Física Moderna, Lo Nuevo del Siglo XX

Objetivos:

Terminada la lección podrás:

Explicar algunos datos de la historia de la Física Moderna.
Definir lo que es la Física Moderna
Identificar las ramas de la Física Moderna.

Elba M Sepulveda

¿Qué es Física Moderna?

La física moderna es un término que se refiere a las teorías y conceptos desarrollados a partir de finales del siglo XIX y principios del siglo XX que han revolucionado nuestra comprensión del universo a nivel fundamental. A diferencia de la física clásica (basada en las leyes de Newton, la termodinámica y el electromagnetismo), la física moderna abarca nuevos enfoques que explican fenómenos que la física clásica no puede describir adecuadamente, especialmente a escalas muy grandes (cosmos) o muy pequeñas (partículas subatómicas).

Historia

La física moderna tiene sus comienzos a principios del siglo XX. En la época cuando el alemán Max Planck investigó sobre el “cuanto” de energía. Planck decía que eran partículas de energía indivisibles. También explicaba que éstas no eran continuas como lo decía la física clásica, por ello nace esta nueva rama de la física que estudia las manifestaciones que se producen en los átomos, los comportamientos de las partículas que forman la materia y las fuerzas que las rigen. A esta rama de la Física también se le llama física cuántica.

Anteriormente, la física clásica no servía para resolver todos los problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la física moderna en probabilidades, lo que provocó dificultades para adaptarse a las nuevas ideas. Los temas tratados anteriormente no podían ser resueltos por la física clásica. La física moderna trata de explicar los fenómenos que ocurren a nivel sub atómico, en especial las colisiones de partículas. La física de partículas es una rama muy moderna que es responsable de estudiar esas colisiones.

Principales ramas de la física moderna:

Relatividad

Teoría de la relatividad: Desarrollada por Albert Einstein a principios del siglo XX, la relatividad cambió radicalmente nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la gravedad. Hay dos formas principales:

Relatividad especial (1905): Postula que la velocidad de la luz es constante y que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas inerciales. Esto implica que el tiempo y el espacio no son absolutos, sino que pueden dilatarse o contraerse dependiendo de la velocidad a la que se mueva un observador.
Relatividad general (1915): Es una teoría de la gravedad que describe cómo la masa y la energía deforman el espacio-tiempo, lo que se percibe como la fuerza de la gravedad. Esto permitió entender fenómenos como las órbitas de los planetas o la formación de agujeros negros.

Mecánica Cuántica

Descrita en la conversación anterior, la mecánica cuántica estudia el comportamiento de las partículas a escalas microscópicas. Introduce conceptos como la cuantización de la energía, la dualidad onda-partícula, el principio de incertidumbre y la superposición cuántica. Es crucial para explicar el comportamiento de los átomos, moléculas, electrones, y la radiación electromagnética.

Física de Partículas y el Modelo Estándard

Física de partículas y el Modelo Estándar: Es la rama que estudia las partículas fundamentales que componen el universo, como quarks, electrones y neutrinos, y las fuerzas fundamentales que las gobiernan: electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y gravedad. El Modelo Estándar es la teoría que describe estas partículas y sus interacciones, excepto la gravedad. Un descubrimiento clave fue el del bosón de Higgs en 2012, que explica cómo las partículas adquieren masa.

Física Nuclear

La física nuclear: Estudia el núcleo atómico y las interacciones que lo mantienen unido. La física nuclear es la base de tecnologías como los reactores nucleares, la energía nuclear y las armas nucleares. También es clave para entender la fusión nuclear, el proceso que alimenta las estrellas.

Estado Sólido

Física del estado sólido: Esta rama se enfoca en el estudio de materiales sólidos y sus propiedades, especialmente los que son importantes para la tecnología moderna, como semiconductores y superconductores. Esta área es fundamental para la electrónica, ya que los transistores y circuitos integrados se basan en principios de física cuántica aplicada al estado sólido.

Astrofísica

Astrofísica y cosmología moderna: La física moderna también ha transformado nuestra comprensión del universo a gran escala. La cosmología estudia el origen, evolución y estructura del universo. La relatividad general ha sido clave para entender el Big Bang, la expansión del universo y la existencia de fenómenos como los agujeros negros. Es por lo que la astrofísica moderna también incluye el estudio de la materia oscura y la energía oscura, componentes misteriosos que constituyen la mayor parte del universo, pero que aún no se comprenden completamente.

Características de la física moderna:

Naturaleza dual de la materia y la energía: Tanto la luz como las partículas subatómicas muestran propiedades de ondas y partículas (dualidad onda-partícula), algo que no es contemplado en la física clásica.
Principio de incertidumbre: En lugar de predicciones exactas, la física cuántica se basa en probabilidades. No es posible conocer con precisión absoluta todas las propiedades de una partícula simultáneamente, lo que lleva a una comprensión probabilística de la realidad.
Relatividad del espacio y el tiempo: El espacio y el tiempo no son absolutos ni independientes, sino que forman una entidad unificada llamada espacio-tiempo, que puede ser deformada por la presencia de masa y energía.

Importancia de la física moderna:

Se ha descubierto que la física moderna ha tenido un impacto profundo en nuestro entendimiento del universo y en nuestra vida cotidiana. Gracias a ella, se han desarrollado tecnologías avanzadas como:

Transistores y semiconductores, base de la electrónica moderna.
Láseres, usados en medicina, comunicaciones y muchas industrias.
Energía nuclear, tanto para generación de electricidad como para aplicaciones médicas.
GPS, que utiliza los principios de la relatividad para funcionar correctamente.

En resumen, la física moderna es el campo que abarca los descubrimientos y teorías que surgieron a principios del siglo XX y que continúan evolucionando. Ha transformado nuestra visión del universo, desde lo más pequeño (partículas subatómicas) hasta lo más grande (el cosmos), y ha impulsado avances tecnológicos que han revolucionado el mundo.