Física moderna para niños
La física moderna es una parte de la física que empezó a desarrollarse a finales del siglo XIX y principios del siglo XX. Se enfoca en ideas nuevas como la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Aunque también se hicieron avances en otras áreas de la física clásica, como la teoría del caos, la física moderna se distingue por estudiar fenómenos a velocidades muy altas, cercanas a la velocidad de la luz, o en escalas muy pequeñas, como el tamaño de un átomo o incluso más pequeñas.
Se considera que la física moderna comenzó en el año 1900. En ese momento, el científico alemán Max Planck propuso una idea revolucionaria: que la energía no es continua, sino que se divide en pequeñas "unidades" o "paquetes" indivisibles, a los que llamó "cuantos". Esto era muy diferente de lo que se pensaba en la física clásica, que decía que la energía podía tener cualquier valor. Gracias a esta idea, nació una nueva forma de entender cómo funcionan los átomos, las partículas que forman la materia y las fuerzas que las unen.
La física clásica se basaba en la idea de que todo se podía predecir con certeza. Sin embargo, la física moderna introdujo la idea de las probabilidades. Esto significa que, a escalas muy pequeñas, no siempre podemos saber con total seguridad qué va a pasar, sino que podemos calcular la probabilidad de que ocurra algo. Esta nueva forma de pensar fue un gran cambio y al principio fue difícil de aceptar.
Uno de los grandes objetivos de la física moderna es entender cómo se relacionan las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Las últimas tres fuerzas se han logrado unir en un modelo llamado el Modelo Estándar, creado en 1973. Sin embargo, la gravedad aún no encaja en este modelo. Los científicos buscan una teoría que unifique todas las fuerzas para poder entender mejor el universo y sus partículas.
La física moderna se divide principalmente en dos grandes ramas:
- La mecánica cuántica: Es muy útil para estudiar temas como la física nuclear (el núcleo de los átomos), la física atómica (los átomos completos) o la física molecular (las moléculas).
- La teoría de la relatividad: Es fundamental para entender temas como la cosmología (el estudio del universo en su conjunto).
Contenido
El siglo XX y la física moderna
El siglo XX fue un periodo de grandes descubrimientos en la física, que impulsaron muchos avances tecnológicos. Al principio del siglo, los físicos pensaban que ya entendían casi todo sobre la naturaleza. Pero pronto surgieron dos ideas revolucionarias que cambiaron todo: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica.
Estas dos teorías desafiaron las ideas básicas de la física clásica. Por un lado, la relatividad demostró que el tiempo no es absoluto (es decir, no pasa igual para todos) y que el espacio físico no siempre es plano, sino que puede curvarse. Por otro lado, la mecánica cuántica acabó con la idea de que todo está determinado. En cambio, mostró que a veces existen estados físicos que combinan características que antes se consideraban imposibles de combinar.
La teoría de la relatividad
En 1905, Albert Einstein presentó su teoría de la relatividad especial. Esta teoría unió el espacio y el tiempo en una sola cosa llamada espacio-tiempo. La relatividad propone ecuaciones diferentes para describir cómo se mueven las cosas cuando se observan desde distintos puntos de vista, especialmente a velocidades muy altas. Ambas teorías (la clásica y la de Einstein) coinciden cuando las velocidades son bajas, muy lejos de la velocidad de la luz.
En 1915, Einstein amplió su teoría para explicar la gravedad. Así nació la teoría general de la relatividad, que reemplazó la ley de gravitación universal de Isaac Newton. Según esta teoría, la gravedad no es una fuerza que atrae objetos, sino una curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de masa y energía.
Descubrimientos sobre el átomo
En 1911, Ernest Rutherford descubrió que los átomos tienen un núcleo central con carga positiva. A las partículas con carga positiva de este núcleo se les llamó protones. Más tarde, en 1932, James Chadwick descubrió los neutrones, que también forman parte del núcleo pero no tienen carga eléctrica.
El desarrollo de la mecánica cuántica
A principios del siglo XX, científicos como Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros desarrollaron la teoría cuántica. Lo hicieron para explicar resultados de experimentos que no se podían entender con la física clásica, especialmente sobre cómo la materia emite energía. En esta teoría, los niveles de energía posibles para las partículas son "discretos", es decir, solo pueden tener ciertos valores específicos, como los escalones de una escalera.
