La Historia de la Física Su principal objetivo es recorrer los distintos descubrimientos realizados por los físicos desde la prehistoria. A lo largo del tiempo, el hombre siempre ha querido mejorar su comprensión del universo. Utilizando observaciones y matemáticas para describir con precisión los fenómenos cotidianos, muchos físicos se han turnado para aumentar nuestro conocimiento. Así, a través de los tiempos, mostraremos cuáles han sido los principales avances que han hecho posible fundar nuestro conocimiento actual del universo.
Al comienzo de la historia de la física
Sabemos que la física sólo echa raíces en la prehistoria y la antigüedad. Gracias a los arqueólogos sabemos con certeza que los pueblos prehistóricos eran buenos observadores. Monumentos como el megalítico "Stonehenge" así lo demuestran. Los hombres prehistóricos conocieron este ardiente deseo de saber más sobre nuestro universo y trataron de reproducir ciertos fenómenos, fundaron así el primer elemento de un enfoque científico que es la observación.
Además, los primeros objetos utilizados para medir el tiempo vieron su aparición durante este período de nuestra historia. El hueso de Ishango, el hueso del refugio Blanchard, pero también Stonehenge y Carnac fueron los primeros instrumentos que permitieron medir el tiempo. Este es el comienzo de la física:la descripción de ciertos mecanismos astronómicos. La física de la antigüedad, en cambio, la conocemos de forma mucho más precisa. El tiempo también fue una preocupación importante. El gnomon, la clepsidra y el reloj de sol son legados de la antigüedad.
Pero más allá de la medición del tiempo, el conocimiento griego se formó con físicos como Arquímedes, Tales de Mileto o Erastóstenes. . Interesados en la materia y sus fenómenos, la mayoría de estos filósofos han hecho avanzar nuestra comprensión del universo. La palabra “átomo” proviene del griego “átomon” que significa “indivisible”. De hecho, Demócrito (-460 - -370 aC) supone que la materia está formada por partículas separadas por el vacío. Estas partículas, que se dice que son indivisibles porque se consideran los elementos más pequeños, se llamarán átomos. "Por último, los cuerpos que consideramos duros y masivos deben su coherencia a corpúsculos más ganchudos, más íntimamente unidos... Por el contrario, son corpúsculos lisos y redondos los que forman cuerpos de naturaleza líquida y fluida", afirma. Arquímedes (-287 - -212 aC) es considerado hoy el fundador de la mecánica estática:está en el origen de muchas máquinas de tracción, pero también de algunas de guerra, como la catapulta.
Pero es sobre todo conocido por sus trabajos sobre la mecánica de los fluidos. Según la leyenda, habiendo gritado "Eureka", descubrió las propiedades de los cuerpos sumergidos en un fluido y enunció así el "principio de Arquímedes":Todo cuerpo sumergido en un líquido (o en un gas) recibe un empuje, que es "ejercicios". de abajo hacia arriba, y que es igual al peso del volumen de líquido desplazado. Este empuje se denominará "empuje de Arquímedes". No citaremos aquí a todos los físicos de la Antigüedad, pero conviene, no obstante, interesarse por Eratóstenes. Este último calculó la circunferencia de la Tierra a partir de menhires y utilizando matemáticas simples.
En efecto, suponiendo que los rayos del sol son paralelos, logra medir al mediodía en Alejandría el ángulo de los rayos del sol con la vertical (menhir) y encuentra 7°. Al mismo tiempo, en Syene, ciudad situada casi en el mismo meridiano, los rayos del sol no forman ningún ángulo en forma de pozo. Utilizando una relación de proporcionalidad, deduce la circunferencia de la Tierra de 40.349 km, un error del 10% respecto al valor medido con precisión hoy. Así, la física progresa y el conocimiento se acumula a través de la observación, la formulación de hipótesis y el desarrollo de teorías utilizando herramientas matemáticas.
