubiertas tardíamente, no podían ser explicadas por su teoría. La solución al problema del perihelio fue dada por el modelo teórico de Einstein y comprobada por los científicos Sir Frank Watson Dyson, Arthur Eddington y C. Davidson en 1919.

La mecánica clásica es la rama de la física que estudia cómo se comportan los objetos físicos grandes (macroscópicos) que están en reposo o se mueven a velocidades mucho menores que la de la velocidad de la luz. En la mecánica clásica, el tiempo se considera absoluto, y el movimiento de los sistemas se predice de forma precisa.

El primer desarrollo de la mecánica clásica se llama mecánica newtoniana, basada en los trabajos de Sir Isaac Newton en el siglo XVII. Otros científicos como Gottfried Wilhelm Leibniz y Joseph-Louis Lagrange también contribuyeron con métodos matemáticos. Más tarde, se desarrollaron formas más avanzadas como la mecánica lagrangiana y la mecánica hamiltoniana, que usan matemáticas más complejas.

La mecánica clásica es muy precisa para estudiar objetos grandes que no son extremadamente masivos y que se mueven a velocidades normales. Sin embargo, cuando los objetos son tan pequeños como un átomo, se necesita la mecánica cuántica. Para velocidades cercanas a la de la luz, se usa la relatividad especial. Y para objetos muy masivos, se aplica la relatividad general.

Existen diferentes maneras de describir los fenómenos naturales en mecánica clásica, pero todas llegan a las mismas conclusiones.

La mecánica vectorial, basada en las leyes de Newton, usa el cálculo diferencial e integral para describir los fenómenos físicos. Es útil para cuerpos que se mueven a velocidades bajas en comparación con la luz. Se enfoca en la fuerza y el momentum.

La mecánica analítica es una forma matemática más abstracta de la mecánica. Permite describir el movimiento de manera más general usando el cálculo de variaciones. Sus métodos son muy potentes y se usan en otras áreas de la física. Científicos como Leibniz propusieron usar magnitudes escalares (como la energía cinética) en lugar de vectoriales (como la fuerza). Hay dos formulaciones principales: la mecánica lagrangiana, basada en las ecuaciones de Euler-Lagrange, y la mecánica hamiltoniana, basada en una función llamada hamiltoniano. Ambas son equivalentes a las ecuaciones de Newton.

Ferrofluido que se agrupa cerca de los polos de un imán poderoso.

El electromagnetismo es la rama de la física que une los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría. Describe cómo las partículas con carga eléctrica interactúan con los campos eléctricos y magnéticos. La interacción electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo.

El electromagnetismo estudia los efectos del magnetismo que provienen de la corriente eléctrica. El magnetismo, por su parte, examina los fenómenos relacionados con los imanes. Su nombre viene de Magnesia, un lugar en Asia Menor donde se encontraron por primera vez las magnetitas, piedras que atraen ciertos metales.

El electromagnetismo explica muchos fenómenos de la vida real, como la luz, que es un campo electromagnético que se mueve en forma de ondas. La mayoría de las fuerzas que experimentamos a diario, aparte de la gravedad, son resultado del electromagnetismo.

Los principios del electromagnetismo se aplican en muchas áreas, como las microondas, antenas, máquinas eléctricas, comunicaciones por satélite, fibra óptica y meteorología por radar. Dispositivos como transformadores, radio, TV, teléfonos, motores eléctricos y láseres funcionan gracias al electromagnetismo.

Michael Faraday sentó las bases de la teoría electromagnética, y James Clerk Maxwell la formuló completamente en 1865. Su formulación incluye cuatro ecuaciones que relacionan los campos eléctricos y magnéticos con sus fuentes. Esto se considera la "segunda gran unificación de la física", después de la de Isaac Newton.

El estudio de los campos electromagnéticos se divide en electrostática (interacciones entre cargas en reposo) y electrodinámica (interacciones entre cargas en movimiento y la radiación). La teoría clásica del electromagnetismo se basa en la fuerza de Lorentz y las ecuaciones de Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos, lo que significa que sus explicaciones se basan en magnitudes físicas que dependen de la posición en el espacio y del tiempo. Describe fenómenos macroscópicos (grandes) que involucran cargas eléctricas en reposo y en movimiento. Sin embargo, no describe fenómenos atómicos y moleculares. La electrodinámica cuántica ofrece una descripción cuántica de esta interacción.

Impresión de un artista sobre la teoría de la relatividad.

