Física Moderna: Ramas, temas y aplicaciones

¿Qué es la física moderna?

La física moderna es el estudio de los fenómenos físicos que ocurren en condiciones que exceden las limitaciones observables de la física clásica. Estas limitaciones pueden incluir energías extremas, escalas o tamaños relativos de objetos y velocidades relativas. La física moderna se desarrolló en el primer cuarto del siglo XX y fue formulada con éxito por varios físicos de renombre, entre ellos Heisenberg, Schrodinger y Dirac.

Otros físicos como Stephen Hawking, Steven Weinberg, Peter Higgs y Alan Guth han hecho importantes contribuciones a la física moderna basándose en los fundamentos establecidos a principios del siglo XX. Hawking desarrolló teorías sobre agujeros negros y conceptos como la radiación de Hawking. Weinberg es conocido por contribuir al desarrollo de la unificación de la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética (teoría electrodébil) como parte de un esfuerzo por formular una teoría unificada de las cuatro fuerzas de la naturaleza, llamada la gran teoría unificada (GUT). Higgs también hizo contribuciones a la teoría electrodébil al explicar el origen de la masa de las partículas elementales utilizando una partícula teórica llamada bosón de Higgs, cuya existencia se confirmó en 2012. Además, Guth contribuyó a la comprensión mundial de la formación del universo temprano. al proponer un concepto conocido como inflación cósmica.

Física moderna versus física clásica

La física clásica predice bien con alta precisión fenómenos físicos que ocurren con energías relativamente manejables, escalas mayores que las de los objetos microscópicos y velocidades que son mucho menores que la velocidad de la luz. Estos incluyen fenómenos que las personas observamos en nuestra vida diaria en condiciones cotidianas, como el movimiento de un automóvil. Sin embargo, las predicciones mecánicas clásicas comienzan a fallar una vez que se acercan a estas limitaciones, que es donde se hizo necesario el desarrollo de la física moderna.

La física moderna se desarrolló para describir fenómenos que la mecánica clásica no podía explicar, incluido el comportamiento de la materia y la energía a energías relativamente altas, escalas más pequeñas que las microscópicas y velocidades que se acercan a la velocidad de la luz. Se pueden obtener resultados clásicos de las teorías de la física moderna cuando las cantidades físicas apropiadas lo exigen, es decir, cantidades que se acercan a los límites clásicos.

Ramas de la física moderna

La física moderna comprende varias ramas, incluida la mecánica cuántica, la relatividad especial y la relatividad general. La siguiente lista resume estas ramas de la física moderna:

• La mecánica cuántica es un formalismo teórico de la física que describe el comportamiento de la materia y la energía a escalas subatómicas, iguales o inferiores a las atómicas. Se pueden observar fenómenos como la difracción, la tunelización cuántica o el intercambio de partículas. La mecánica cuántica proporciona una descripción precisa de los componentes básicos del universo.
• La relatividad especial es un formalismo de la física que se ocupa de sistemas de referencia inerciales en los que las leyes de Newton son válidas. La teoría exige que las leyes de la física sean las mismas para los observadores en todos los sistemas de referencia inerciales y que la velocidad de la luz sea la velocidad máxima y también sea la misma en todos los sistemas de referencia inerciales.
• La relatividad general es un formalismo de la física que se ocupa de sistemas de referencia que pueden sufrir aceleración gravitacional. El principio de equivalencia es el postulado fundamental de esta teoría y afirma que la gravitación y la aceleración son equivalentes. Einstein explicó que la gravitación se debe a la curvatura del espacio como consecuencia de la presencia de masa.

