Física: diferència entre les revisions

La física (del grec φυσικός (phusikos), "natural" i φύσις (phusis), "natura") es la ciència que estudia la natura en el seu sentit més ampli, ocupant-se del comportament de la matèria i l'energia, i de les forces fonamentals de la natura que governen les interaccions entre les partícules. Fou anomenada filosofia natural fins a finals del segle XIX. Els físics estudien un ampli espectre de fenòmens físics: des de les partícules subatòmiques, les quals formen la matèria ordinària (física de partícules), a l'Univers com un tot (cosmologia).

Els descobriments de la física troben aplicació en totes les altres ciències naturals, ja que la matèria i l'energia són els components bàsics del món natural. Algunes de les propietats estudiades en física són comunes a tots els sistemes materials, com la conservació de l'energia. Aquestes propietats són sovint anomenades lleis físiques. De vegades s'ha dit que la física és la "ciència fonamental", perquè les altres ciències (biologia, química, geologia, etc.) tracten amb determinats tipus de sistemes materials que obeeixen les lleis de la física. Per exemple, la química és la ciència de les molècules i els components químics que aquestes formen en grans quantitats. Les propietats dels components químics vénen determinades per les propietats de les molècules, les quals són descrites amb precisió per distintes àrees de la física com la mecànica quàntica, la termodinàmica i l'electromagnetisme.

La física està estretament relacionada amb les matemàtiques. Les matemàtiques proporcionen a la física el llenguatge i les eines necessàries que permeten obtenir una formulació precisa (quantitativa) de les lleis físiques i els fenòmens que aquestes impliquen. Això, de retruc, fa possible que es puguin verificar (o descartar) els resultats predits experimentalment.

Les teories físiques són gairebé sempre expressades en forma de relacions matemàtiques, i les matemàtiques requerides acostumen a ser més complicades que les d'altres ciències. Una diferència bàsica entre física i matemàtiques és que la física s'ocupa, en última instància, de les descripcions del món material, mentre que les matemàtiques tracten amb abstraccions que no depenen d'ell. Val a dir que la distinció no sempre és òbvia: hi ha una gran quantitat d'investigació a mig camí entre física i matemàtiques, coneguda amb el nom de física matemàtica, dedicada a desenvolupar l'estructura matemàtica de les teories físiques. Tanmateix, aquesta unió entre matemàtiques i física amaga un aspecte ben sorprenent, i és que la física també fa les seves aportacions a les matemàtiques.

Visió general de la investigació en la física

Física Antiga

Els xinesos, els babilonis, els egipcis i els mayas van observar els moviments dels planetes i van assolir predir els eclipsis, però no van aconseguir trobar un sistema subjacent que expliqués el moviment planetari. Les especulacions dels filòsofs grecs van introduir dues idees fonamentals sobre els components de l'Univers, oposades entre si: el atomismo, proposat per Leucipo en el segle IV a. de C., i la teoria dels elements, formulada en el segle anterior. Vegi's Filosofia occidental. En Alexandria, el centre científic de la civilització occidental durant el període hel·lenístic, va haver notables avanços. Allí, el matemàtic i inventor grec Arquimedes va dissenyar amb palanques i cargols diversos aparells mecànics pràctics i va amidar la densitat d'objectes sòlids submergint-los en un líquid. Altres científics grecs importants d'aquella època van ser l'astrònom Aristarco de Samos, que va trobar la relació entre les distàncies de la Terra al Sol i de la Terra a la Lluna, el matemàtic, astrònom i geógrafo Eratóstenes, que va amidar la circumferència de la Terra i va elaborar un catàleg d'estrelles, i l'astrònom Hiparco de Nicea, que va descobrir la precesión dels equinoccios. En el segle II d. de C. l'astrònom, matemàtic i geógrafo Tolomeo va proposar el sistema que duu el seu nom per a explicar el moviment planetari. En el sistema de Tolomeo, la Terra està en el centre i el Sol, la Lluna i les estrelles giren entorn d'ella en òrbites circulars

Física clàssica

La física clàssica inclou les branques tradicionals i temes que foren reconeguts i prou ben desenvolupats abans del començament del segle XX:

Mecànica s'ocupa dels cossos sobre els que actuen les forces i altres cossos en moviments i es pot dividir en estàtica (estudi de les forces sobre un o més cossos en repòs), cinemàtica (estudi del moviment sense importar-ne la causa) i dinàmica (estudi del moviment i les forces que l'afecten); a la vegada la mecànica pot dividir-se en mecànica de sòlids i mecànica de fluids. Aquesta última comprèn branques com la hidrostàtica, hidrodinàmica, aerodinàmica i pneumàtica.
L'acústica, l'estudi del so, sovint es considera una branca de la mecànica perquè el so és degut al moviment de les partícules d'aire, o un altre medi, a través del qual les ones sonores poden viatjar i per tant pot explicar-se en termes de lleis de la mecànica. Entre les branques més modernes de l'acústica es troba l'ultrasònica, que és l'estudi de les ones sonores a molt alta freqüència, més enllà del nivell d'audició humà.
L'òptica, l'estudi de la llum, s'encarrega no sols de la llum visible sinó també de la radiació infraroja i ultraviolada, les quals manifesten tots els fenòmens de la llum visible excepte la visibilitat, és a dir, reflexió, refracció, interferència, difracció, difusió (vegeu espectre electromagnètic) i polarització.
La termodinàmica s'encarrega de les relacions entre el calor (l'energia interna que posseeixen les partícules de les quals es composa una substància) i altres formes d'energia.
L'electromagnetisme ha sigut estudiat com una branca de la física des que fou descoberta la connexió entre l'electricitat i el magnetisme a principis del segle XIX. Un corrent elèctric crea un camp magnètic i un camp magnètic canviant la inducció d'un corrent elèctric. L'electrostàtica tracta les càrregues elèctriques en repòs, l'electrodinàmica les càrregues en moviment i la magnetostàtica els pols magnètics en repòs.

Física a l'edat mitjana

Durant l'edat mitjana es van produir pocs avanços, tant en la física com en les altres ciències. No obstant això, savis àrabs com Averrois o com Ibn Nafis (també conegut com Ibn Al-Nafis) van contribuir a la conservació de molts tractats científics de la Grècia clàssica. En general, les grans universitats medievals fundades a Europa per les ordres monàstiques a partir del segle XIII no van suposar un gran avanç per a la física i altres ciències experimentals. El filòsof escolàstic i teòleg italià sant Tomàs d'Aquino, per exemple, va tractar de demostrar que les obres de Plató i Aristòtil eren compatibles amb les Sagrades Escriptures. El filòsof escolàstic i científic britànic Roger Bacon va ser un dels pocs filòsofs que va defensar el mètode experimental com autèntica base del coneixement científic; també va investigar en astronomia, química, òptica i disseny de màquines.

Física moderna

La major part de la física clàssica es preocupa per la matèria i l'energia a una escala normal d'observació; per contra, molta de la física moderna (és a dir, els canvis que portaren les revolucionàries teories de principis del segle XX al món dels físics) s'ocupa del comportament de la matèria i l'energia sota condicions extremes (a velocitats lumíniques o pròximes a la de la llum) o en una escala molt gran o molt menuda. Per exemple, la física atòmica i la nuclear estudien la matèria a l'escala més menuda a la que poden identificar-se els elements químics. La física de partícules treballa a una escala més menuda encara, encarregant-se de les unitats més bàsiques de la matèria. Aquesta branca de la física es també coneguda com física d'alta energia per les energies extremadament elevades que són necessàries per produir molts dels tipus de partícules en enormes acceleradors de partícules. A aquesta escala, no són vàlides les nocions d'espai, temps, matèria i energia a les que estem acostumats.

Les dues teories principals en la física moderna presenten un diferent panorama dels conceptes de temps, espai i matèria del que presentava la física clàssica. La teoria quàntica s'ocupa de la natura discreta (en comptes de contínua) de molts fenòmens a nivell atòmic i subatòmic, i dels aspectes complementaris de les ones i partícules en la descripció d'aquests fenòmens. La teoria de la relativitat tracta de la descripció dels fenòmens que ocorren en el marc de referència que es troba en moviment respecte a un observador; la teoria especial de la relativitat s'encarrega del moviment uniforme en un espai-temps pla i d'objectes movent-se a la velocitat de la llum o prop i la teoria general de la relativitat de moviment accelerat relativament en l'espai-temps corbat i la seua connexió amb la gravitació. Tant la teoria quàntica com la de la relativitat troben aplicacions en totes les àrees de la física moderna.

Física teòrica i experimental

La cultura de la investigació física difereix de les altres ciències en la separació de teoria i experiment. Des del segle XX, la major part dels físics s'han especialitzat o bé en física teòrica o bé en física experimental, i en el segle XX molt pocs han tingut èxit en ambdós camps d'investigació. En contrast, quasi tots els teòrics que han triomfat en biologia i química han sigut també experimentadors.

En línies generals, els teòrics busquen desenvolupar teories que descriguin i interpretin resultats experimentals existents i prediguin amb èxit resultats futurs, mentre que els experimentadors ideen i realitzen experiments per explorar nous fenòmens i comprovar les prediccions teòriques. Encara que teoria i experiment són desenvolupats independentment, depenen en gran mesura un de l'altre. El progrés en física freqüentment ve quan els experimentadors fan un descobriment que les teories existents no poden explicar, necessitant-se aleshores noves teories. De forma similar, idees sorgides de la teoria sovint inspiren nous experiments. En absència d'experiment, la investigació teòrica pot anar en la direcció equivocada. Aquesta és una de les crítiques que ha sigut dirigida cap a la teoria de cordes, una popular teoria en la física d'altes energies per a la qual encara no s'ha ideat cap prova experimental.