La teoría de la relatividad incluye la teoría de la relatividad especial y la relatividad general, formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX. Estas teorías buscaban resolver la incompatibilidad entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo.

La teoría de la relatividad especial, publicada en 1905, trata el movimiento de los cuerpos sin fuerzas gravitatorias. Hizo compatibles las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo con las leyes del movimiento. En esta teoría, Einstein, Lorentz y Minkowski unieron los conceptos de espacio y tiempo en un solo concepto: el espacio-tiempo. La relatividad especial fue revolucionaria, ya que el tiempo absoluto de Isaac Newton fue reemplazado, y se introdujeron ideas como la velocidad constante de la luz, la dilatación del tiempo, la contracción de la longitud y la equivalencia entre masa y energía. Además, las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia que se mueven a velocidad constante. Como resultado, la velocidad de la luz es el límite superior de velocidad. Las leyes de movimiento de Newton son un caso particular de esta teoría cuando las velocidades son muy pequeñas.

La teoría de la relatividad general, publicada en 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana. Coincide con ella para campos gravitatorios débiles y velocidades bajas. La relatividad general estudia la interacción gravitatoria como una deformación en la geometría del espacio-tiempo. Introduce la idea de que la curvatura del espacio-tiempo es la causa de la interacción gravitatoria. También establece que las leyes de la relatividad especial son las mismas para todos los observadores locales. La relatividad general no es la única teoría de la gravedad, pero es la que ha encontrado más pruebas. Fenómenos como la curvatura de la luz por la gravedad y la desviación en la órbita de Mercurio son predichos por esta teoría. La relatividad general también abrió el campo de la cosmología y se usa mucho en la astrofísica.

El 7 de marzo de 2010, la Academia Israelí de Ciencias mostró públicamente los manuscritos originales de Einstein (de 1905). El documento, con 46 páginas de textos y fórmulas matemáticas escritas a mano, fue donado por Einstein a la Universidad Hebrea de Jerusalén en 1925.

Transferencia de calor por convección.

Máquina térmica típica donde se puede observar la entrada desde una fuente de calor (caldera) a la izquierda y la salida a un disipador de calor (condensador) a la derecha. El trabajo se extrae en este caso mediante una serie de pistones.

Versión en color anotada de la máquina de calor Carnot original de 1824 que muestra el cuerpo caliente (caldera), el cuerpo de trabajo (sistema, vapor) y el cuerpo frío (agua), las letras etiquetadas de acuerdo con los puntos de parada en el ciclo de Carnot

La termodinámica es la rama de la física que describe los estados de equilibrio termodinámico a nivel macroscópico (es decir, de objetos grandes). Es una teoría que estudia sistemas reales usando la lógica y experimentos. Los estados de equilibrio se definen por magnitudes como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición de un sistema, o por magnitudes como la temperatura, presión y el potencial químico.

La termodinámica estudia los procesos de transferencia de calor, que es una forma de energía, y cómo se puede usar para realizar un trabajo. Describe cómo la materia en sus diferentes fases (sólido, líquido, gaseoso) se transforma. Desde un punto de vista macroscópico, estudia cómo la materia reacciona a cambios en su volumen, presión y temperatura. La termodinámica se basa en cuatro principios fundamentales: el equilibrio termodinámico (principio cero), la conservación de la energía (primer principio), el aumento de la entropía con el tiempo (segundo principio) y la imposibilidad de alcanzar el cero absoluto (tercer principio).

Una consecuencia de la termodinámica es la física estadística. Esta rama también estudia la transferencia de calor, pero desde un punto de vista molecular. Como la materia está compuesta por moléculas, y es difícil predecir el comportamiento de una sola, se usa la estadística para describir el comportamiento general de un conjunto de moléculas.

La termodinámica se aplica a estados de equilibrio, que son estados estables donde las propiedades de un sistema no cambian con el tiempo. Cuando se cambian las condiciones (por ejemplo, permitiendo que un sistema se expanda o que el calor fluya), el sistema evoluciona a un nuevo estado de equilibrio. La termodinámica permite estudiar los intercambios de masa y energía térmica entre diferentes sistemas.

Como ciencia, la termodinámica no explica la naturaleza física de sus magnitudes. La energía interna se ve como una manifestación de la conservación de la energía a nivel microscópico. La energía puede intercambiarse entre sistemas como calor o trabajo. También se introduce la entropía, que mide el grado de orden de un sistema y su tendencia a evolucionar. La física estadística da una interpretación física de estas magnitudes: la energía interna es la suma de las energías de los átomos y moléculas, y la entropía mide el desorden y está relacionada con la teoría de información.

