Física teórica para niños
La física teórica es una parte de la física que usa las matemáticas para crear ideas y modelos. Su objetivo es entender cómo funciona el universo y predecir el comportamiento de los sistemas físicos. Los físicos teóricos buscan explicar los fenómenos de la naturaleza y proponer nuevas ideas sobre la realidad.
Aunque ya existían trabajos similares antes, la física teórica se hizo muy importante con la mecánica analítica (gracias a científicos como Joseph-Louis de Lagrange y William Rowan Hamilton). Ganó aún más relevancia con las grandes ideas de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad a principios del siglo XX.
Hoy en día, los físicos se especializan mucho. Algunos se dedican a la teoría y otros a los experimentos. Los teóricos buscan modelos matemáticos que expliquen lo que se observa en los experimentos y que ayuden a predecir nuevos resultados. Así, la teoría y los experimentos están muy conectados. A menudo, la física avanza cuando un experimento muestra algo que las teorías actuales no pueden explicar. Esto obliga a buscar nuevas ideas para resolver el problema.
La física teórica está muy relacionada con la física matemática. La física matemática se enfoca en estudiar las propiedades de las herramientas matemáticas que se usan en la física teórica. También busca formas de hacer esas descripciones matemáticas más complejas y generales. Las matemáticas son el lenguaje que usan los físicos teóricos para desarrollar sus ideas. Para validar sus modelos, los teóricos usan el cálculo diferencial e integral, el análisis numérico y simulaciones por ordenador. La física computacional y las matemáticas son campos de investigación muy activos.
Los teóricos pueden imaginar conceptos como universos paralelos, espacios con muchas dimensiones, pequeñísimas cuerdas que vibran o una teoría que lo explique todo. A partir de estas ideas, proponen hipótesis sobre cómo funciona el universo.
Contenido
¿Cómo trabaja la física teórica?
Todas las ciencias de la naturaleza se basan en la experimentación. Esto significa que el conocimiento se obtiene a través de experimentos organizados. Este proceso se llama método científico experimental.
Sin embargo, la física teórica también crea y usa matemáticas para predecir fenómenos que aún no se han observado. También nos permite entender el universo de formas que no son posibles solo con experimentos. Esto se basa en principios que ya han sido probados experimentalmente. Pero la prueba final de cualquier conocimiento en física siempre es experimental. Hasta que las predicciones de una teoría no se demuestran con experimentos, no podemos estar seguros de que la teoría sea válida.
Un ejemplo son los aceleradores de partículas. En ellos, a menudo se buscan partículas que la física teórica ha predicho. A veces, se encuentran otras partículas que no se esperaban, lo que hace que el modelo teórico tenga que cambiar. La física teórica ha predicho la existencia de partículas no descubiertas y ha dado las herramientas para buscarlas experimentalmente. Muchas veces, estas partículas se encuentran después de haber sido predichas por la teoría.
Teorías fundamentales de la física
Las teorías fundamentales son el conjunto de conocimientos que se consideran verdaderos y científicos. Han sido probadas muchas veces y son consistentes con lo que ya sabemos por la ciencia y los experimentos. Algunas de estas teorías son ampliamente aceptadas porque explican una gran variedad de datos, aunque su origen o composición exacta aún se debaten.
Nuevas ideas y teorías propuestas
Las teorías propuestas en física son ideas más recientes que aún se están estudiando. Incluyen nuevas formas de pensar, maneras de probar la validez de los modelos y nuevos tipos de razonamiento. Algunas de estas teorías han existido por décadas y todavía no se han podido probar o descubrir completamente. Las teorías propuestas pueden ser ideas que están empezando a ser aceptadas. Generalmente, estas teorías aún no han sido demostradas por completo.
- Conjuntos causales
- Energía oscura o Constante cosmológica
- Agujero de gusano
- Teoría de la gran unificación
- Gravedad cuántica de bucles
- Teoría M
- Teoría de cuerdas
- Supersimetría
- Teoría del todo
- Teoría de supercuerdas
Historia de la física teórica
La física teórica tiene una historia muy larga, que se remonta a más de 2300 años, con pensadores como Platón y Aristóteles. Sus ideas fueron muy importantes durante más de mil años. En la Edad Media, las únicas materias reconocidas eran las siete artes liberales: gramática, lógica, retórica, aritmética, geometría, música y astronomía.