Avances en física
La Edad Media llegó y las guerras se multiplicaron. Invasiones, conquistas, guerras... y el conocimiento griego acumulado de la Antigüedad se pierde salvo unos pocos filósofos, como Boecio, que preservan a través del Quadrivium algunas herencias científicas de la Antigüedad. Mientras Occidente está sumido en un período de olvido, la civilización árabe-musulmana continúa el trabajo emprendido por los griegos, en particular preservando los escritos de los descubrimientos y retomando estos trabajos para profundizarlos y fundar así una civilización del conocimiento. :esta es la edad de oro del progreso árabe-musulmán.
La invención del cero por parte de los árabes provocó un gran revuelo en las ciencias matemáticas y permitió avances en este campo, como lo ilustran el álgebra y científicos como Averroes (1126-1198). La astronomía también se profundiza con la invención del primer telescopio acuático por parte del físico astrónomo Alhazen (965-1039). Este último consigue explicar fenómenos ópticos como que la Luna aparezca más grande en el cielo en determinados momentos, o incluso por qué brilla la Luna. También es el primero en hablar del fenómeno de la refracción, idea que será retomada por los físicos en los siglos siguientes. En mecánica, Alhazen enuncia el principio de inercia, que luego será retomado por Galileo, y también habla de la atracción de masas, idea que será retomada principalmente por Isaac Newton siglos después. El Renacimiento vio a muchos científicos revolucionar el mundo de la ciencia física.
Llega Galileo (1564-1642), el físico-astrónomo que se hizo muy famoso por muchos inventos como el telescopio astronómico. Su trabajo en dinámica le enseñó a comprender el movimiento de los planetas. Además, establece el principio de inercia que establece que si un objeto no está sometido a ninguna fuerza o a fuerzas cuya resultante es cero, entonces el cuerpo en cuestión está en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme. Este principio constituirá unos años más tarde la primera ley de Newton. René Descartes (1596-1650), por su parte, trabaja más en óptica y expresa matemáticamente la ley de la refracción de la luz, y obviamente la de la reflexión.
Pero el mayor progreso del siglo XVII fue seguramente obra del científico Isaac Newton (1643-1723). Trabaja en muchos campos, como la óptica, la mecánica y las matemáticas, y revoluciona nuestra comprensión del Universo. Newton continúa el trabajo de Descartes (y Snell) sobre la refracción de la luz:muestra que un prisma descompone la luz en varios colores y que son estos colores los que forman la luz blanca. También estudia la difracción y será el inventor del telescopio de Newton que permitirá una mejor visión y visibilidad que el telescopio astronómico de Galileo.
En mecánica, Isaac Newton explica matemáticamente el movimiento de los cuerpos utilizando vectores para modelar fuerzas. Así establece tres leyes que más tarde se denominarán "leyes de Newton" y consigue explicar el funcionamiento de la gravedad enunciando la ley de la gravitación universal, que publicará en su obra "Los principios de la filosofía natural" gracias a su amigo el astrónomo. Halley (1656-1742). Finalmente Leibniz (1646-1716) fue un físico importante de la época:sus descubrimientos teóricos sobre la conservación de la energía y el modelado teórico de las dimensiones espaciales y temporales habrán sido de gran utilidad para los científicos posteriores.
Ciencias físicas post-newtonianas
Entendemos mejor la energía y la dinámica:cinemática y dinámica, luego crearemos una rama que une los dos subdominios:la termodinámica. Como sugiere su nombre, que proviene del griego antiguo “thermos”:calor, y “dunamis”:potencia (de ahí el nombre de dinámica), esta rama de las ciencias físicas relaciona movimiento y energía (el calor es sólo un medio de transporte de energía). . Con esta nueva rama de la física, la industria progresará (precisamente en la era industrial) y se desarrollarán las máquinas de vapor.
También apareció otra nueva rama:el electromagnetismo, con Maxwell (1831-1879). Esta nueva rama unifica la electricidad con el magnetismo, y esto con experimentos sencillos (y también en teoría con las matemáticas):una corriente eléctrica que circula por un cable genera un campo magnético. Es el movimiento de electrones libres lo que crea un campo magnético, al mismo tiempo que una corriente eléctrica.