La termodinámica describe cómo los sistemas reaccionan a los cambios en su entorno. Esto se aplica en muchas áreas de la ciencia y la ingeniería, como motores, cambios de fase, reacciones químicas e incluso agujeros negros.

Funciones de onda del electrón en un átomo de hidrógeno en diferentes niveles de energía. La mecánica cuántica no puede predecir la ubicación exacta de una partícula en el espacio, solo la probabilidad de encontrarla en diferentes lugares. Las áreas más brillantes representan una mayor probabilidad de encontrar el electrón.

Esquema de una función de onda monoelectrónica u orbital en tres dimensiones.

Esquema de un orbital en dos dimensiones

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia la naturaleza a escalas muy pequeñas, como los sistemas atómicos y subatómicos. Analiza cómo interactúan con la radiación electromagnética y otras fuerzas. Se basa en la idea de que toda energía se libera en unidades discretas llamadas cuantos. Las partículas pueden ser de dos tipos: fermiones o bosones. Algunos bosones están relacionados con una -interacción fundamental (como el fotón con el electromagnetismo).

Sorprendentemente, la teoría cuántica solo permite calcular las características de las partículas elementales de forma probabilística o estadística, usando funciones de onda. La ecuación de Schrödinger es clave en la mecánica cuántica, prediciendo el comportamiento futuro de un sistema y la probabilidad de ciertos eventos.

En la física clásica, la energía se veía como algo continuo, y la materia ocupaba un lugar exacto en el espacio y se movía de forma continua. Pero según la teoría cuántica, la energía se emite y absorbe en cantidades muy pequeñas y discretas. Un paquete de energía, llamado cuanto, a veces se comporta como una partícula. Además, se descubrió que las partículas muestran propiedades de ondas cuando se mueven y no están localizadas en un solo lugar, sino que se extienden. La luz o radiación emitida o absorbida por un átomo solo tiene ciertas frecuencias (o longitudes de onda), lo que se ve en el espectro de un elemento químico. La teoría cuántica explica que estas frecuencias corresponden a niveles definidos de cuantos de luz (fotones), y que los electrones en el átomo solo pueden tener ciertos valores de energía. Cuando un electrón cambia de un nivel a otro, se emite o absorbe energía, cuya frecuencia es proporcional a la diferencia de energía entre los niveles.

La mecánica cuántica surgió a principios del siglo XX para resolver problemas que las teorías anteriores no podían explicar, como la catástrofe ultravioleta en la radiación de cuerpo negro y la inestabilidad de los átomos en el modelo atómico de Rutherford. La primera idea cuántica fue de Max Planck en 1900, y Albert Einstein la usó para explicar el efecto fotoeléctrico. Las primeras formulaciones matemáticas completas de la mecánica cuántica aparecieron a mediados de la década de 1920.

El formalismo de la mecánica cuántica se desarrolló en la década de 1920. En 1924, Louis de Broglie propuso que las partículas también tienen propiedades ondulatorias, al igual que las ondas de luz tienen propiedades de partículas. Después, surgieron dos formulaciones: la mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger (1926), que usa una función de onda para la probabilidad de encontrar una partícula, y la mecánica matricial de Werner Heisenberg (1925), que no usa funciones de onda pero es matemáticamente equivalente. Un descubrimiento importante es el principio de incertidumbre, enunciado por Heisenberg en 1927, que establece un límite en la precisión de ciertas mediciones. Esto significó que la idea clásica de medir el estado exacto de un sistema para predecir su futuro debía ser abandonada, lo que causó muchas discusiones entre los físicos.

La mecánica cuántica no incluye la relatividad en su formulación matemática original. La parte que sí lo hace se llama mecánica cuántica relativista o teoría cuántica de campos (que incluye la electrodinámica cuántica y el modelo estándar). La única interacción fundamental que aún no se ha podido describir cuánticamente es la interacción gravitatoria, lo que es un gran desafío para la física del siglo XXI. La mecánica cuántica se combinó con la relatividad en la formulación de Paul Dirac (1928), que predijo la existencia de antipartículas. Otros desarrollos incluyen la estadística cuántica y la electrónica cuántica.

La mecánica cuántica es la base para entender el átomo, su núcleo y las partículas elementales. También ha tenido un gran impacto en la teoría de la información, la criptografía y la química.

Los conceptos físicos fundamentales son aquellos que aparecen en todas las teorías físicas que describen la materia, desde la mecánica clásica hasta la teoría cuántica de campos. Su importancia radica en que están presentes en cualquier descripción razonable del Universo, sin importar las suposiciones o simplificaciones.