Durante la Edad Media y el Renacimiento, la idea de la ciencia experimental, que es lo opuesto a la teoría, empezó a surgir con científicos como Ibn al-Haytham y Francis Bacon. Con la revolución científica, conceptos como la materia, la energía, el espacio, el tiempo y la causalidad empezaron a tomar la forma que conocemos hoy. Otras ciencias surgieron de lo que antes se llamaba filosofía natural.
La era moderna de la teoría comenzó con el gran cambio en la astronomía de Copérnico. Luego, Johannes Kepler describió las órbitas de los planetas basándose en las observaciones de Tycho Brahe. El trabajo de estos hombres, junto con el de Galileo, marcó el inicio de la Revolución Científica.
El gran avance hacia la forma moderna de explicar las cosas comenzó con Galileo, quien fue un excelente teórico y un gran experimentalista. Las ideas de Descartes sobre la geometría y la mecánica se unieron al cálculo y la mecánica de Isaac Newton. Newton, otro gran teórico y experimentalista, escribió Principia Mathematica. Este libro unió las ideas de Copérnico, Galileo y Kepler, y presentó las teorías de Newton sobre la mecánica y la gravedad, que fueron las más importantes hasta principios del siglo XX. Al mismo tiempo, se hicieron avances en la óptica (el estudio de la luz), gracias a Newton, Descartes y los científicos Snell y Huygens. En los siglos XVIII y XIX, Joseph-Louis Lagrange, Leonhard Euler y William Rowan Hamilton expandieron mucho la teoría de la mecánica clásica. Ellos continuaron la conexión entre las matemáticas y la física que había comenzado hace dos milenios con Pitágoras.
Entre los grandes logros de los siglos XIX y XX estuvo la unificación de la idea de energía (y su conservación). Esto incluyó el calor, la electricidad, el magnetismo y la luz. Las leyes de la termodinámica y el concepto de entropía empezaron a explicar las propiedades de la materia a gran escala. La mecánica estadística (y luego la física estadística y la mecánica estadística cuántica) surgió como una parte de la termodinámica a finales del siglo XIX. Otro evento importante en el siglo XIX fue el descubrimiento de la teoría electromagnética, que unió los fenómenos de la electricidad, el magnetismo y la luz, que antes se pensaban separados.
Los pilares de la física moderna, y quizás las teorías más revolucionarias en la historia de la física, han sido la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. La mecánica de Newton se incluyó en la relatividad especial, y la gravedad de Newton fue explicada de una nueva manera por la relatividad general. La mecánica cuántica ayudó a entender la radiación de cuerpo negro y las propiedades de los sólidos. Finalmente, llevó a entender las estructuras internas de los átomos y las moléculas. La mecánica cuántica pronto dio lugar a la teoría cuántica de campos (QFT), que comenzó a finales de la década de 1920. Después de la Segunda Guerra Mundial, el progreso en QFT continuó. En el mismo período, se abordaron problemas como la superconductividad y los cambios de fase. También se aplicó QFT a la física de la materia condensada. En las décadas de 1960 y 1970, se formuló el modelo estándar de física de partículas usando QFT. También hubo avances en la física de la materia condensada (como los fundamentos de la superconductividad y los fenómenos críticos). Al mismo tiempo, se aplicó la relatividad a problemas en astronomía y cosmología.
Todos estos logros dependieron de la física teórica, que impulsó tanto la sugerencia de experimentos como la consolidación de resultados. A menudo, esto se logró aplicando ingeniosamente las matemáticas existentes o, como en el caso de Descartes y Newton (con Leibniz), inventando nuevas matemáticas. Los estudios de Fourier sobre la conducción del calor llevaron a una nueva rama de las matemáticas: las series infinitas y ortogonales.
La física teórica moderna busca unificar teorías y explicar fenómenos para entender mejor el Universo, desde la escala cósmica hasta la partícula más pequeña. Cuando no se pueden hacer experimentos, la física teórica sigue avanzando usando modelos matemáticos.
Experimentos imaginarios vs. experimentos reales
Los experimentos "mentales" o imaginarios son situaciones hipotéticas que plantean una pregunta como: "Si estuvieras en esta situación y esto fuera cierto, ¿qué esperarías que pasara?".
