Física estadística para niños

La física estadística es una rama de la física que nos ayuda a entender cómo se comportan grandes grupos de partículas, como átomos y moléculas, usando herramientas de la probabilidad y la estadística. Imagina que quieres saber cómo se mueve una multitud de personas; la física estadística hace algo parecido, pero con partículas diminutas.

Su objetivo principal es explicar las propiedades de la materia en conjunto, es decir, cómo se comportan los materiales que vemos y tocamos, basándose en el movimiento de sus átomos. Esta rama de la física es muy útil y se aplica en muchas áreas de la ciencia, como la biología, la química y la neurociencia.

La mecánica estadística, que es una parte importante de la física estadística, nos ayuda a entender por qué las cosas se calientan o se enfrían (lo que llamamos termodinámica), observando cómo se mueven las partículas muy pequeñas que las forman.

¿Para qué sirve la física estadística?

La física estadística nos permite entender y describir muchos fenómenos interesantes. Por ejemplo, ayuda a explicar:

• La superconductividad, que es cuando algunos materiales conducen la electricidad sin ninguna resistencia.
• La superfluidez, que es cuando algunos líquidos fluyen sin fricción.
• La turbulencia, como el movimiento caótico del agua en un río o del aire en una tormenta.
• Cómo se comportan los sólidos y el plasma (un estado de la materia como el de las estrellas).
• Las características de los líquidos.

También es fundamental en la astrofísica moderna, que estudia el universo, y en la física del estado sólido, que investiga los materiales. Nos ayuda a comprender los cristales líquidos (como los de las pantallas), los cambios de estado de la materia (como cuando el agua se convierte en hielo) y otros fenómenos importantes.

Muchos experimentos científicos se basan en la descripción estadística de un sistema. Por ejemplo, se usa para estudiar cómo se dispersan los neutrones, los rayos X o la luz. Además, la física estadística es importante en la ciencia de los materiales, la física nuclear, la química, la biología y la medicina, por ejemplo, para entender cómo se propagan algunas situaciones en grandes grupos de personas.

¿Qué es la mecánica estadística?

La mecánica estadística es como un puente que conecta lo muy pequeño (los átomos y moléculas) con lo muy grande (las propiedades de los materiales que podemos ver y medir). Nos explica que las reglas de la termodinámica (cómo se transfiere el calor y la energía) son un resultado natural de cómo se comportan las partículas a nivel microscópico, siguiendo las leyes de la mecánica clásica y la mecánica cuántica. Por eso, a veces se usan los términos "física estadística" y "mecánica estadística" como si fueran lo mismo.

Los primeros pasos de la física estadística se dieron durante la Revolución Industrial, gracias a personas como Carnot, que buscaban formas más eficientes de producir energía. Más tarde, científicos como Maxwell, Boltzmann y Gibbs hicieron grandes avances.

• Maxwell y Boltzmann estudiaron cómo se distribuyen las velocidades de las partículas en los gases, lo que llevó a la famosa distribución de Maxwell-Boltzmann.
• Gibbs ayudó a desarrollar el concepto de entropía (que mide el desorden de un sistema) y fue quien acuñó el término "mecánica estadística".

Una de las ideas más importantes en mecánica estadística es la función de partición (representada con la letra Z). Es como una lista de todas las formas posibles en que un sistema puede existir, y nos dice qué tan probable es cada una.

En esta fórmula, es la constante de Boltzmann, es la temperatura y es la energía de cada estado posible . La probabilidad de que un estado específico ocurra se calcula así:

Esta fórmula nos muestra que los estados con mucha energía tienen menos probabilidad de ocurrir, lo cual tiene sentido.

La mecánica estadística es muy útil cuando tenemos un número enorme de partículas, porque sería imposible calcular el movimiento de cada una por separado. También se usa para estudiar sistemas complejos como la dinámica no lineal (movimientos impredecibles), la teoría del caos y el comportamiento de los fluidos.

Mecánica estadística cuántica

La mecánica estadística cuántica aplica los principios de la mecánica estadística a los sistemas que se rigen por las reglas de la mecánica cuántica. En este nivel, un sistema se describe mediante un "operador de densidad", que nos da la probabilidad de encontrar el sistema en diferentes estados cuánticos.

¿Cómo se usa el método de Montecarlo?

Aunque algunos problemas de física estadística se pueden resolver con fórmulas, la mayoría de las investigaciones modernas usan computadoras muy potentes para simular o aproximar soluciones. Una técnica muy común es la simulación de Montecarlo.

Los métodos de Montecarlo son como experimentos virtuales que se basan en la probabilidad y se repiten muchas veces para obtener resultados. Son muy importantes en la física computacional y la química física. Tienen muchas aplicaciones, incluso en la física médica, donde se usan para calcular cómo se mueve la radiación en el cuerpo para tratamientos.

Véase también

En inglés: Statistical physics Facts for Kids

• Física combinatoria
• Red compleja
• Dinámica de partículas markovianas
• Física matemática
• Tiempo medio de permanencia
• Teoría estadística de campos

Otras lecturas

• Reif, F. (2009). Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. Waveland Press. ISBN 978-1-4786-1005-2. 
• Müller-Kirsten, Harald J.W. (2013). Basics of Statistical Physics (2nd edición). World Scientific. ISBN 978-981-4449-55-7. doi:10.1142/8709. 
• Kadanoff, Leo P. (2000). Statistical Physics: Statics, Dynamics and Renormalization. World Scientific. ISBN 978-981-02-3764-6.