Un concepto físico se entiende dentro de la teoría en la que aparece. Por ejemplo, la descripción clásica de un gas usa el concepto de medio continuo, aunque la materia esté hecha de átomos discretos. Esto no impide que el concepto sea útil en la mecánica de fluidos. De igual forma, la mecánica newtoniana ve la gravedad como una fuerza, mientras que la relatividad general la considera una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo.

Si se revisa una lista de conceptos físicos, muchos solo tienen sentido en una teoría específica. Sin embargo, un pequeño grupo de conceptos aparece en la física clásica, la relativista y la cuántica. Estos son los conceptos físicos fundamentales, e incluyen: espacio, tiempo, energía, masa y carga eléctrica.

Emmy Noether, eminente física teórica. Revolucionó las teorías de anillos, cuerpos y álgebras. El teorema que lleva su nombre, teorema de Noether, formulado por ella misma, explica la conexión fundamental entre la simetría en física y las leyes de conservación.

La física teórica es la rama de la física que crea teorías y modelos usando el lenguaje matemático. Su objetivo es explicar y entender los fenómenos físicos, y predecir cómo se comportarán los sistemas físicos. Busca comprender el Universo desarrollando modelos matemáticos y conceptuales de la realidad.

Aunque ya existían trabajos anteriores, la física teórica cobró mucha fuerza con la mecánica analítica (de Joseph-Louis de Lagrange y William Rowan Hamilton) y se volvió muy importante con las revoluciones de la mecánica cuántica y la relatividad a principios del siglo XX. Por ejemplo, la bomba atómica fue una predicción de la física teórica.

Hoy en día, la investigación en física se ha especializado tanto que hay físicos dedicados a la teoría y otros a los experimentos. Los teóricos buscan modelos matemáticos que expliquen los resultados experimentales y ayuden a predecir futuros resultados. Así, la teoría y los experimentos están muy relacionados. El progreso en física a menudo ocurre cuando un experimento da un resultado que no puede ser explicado por las teorías actuales, lo que obliga a buscar un nuevo enfoque.

La física teórica tiene una relación importante con la física matemática. Esta última se enfoca en analizar las propiedades de las estructuras matemáticas usadas en la física teórica y en buscar generalizaciones que puedan describir los sistemas de forma más compleja y general. La física teórica está muy ligada a las matemáticas, ya que estas son el lenguaje para desarrollar las teorías. Los teóricos usan el cálculo diferencial e integral, el análisis numérico y simulaciones por computadora para validar sus modelos. Los campos de la física computacional y las matemáticas son áreas de investigación activas.

Los teóricos pueden imaginar conceptos como universos paralelos, espacios con muchas dimensiones, cuerdas minúsculas que vibran o una teoría que lo explique todo, y a partir de ahí, proponer hipótesis físicas.

Efecto Meissner, un ejemplo de superconductividad.

Celda hexagonal del niobato de litio.

La física de la materia condensada es la rama de la física que estudia las características físicas de los materiales a gran escala (macroscópicas), como la densidad, la temperatura, la dureza o el color. Se refiere a las fases "condensadas" de la materia, que aparecen cuando hay un número muy grande de partículas en un sistema y estas interactúan fuertemente. Los ejemplos más comunes de fases condensadas son los sólidos y los líquidos, que se forman por las interacciones electromagnéticas entre los átomos.

Entre las fases condensadas más especiales están los superfluidos y el condensado de Bose-Einstein, que se encuentran en ciertos sistemas atómicos a temperaturas extremadamente bajas. También está la fase superconductora, donde los electrones pueden fluir sin resistencia en algunos materiales, y las fases ferromagnética y antiferromagnética de los espines en redes atómicas. La física de la materia condensada busca relacionar las propiedades macroscópicas (que se pueden medir) con el comportamiento de sus componentes a nivel microscópico o atómico, para entender mejor los materiales.

La física de la materia condensada es la rama más grande de la física actual. Se estima que un tercio de los físicos en Norteamérica trabajan en este campo. Históricamente, surgió de la física del estado sólido, que ahora es una de sus subramas principales. El término "física de la materia condensada" fue acuñado por Philip Anderson en 1967. Este campo se superpone mucho con la química, la ciencia de materiales, la nanotecnología y la ingeniería.