Pero el descubrimiento más importante del siglo será sin duda el de la medición de la velocidad de la luz mediante el interferómetro por parte de dos premios Nobel:Edward Morley (1838-1923) y Albert Abraham Michelson (1852-1931). Observan que la velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas de referencia del mismo medio, un descubrimiento que crea un trastorno en la dinámica. En efecto, un observador que se mueve a gran velocidad y un observador que está inmóvil, en un determinado marco de referencia, verá pasar un fotón a la misma velocidad, lo que es contrario a la dinámica de la física:un observador que se mueve en la misma dirección de El fotón a alta velocidad debería verlo progresar más lentamente que un observador en reposo (en un determinado marco de referencia) [1]. Esto sólo puede explicarse con el principio de contracción de la longitud, del que se originaron Fitzgerald (1851-1901) y Lorentz (1853-1928). Se contradice así la mecánica clásica.
Einstein revoluciona la física
Habrá que esperar a que Einstein (1879-1955) concilie este sorprendente descubrimiento con la mecánica. En 1905 publicó su teoría especial de la relatividad, que demostró que si la velocidad de la luz no cambia, el movimiento se produce a partir de una deformación del espacio y del tiempo. Muestra así que el espacio y el tiempo no son constantes, sino que se expanden y contraen, de ahí la experiencia imaginada de los gemelos Langevin (1872-1946) cuya vejez sería diferente según hubieran hecho un viaje a gran velocidad o no (relativamente a un determinado punto de referencia) [1].
La relatividad general desarrollada entre 1907 y 1915 por Einstein permitirá conciliar la relatividad especial con una teoría de la gravitación. De hecho, Albert muestra que, según él, la gravitación es sólo una deformación del espacio-tiempo. Como una pelota colocada sobre una lámina de caucho, la deformación de esta última generaría una atracción porque un cuerpo sigue líneas gravitacionales llamadas geodésicas.
La relatividad general reducirá el campo de aplicación de la mecánica newtoniana, que ya no funciona con cuerpos que se mueven a velocidades muy elevadas. También conducirá a nuevos conceptos, como el de agujero negro, que se han detectado recientemente. También el físico Hubble (1889-1953) demostrará que las galaxias se alejan unas de otras (al contrario de lo que la mecánica newtoniana podría hacernos creer) de ahí la idea de la expansión del Universo, continuada a un evento que será llamado "Big Bang".
En el campo de la mecánica cuántica, Ernest Rutherford (1871-1937) realizará extraordinarios descubrimientos en física nuclear. Descubre los rayos ionizantes como la radiactividad, los rayos alfa y beta. Su experiencia con el átomo de oro pondrá de relieve la existencia de un núcleo que reúne las cargas positivas del átomo y es responsable de su masa.
La física hoy en día
Por tanto, la física tiene bases sólidas que permiten nuevos descubrimientos y nuevos inventos. Aún queda por resolver la incompatibilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general, que son radicalmente diferentes. Todos los descubrimientos de los últimos doscientos años parecen conducir al mismo punto, a converger, de ahí la idea de una teoría del todo y de una ecuación maestra que actualmente es objeto de intensas investigaciones por parte de los físicos. . Las computadoras y las máquinas permiten que la física avance más rápido y con mayor precisión.
Recientemente la inauguración del LHC ("Large Hardron Collider" o "Large Hadron Collider") del CERN ("Consejo Europeo para la Investigación Nuclear", oficialmente:"Organización Europea para la Investigación Nuclear") permitirá descubrir los secretos del materia y quizás incluso reconstituir el Universo en sus inicios, en definitiva, nos promete muchas sorpresas. Gracias a las matemáticas, la informática y la tecnología, las ciencias físicas siguen progresando y la historia de esta magnífica ciencia sigue escribiéndose...
[1] Siempre hablamos de movimiento con respecto a un sistema de referencia (sólido considerado como fijo)
Bibliografía
- Jean Rosmorduc, Una historia de la física y la química. Puntos de ciencia, 1985.
- Jean Perdijon, Historia de la física. Dunod, 2008.