En 1925, Werner Heisenberg, y en 1926, Erwin Schrödinger y Paul Dirac, formularon la mecánica cuántica tal como la conocemos hoy. Esta teoría explica que los resultados de las mediciones físicas son probabilísticos. La teoría cuántica nos permite calcular las probabilidades de que ocurran ciertos resultados.
La mecánica cuántica fue clave para el desarrollo de la física de la materia condensada. Esta rama estudia cómo se comportan los sólidos y los líquidos, incluyendo fenómenos como la estructura cristalina, la semiconductividad y la superconductividad. Uno de los pioneros fue Felix Bloch, quien en 1928 describió cómo se mueven los electrones en las estructuras cristalinas usando la mecánica cuántica.
Teoría cuántica de campos y partículas
La teoría cuántica de campos se creó para combinar la mecánica cuántica con la teoría especial de la relatividad. Alcanzó su forma moderna a finales de la década de 1940 gracias al trabajo de Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin'ichirō Tomonaga y Freeman Dyson. Ellos formularon la electrodinámica cuántica, que describe cómo interactúa la luz con la materia.
La teoría cuántica de campos sentó las bases para la física de partículas, que estudia las fuerzas fundamentales y las partículas más pequeñas que conocemos. En 1954, Chen Ning Yang y Mills desarrollaron las ideas principales del Modelo Estándar. El modelo electrodébil, que mostró que las fuerzas electromagnéticas y la fuerza nuclear débil son parte de la misma fuerza, fue desarrollado en los años 1960 por Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg, quienes ganaron el Premio Nobel de Física en 1979 por ello. El Modelo Estándar completo se desarrolló en los años 1970.
A finales del siglo XX, la astrofísica creció mucho. También se trabajó intensamente en teorías de gran unificación y la teoría de supercuerdas, que a principios del siglo XXI seguían siendo ideas en desarrollo. En 1998, se descubrió algo sorprendente: la expansión del universo se estaba acelerando. Esto planteó un nuevo misterio para la física.
La física en el siglo XXI
A principios del siglo XXI, la física sigue enfrentando grandes desafíos, tanto en la práctica como en la teoría. Se estudia mucho los sistemas complejos, como el clima, y las propiedades cuánticas de los materiales, que han permitido crear nuevos materiales con características asombrosas.
En el ámbito teórico, la astrofísica nos muestra un universo con muchas preguntas sin respuesta, desde el origen del universo (cosmología) hasta la formación planetaria. Los físicos teóricos siguen buscando una teoría que pueda unificar todas las fuerzas de la naturaleza en una sola explicación, lo que se conoce como una teoría del todo. Entre las teorías que se están investigando para lograr esto, destaca la teoría de supercuerdas.
El descubrimiento de la expansión acelerada del universo hizo que aumentara el interés en la cosmología, especialmente en el estudio de la energía oscura y la materia oscura. Además, el trabajo de Juan Martín Maldacena sobre la «correspondencia AdS/CFT» ha dado nuevas ideas sobre el principio holográfico, otra conjetura importante en física.
Algunos físicos, como Lee Smolin, consideran que el periodo desde 1973 hasta ahora ha sido diferente. Dicen que se han hecho menos descubrimientos teóricos nuevos en comparación con otras épocas del siglo XX. La física ha estado dominada por teorías muy especulativas, para las cuales ha sido difícil encontrar pruebas experimentales que permitan un avance seguro. Muchos de los éxitos experimentales recientes, como la detección de los bosones W y Z, o la detección del bosón de Higgs en 2012, son confirmaciones de teorías que se desarrollaron antes de 1975. Esto significa que no son pruebas de las teorías más recientes en las que han trabajado los físicos teóricos en las últimas décadas.
Galería de imágenes
-
La mecánica cuántica reintrodujo de nuevo el indeterminismo en la física, al introducir elementos de incertidumbre y probabilidad en la teórica física. Simplificadamente una partícula subatómica estable se puede describir por una función de onda a partir de la cual pueden calcularse las probabilidades de mediciones experimentales sobre la partícula. En la figura un esquema de una partícula encerrada en una caja bidimensional. Las líneas de nivel sobre el plano inferior están relacionadas con la probabilidad de presencia.
_Surface_Plot.png)
Véase también
En inglés: Modern physics Facts for Kids