Una razón por la que se le dio este nombre es que muchos conceptos y técnicas desarrollados para estudiar sólidos también se aplican a sistemas fluidos. Por ejemplo, los electrones en un conductor eléctrico forman un tipo de líquido cuántico similar a un fluido de átomos. El fenómeno de la superconductividad, donde los electrones se condensan en una nueva fase fluida sin disipación, es muy parecido a la fase superfluida del helio-3 a temperaturas muy bajas.

Estructura del diamante.

Compuestos formados por moléculas

La física molecular es la rama de la física que estudia la estructura atómica de la materia y cómo interactúa con su entorno, ya sea con otra materia o con la luz.

Por ejemplo, aborda problemas de dinámica y reacciones, dispersión, interacciones con campos electromagnéticos, enfriamiento y atrapamiento de átomos, interferometría atómica, e interacciones de haces de iones y átomos con superficies. Además, tiene muchas conexiones con la biología, la fisicoquímica, las ciencias de los materiales, la óptica, la física de la atmósfera, la física del plasma y la astrofísica. Juega un papel fundamental en la solución de preguntas básicas sobre átomos y moléculas.

La física molecular utiliza enfoques tanto clásicos como cuánticos, ya que puede estudiar sus problemas desde puntos de vista microscópicos (muy pequeños) o macroscópicos (grandes).

Esquema que explica la emisión alfa. Muestra una partícula alfa (α) expulsada del núcleo de un átomo. Los protones se muestran en rojo y los neutrones en azul.

La física atómica es la rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los átomos (electrones y núcleos atómicos), así como las interacciones entre materia y materia, y luz y materia, a la escala de átomos individuales. El estudio de la física atómica incluye cómo los electrones se organizan alrededor del núcleo y cómo este orden puede cambiar. También abarca los iones, los átomos neutros y cualquier otra partícula que sea parte de los átomos. La física atómica utiliza enfoques tanto clásicos como cuánticos, ya que puede estudiar sus problemas desde puntos de vista microscópicos y macroscópicos.

La física atómica y la física nuclear son diferentes. La primera se ocupa de todas las partes del átomo, mientras que la segunda solo se enfoca en el núcleo del átomo, que es muy complejo. Se podría decir que la física atómica trata con las fuerzas electromagnéticas del átomo y considera al núcleo como una partícula puntual con propiedades como masa, carga y espín.

La investigación actual en física atómica se centra en actividades como el enfriamiento y la captura de átomos e iones. Esto es importante para reducir el "ruido" en las mediciones y evitar imprecisiones en experimentos (por ejemplo, en los relojes atómicos). También busca aumentar la precisión de las mediciones de constantes físicas fundamentales, lo que ayuda a validar otras teorías como la relatividad o el modelo estándar. Además, estudia el comportamiento colectivo de los átomos de gases que interactúan débilmente (como en un condensado de Bose-Einstein).

Física nuclear • Núcleo • Nucleones (p, n) • Materia nuclear • Fuerza nuclear • Estructura nuclear • Procesos nucleares

La física nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades, el comportamiento y las interacciones de los núcleos atómicos. En un sentido más amplio, la física nuclear y de partículas estudia la estructura fundamental de la materia y las interacciones entre las partículas subatómicas.

La física nuclear es conocida principalmente por el uso de la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de ciertas tecnologías. Sin embargo, este campo ha generado aplicaciones en diversas áreas, como la medicina nuclear, las imágenes por resonancia magnética, la ingeniería de implantación de iones en materiales y la datación por radiocarbono en geología y arqueología.

Diagrama de Feynman de una desintegración beta, proceso mediante el cual un neutrón puede convertirse en protón. En la figura, uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda (quark d en azul) emite una partícula W⁻, pasando a ser un quark (u); la partícula emitida (W⁻) se desintegra en un antineutrino y un electrón.

Actualmente, las partículas elementales se clasifican según el modelo estándar en dos grandes grupos: bosones y fermiones. Los bosones tienen un tipo de espín entero (0, 1 o 2) y son las partículas que transmiten las interacciones. Los fermiones tienen un espín semientero (1/2 o 3/3) y son las partículas que forman la materia. El modelo estándar explica cómo las interacciones fundamentales (en forma de bosones) interactúan con las partículas de materia (fermiones). Por ejemplo, el electromagnetismo tiene su partícula llamada fotón, la interacción nuclear fuerte tiene al gluón, la interacción nuclear débil a los bosones W y Z, y la gravedad a una partícula hipotética llamada gravitón. Entre los fermiones hay dos tipos: los leptones y los quarks. En total, el modelo estándar contiene 24 partículas fundamentales que forman la materia (12 pares de partículas y sus antipartículas) junto con tres familias de bosones de gauge que transportan las interacciones.