Los experimentos mentales han sido una herramienta para investigar preguntas que no se podían probar con experimentos reales de inmediato. Algunos ejemplos famosos en física son el gato de Schrödinger, la paradoja EPR y la paradoja de los gemelos. Muchos de estos experimentos mentales han llevado a experimentos físicos reales que han permitido verificar ciertas ideas teóricas. Por ejemplo, la paradoja EPR llevó a las desigualdades de Bell, que luego fueron probadas. Esto, a su vez, llevó a la aceptación de ciertos principios de la mecánica cuántica que antes se debatían mucho, y a la aceptación general del indeterminismo cuántico como una idea principal de trabajo.
Físicos teóricos importantes
Aquí te presentamos algunos de los físicos teóricos más famosos e influyentes:
Centros de investigación importantes en física teórica
La física teórica ha logrado descubrimientos muy importantes sobre la naturaleza del universo. A lo largo de los años, varios centros de investigación en el mundo han sido clave para avanzar en nuestra comprensión de la física fundamental. Estos centros son conocidos por su investigación de vanguardia y han atraído a algunas de las mentes más brillantes de la ciencia.
CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear)
Ubicado en Ginebra, Suiza, el CERN es uno de los centros de investigación más famosos del mundo. Se enfoca principalmente en la física de partículas. Es conocido por tener el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y potente del mundo. Las investigaciones del CERN incluyen el Modelo Estándar de la física de partículas, la teoría cuántica de campos y la búsqueda de nuevas partículas y fuerzas, como el bosón de Higgs. El CERN fue noticia mundial en 2012 cuando descubrió el bosón de Higgs, una partícula fundamental que había sido predicha por el Modelo Estándar. Científicos destacados como Peter Higgs, quien propuso el mecanismo de Higgs, y Fabiola Gianotti, la actual directora general, han hecho contribuciones muy importantes al trabajo del centro.
Institute for Advanced Study (IAS), Princeton
El Institute for Advanced Study, en Princeton, Nueva Jersey, Estados Unidos, es reconocido como uno de los principales centros para la investigación en física teórica. Sus profesores e investigadores han trabajado en temas innovadores como la mecánica cuántica, la relatividad general y la teoría de cuerdas. Algunos de los físicos más famosos del siglo XX, como Albert Einstein, Niels Bohr y John von Neumann, estuvieron asociados con el IAS. El instituto sigue siendo un lugar clave para estudios sobre teorías que buscan unificar la física y la cosmología, incluyendo la teoría de cuerdas y el estudio de los agujeros negros.
Perimeter Institute for Theoretical Physics, Canadá
Fundado en 1999, el Perimeter Institute en Waterloo, Ontario, Canadá, se dedica a la investigación en física teórica. Sus áreas de estudio incluyen la gravedad cuántica, la información cuántica, la cosmología y los fundamentos de la mecánica cuántica. El instituto ha ganado fama por fomentar un ambiente donde diferentes campos colaboran. Físicos notables como Stephen Hawking, Sir Michael Atiyah y Lee Smolin han estado relacionados con el instituto. El trabajo de Perimeter sigue expandiendo el conocimiento en áreas como la computación cuántica y la naturaleza del espacio-tiempo.
Max Planck Institute for Gravitational Physics, Alemania
Ubicado en Potsdam, Alemania, el Instituto Max Planck de Física Gravitacional, también conocido como el Albert Einstein Institute (AEI), es una institución líder en el estudio de la física gravitacional y la cosmología. El instituto investiga la relatividad general, la gravedad cuántica y las ondas gravitacionales. La detección de ondas gravitacionales por el experimento LIGO en 2015, en la que participaron varios científicos del AEI, fue un logro fundamental en la física. Científicos destacados como Thibault Damour y Abhay Mehta han hecho contribuciones significativas en este campo.
Raman Research Institute, India
Fundado por el ganador del Premio Nobel Chandrasekhara Raman en 1948, el Raman Research Institute en Bangalore, India, es conocido por su trabajo en física teórica y experimental. Las áreas de enfoque del instituto incluyen la astrofísica, la mecánica cuántica y la física de la materia condensada. Algunos de los físicos notables que han trabajado en el instituto son Vikram Sarabhai y Jayant Narlikar, quienes hicieron contribuciones importantes a la cosmología y a la comprensión de la estructura del universo.
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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.