Temas de la física moderna

Algunos temas cruciales que los expertos consideran la base de la física moderna incluyen la teoría atómica, las lentes gravitacionales y la radiación del cuerpo negro. La siguiente lista describe algunos de estos temas importantes:

• La teoría atómica afirma que los componentes fundamentales del universo comprenden objetos llamados átomos, que generalmente consisten en partículas subatómicas conocidas como protones, neutrones y electrones. En esta construcción, los protones y neutrones están unidos por la fuerza nuclear fuerte, mientras que el electrón está unido al núcleo (que consta de protones y neutrones) por las fuerzas electromagnéticas debidas a la carga eléctrica del protón y el electrón.
• La lente gravitacional es un efecto producido por objetos masivos en los que el espacio-tiempo está lo suficientemente deformado como para que la trayectoria de la luz se desvíe visiblemente, ya que la luz debe moverse a lo largo de una geodésica (la distancia más corta entre dos puntos en una geometría determinada).
• La radiación de cuerpo negro se produce cuando la superficie de un objeto absorbe toda la radiación incidente. Se trata de objetos no luminosos que no reflejan la luz y, como tales, parecen negros, de ahí su nombre. Todos los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro cuando se calientan a la misma temperatura respectiva.

Experimentos en física moderna

Un par de experimentos en física moderna incluyen el experimento de la gota de aceite de Millikan y el experimento de Franck-Hertz. El experimento de la gota de aceite de Millikan implicó rociar gotas de aceite ionizado entre placas colocadas horizontalmente de un condensador de placas paralelas. El experimento midió la masa de una gota y la fuerza gravitacional cuando las placas estaban descargadas, mientras que cuando estaban cargadas se podía medir la carga de una gota.

El experimento de Franck-Hertz confirmó que los estados de energía internos de los átomos están cuantificados. Los electrones emitidos térmicamente se aceleraron desde un cátodo calentado hasta un ánodo mediante un potencial eléctrico en el que se midió una corriente. Se descubrió que cuando se utilizaba esta técnica con el elemento mercurio contenido en un tubo en forma de vapor, no se observaba emisión espectral a menos que los electrones bombardeados tuvieran al menos un valor mínimo determinado. Este comportamiento fue evidencia de la cuantificación de la energía de los átomos.

Aplicaciones de la física moderna

La física moderna ofrece una considerable reserva de aplicaciones para la producción de energía, la medicina y las comunicaciones. La siguiente lista proporciona algunos ejemplos de aplicaciones de la física moderna:

• Comprender el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas ha permitido el desarrollo de centrales nucleares que proporcionan una gran cantidad de energía.
• La utilización de las propiedades de un fenómeno cuántico ha allanado el camino para el desarrollo de tecnologías informáticas modernas que aprovechan una alta potencia de cálculo con un bajo consumo de energía.
• La física moderna ha contribuido a varias tecnologías médicas, incluidas las tecnologías de rayos X, las imágenes por resonancia magnética y el radiotrazado, por nombrar algunas. Estas tecnologías médicas han demostrado ser invaluables para mejorar la salud humana.
• El desarrollo de teorías como la relatividad general y especial en la física moderna ha contribuido a tecnologías de comunicación como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), la tecnología de teléfonos celulares y el funcionamiento de miles de satélites utilizados para numerosos propósitos, todas tecnologías ampliamente utilizadas en la actualidad y más importante para la sociedad moderna.

Resumen de la lección

La física moderna cubre una variedad de ramas de la física, como la mecánica cuántica, la relatividad especial y la relatividad general. Se diferencia de la física clásica en que se ocupa de fenómenos que ocurren en condiciones que exceden las limitaciones observables de la física clásica. Por otro lado, la física clásica se ocupa de fenómenos que generalmente poseen cantidades cotidianas y comúnmente observadas. La mecánica cuántica se ocupa de objetos y energías a escalas subatómicas, mientras que la relatividad especial y la relatividad general se ocupan de grandes masas, altas energías, altas velocidades y grandes distancias. La relatividad especial, en particular, describe sistemas de referencia en los que las leyes de Newton son válidas, mientras que la relatividad general describe sistemas de referencia que podrían existir en presencia de aceleración gravitacional. A veces se pueden obtener resultados clásicos a partir de teorías de la física moderna y, en algunas circunstancias, incluso pueden considerarse una aproximación de la física moderna.