Los principales centros de estudio de partículas son el Laboratorio Nacional Fermi o Fermilab en Estados Unidos y el Centro Europeo para la Investigación Nuclear o CERN en la frontera entre Suiza y Francia. En estos laboratorios se logran energías similares a las que se cree que existieron en el Big Bang, lo que ayuda a obtener más pruebas sobre el origen del universo.

Imagen de la galaxia de Andrómeda en infrarrojo.

La astrofísica es la aplicación de la física a la astronomía. Estudia las estrellas, los planetas, las galaxias, los agujeros negros y otros objetos astronómicos como cuerpos físicos. Analiza su composición, estructura y cómo evolucionan, usando las leyes y fórmulas de la física. La astrofísica comenzó posiblemente en el siglo XIX, cuando los espectros permitieron descubrir la composición física de las estrellas. Una vez que se entendió que los cuerpos celestes están hechos de los mismos elementos que la Tierra y que las mismas leyes de la física y la química se aplican a ellos, nació la astrofísica. Se basa en la idea de que las leyes de la física y la química son universales, es decir, las mismas en todo el universo.

Como la astrofísica es un campo muy amplio, los astrofísicos usan muchas disciplinas de la física, como la física nuclear (Nucleosíntesis estelar), la física relativista, la mecánica clásica, el electromagnetismo, la física estadística, la termodinámica, la mecánica cuántica, la física de partículas y la física atómica y molecular. Además, la astrofísica está muy ligada a la cosmología, que busca describir el origen del universo.

Esta área, junto con la física de partículas, es una de las más estudiadas y emocionantes de la física actual. Desde que el telescopio espacial Hubble nos dio información detallada de los rincones más lejanos del universo, los físicos han tenido una visión más clara de lo que antes eran solo teorías.

Hoy en día, casi todos los astrónomos tienen una sólida formación en física, y las observaciones siempre se interpretan en un contexto astrofísico. Por eso, los campos de la astronomía y la astrofísica suelen usarse indistintamente. Tradicionalmente, la astronomía se centraba en el movimiento de los objetos, mientras que la astrofísica buscaba explicar su origen, evolución y comportamiento. Actualmente, ambos términos se usan para referirse al estudio del universo.

La Kinesina utiliza dinámica de dominios de proteínas a nanoescalas para "caminar" a lo largo de un microtúbulo.

La biofísica es la ciencia que estudia la biología usando los principios y métodos de la física. Su objetivo es describir los fenómenos físicos que ocurren en las células y organismos vivos. Incluye la biomecánica, el bioelectromagnetismo, y la aplicación de la termodinámica y otras disciplinas para entender cómo funcionan los sistemas biológicos. Un enfoque reciente aplica la mecánica cuántica y su naturaleza probabilística a los sistemas biológicos, ofreciendo métodos físicos para explicar propiedades biológicas.

Se debate si la biofísica es una rama de la física, de la biología o de ambas. Se puede decir que el conocimiento fluye principalmente hacia la biología, que se ha enriquecido con conceptos físicos. Desde un punto de vista, los conocimientos y enfoques de la física "pura" se pueden aplicar al estudio de sistemas biológicos. En ese caso, la biofísica aporta a la biología, pero no a la física. Sin embargo, la biofísica también ofrece a la física pruebas experimentales que confirman teorías. Ejemplos incluyen la física de la audición, la biomecánica y los motores moleculares. La biomecánica, por ejemplo, aplica conceptos de la dinámica clásica y la mecánica de sólidos deformables al movimiento y estructura del cuerpo.

El término biofísica fue introducido por Karl Pearson en 1892. También se usa para referirse al estudio de las cantidades físicas (como la corriente eléctrica, temperatura, estrés, entropía) en sistemas biológicos. Otras ciencias biológicas como la biología molecular y la bioquímica también investigan las propiedades biofísicas.

Se espera que en el siglo XXI, físicos, biólogos y químicos trabajen cada vez más juntos en los mismos laboratorios. Los estudios en neurociencia, por ejemplo, han avanzado mucho desde que se empezaron a aplicar las leyes del electromagnetismo, la óptica y la física molecular al estudio de las neuronas.

Otros estudios sugieren que hay ramas de la física que deben desarrollarse específicamente para problemas relacionados con la materia viva. Por ejemplo, los polímeros biológicos (como las proteínas) no son lo suficientemente grandes para ser tratados como sistemas mecánicos, ni lo suficientemente pequeños para ser tratados como moléculas simples. Los cambios de energía en una reacción química catalizada por una enzima, o fenómenos como el acoplamiento químico-osmótico, parecen requerir un enfoque físico teórico profundo.

Entre estos extremos, surgen problemas como la generación y propagación del impulso nervioso, que requieren tanto un pensamiento biológico como físico, y algo nuevo que surge de la visión integrada del problema.

Una subdisciplina de la biofísica es la dinámica molecular, que busca explicar las propiedades químicas de las biomoléculas a través de su estructura y sus propiedades dinámicas.

Isaac Newton, Galileo Galilei y Albert Einstein

La historia de la física abarca los esfuerzos de los pensadores que han intentado entender la naturaleza y sus fenómenos: el cambio de estaciones, el movimiento de cuerpos y astros, el clima, las propiedades de los materiales, entre otros. Debido a su amplio alcance, la física es una ciencia fundamental. La mayoría de las civilizaciones antiguas, desde antes del año 3000 a.C. (como Sumeria, el antiguo Egipto y el Valle del Indo), intentaron explicar su entorno. Observaban las estrellas y pensaban cómo podían influir en su mundo. Esto llevó a interpretaciones más filosóficas que físicas; de hecho, en esos tiempos, la física se llamaba filosofía natural. Muchos filósofos como Aristóteles, Tales de Mileto o Demócrito fueron los primeros en buscar explicaciones a los fenómenos que los rodeaban. Las primeras explicaciones se basaban en ideas filosóficas, sin pruebas experimentales. Algunas ideas equivocadas, como la de Claudio Ptolomeo en su famoso Almagesto —que decía que la Tierra estaba en el centro del Universo y los astros giraban a su alrededor— duraron miles de años. Aunque estas teorías eran incorrectas, fueron válidas por mucho tiempo, en parte por la aceptación de la Iglesia católica de algunos de sus principios, como la teoría geocéntrica.

Aproximación al ámbito de aplicación de diferentes formalismos físicos.

Esta etapa en la ciencia de Europa terminó cuando el científico Nicolás Copérnico, considerado padre de la astronomía moderna, recibió en 1543 la primera copia de su libro, De Revolutionibus Orbium Coelestium. Aunque Copérnico fue el primero en proponer teorías más plausibles, otro personaje es considerado el padre de la física moderna: Galileo Galilei. A finales del siglo XVI, este profesor de matemáticas de la Universidad de Pisa cambió la historia de la ciencia al usar por primera vez experimentos para comprobar sus afirmaciones. Mediante el telescopio para observar el cielo y sus trabajos en planos inclinados, Galileo usó el método científico y llegó a conclusiones que podían ser verificadas. Sus trabajos se unieron a las contribuciones de otros científicos como Johannes Kepler, René Descartes, Blaise Pascal y Christian Huygens.

Más tarde, en el siglo XVII, un científico inglés unió las ideas de Galileo y Kepler en un solo trabajo. Isaac Newton unificó las ideas del movimiento celeste y los movimientos en la Tierra en lo que llamó gravedad. En 1687, Newton formuló, en su obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, los tres principios del movimiento y una cuarta ley de la gravitación universal, que transformaron el mundo físico. Todos los fenómenos podían verse de una manera mecánica.

Dios no juega a los dados con el Universo.

Albert Einstein.

Einstein, deje de decirle a Dios lo que tiene que hacer con sus dados.

Niels Bohr.

El trabajo de Newton sigue siendo relevante hoy, ya que todos los fenómenos macroscópicos pueden describirse con sus tres leyes. Por eso, durante el resto de ese siglo y el siguiente, el siglo XVIII, todas las investigaciones se basaron en sus ideas. Así se desarrollaron otras disciplinas como la termodinámica, la óptica, la mecánica de fluidos y la mecánica estadística. Los trabajos de Daniel Bernoulli, Robert Boyle y Robert Hooke, entre otros, pertenecen a esta época.

En el siglo XIX hubo avances fundamentales en la electricidad y el magnetismo, gracias a Charles-Augustin de Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday y Georg Simon Ohm. Estos culminaron en el trabajo de James Clerk Maxwell en 1855, quien unificó ambas ramas en el electromagnetismo. Además, se hicieron los primeros descubrimientos sobre radiactividad y el electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1897.

Durante el siglo XX, la física se desarrolló plenamente. En 1904, Hantarō Nagaoka propuso el primer modelo del átomo, confirmado en parte por Ernest Rutherford en 1911, aunque ambos fueron reemplazados por el modelo atómico de Bohr en 1913. En 1905, Einstein formuló la teoría de la relatividad especial, que coincide con las leyes de Newton para velocidades bajas. En 1915, la extendió con la teoría de la relatividad general, que reemplaza la ley de gravitación de Newton para masas pequeñas. Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros desarrollaron la teoría cuántica para explicar resultados experimentales sobre la radiación. En 1911, Ernest Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico positivo. En 1925, Werner Heisenberg, y en 1926, Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac, formularon la mecánica cuántica, que incluye las teorías cuánticas anteriores y proporciona herramientas para la Física de la materia condensada.

Más tarde, se formuló la teoría cuántica de campos para extender la mecánica cuántica y hacerla compatible con la relatividad especial. Alcanzó su forma moderna a finales de la década de 1940, gracias a Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin'ichirō Tomonaga y Freeman Dyson, quienes formularon la teoría de la electrodinámica cuántica. Esta teoría fue la base para el desarrollo de la física de partículas. En 1954, Chen Ning Yang y Robert Mills sentaron las bases del modelo estándar, que se completó en los años 1970. Con él, se pudieron predecir propiedades de partículas no observadas antes, que luego fueron descubiertas, siendo la última el quark top.

Los intentos de unificar las cuatro interacciones fundamentales han llevado a los físicos a nuevos campos. Las dos teorías más aceptadas, la mecánica cuántica y la relatividad general, que describen con gran exactitud el mundo grande y el mundo pequeño, parecen incompatibles. Por eso, se han formulado nuevas teorías, como la supergravedad o la teoría de cuerdas, en las que se centran las investigaciones a principios del siglo XXI. La física no solo desarrolla teorías, también es una ciencia experimental. Sus descubrimientos pueden ser comprobados, y sus teorías permiten hacer predicciones sobre futuros experimentos.

La dualidad onda-partícula, en el que se aprecia cómo un mismo fenómeno puede ser percibido de dos modos distintos, fue uno de los problemas filosóficos que planteó la mecánica cuántica.

La filosofía de la física se refiere a las reflexiones filosóficas sobre cómo interpretar, entender y guiar las teorías físicas, y sobre la naturaleza de la realidad. Aunque las explicaciones estándar de las teorías físicas rara vez discuten aspectos filosóficos, las ideas filosóficas de los científicos han sido muy importantes en el desarrollo de estas teorías. Esto fue notable a partir de Isaac Newton e Immanuel Kant, y se volvió crucial en el siglo XX, cuando la teoría de la relatividad llevó a un análisis profundo de temas tradicionalmente filosóficos, como la naturaleza del tiempo y el espacio. La filosofía de la física contribuye al criticar los resultados de la física, ayudándola a mejorar.

En muchos aspectos, la física tiene sus raíces en la filosofía griega. Desde el primer intento de Tales de describir la materia, hasta la idea de Demócrito de que la materia se reduce a un estado invariable, la astronomía ptolemaica y el libro de Aristóteles Física (un libro temprano que intentaba analizar y definir el movimiento desde un punto de vista filosófico), varios filósofos griegos propusieron sus propias teorías sobre la naturaleza. La física se conoció como filosofía natural hasta finales del siglo XVIII.

Para el siglo XIX, la física se estableció como una disciplina distinta de la filosofía y de las demás ciencias. La física, como el resto de la ciencia, se apoya en la filosofía de la ciencia y en su "método científico" para avanzar en el conocimiento del mundo físico. El método científico usa el razonamiento a priori (basado en la lógica) y a posteriori (basado en la experiencia), y la Inferencia bayesiana para evaluar la validez de una teoría.

El desarrollo de la física ha respondido a muchas preguntas de los primeros filósofos, pero también ha planteado nuevas. El estudio de las cuestiones filosóficas que rodean a la física, la filosofía de la física, incluye temas como la naturaleza del espacio y del tiempo, el determinismo y perspectivas metafísicas como el empirismo, el naturalismo y el realismo.

Muchos físicos han escrito sobre las implicaciones filosóficas de su trabajo, por ejemplo, sobre las interpretaciones de la mecánica cuántica. Pierre-Simon Laplace defendió el determinismo causal, y Erwin Schrödinger escribió sobre la mecánica cuántica. El físico matemático Roger Penrose ha sido llamado platonista por Stephen Hawking, una opinión que Penrose discute en su libro, El camino a la realidad. Hawking se describía a sí mismo como un "reduccionista desvergonzado" y no estaba de acuerdo con las opiniones de Penrose.