Fisica

Els 1.000 fonamentals de la Viquipèdia
De la Viquipedia, l'enciclopedia lliure

Aquest article forma part de la serie
Ciencia
Disciplines cientifiques
Metode i recerca
Epistemologia
Evolucio cientifica
Formals
Naturals
Medi fisic
Astronomia  · Geografia  ·

Fisica  · Terra  · Quimica

Vida
Biologia  · Genetica  ·

Neurociencia  · Medi ambient

Humanitats
Ciencies socials
Politica  · Economia  ·

Linguistica  · Historia  · Sociologia

Ciencies humanes
Antropologia  · Filosofia  · Musicologia  ·

Art  · Literatura  · Psicologia

Aplicades

La fisica (del grec φυσικ?? ( phusikos ), 'natural' i φ?σι? ( phusis ), 'natura') es la ciencia que estudia la natura en el seu sentit mes ampli, ocupant-se del comportament de la materia i l' energia , i de les forces fonamentals de la natura que governen les interaccions entre les particules. Fou anomenada filosofia natural fins a final del segle  xix . Els fisics estudien un ampli espectre de fenomens fisics: des de les particules subatomiques , que formen la materia ordinaria ( fisica de particules ), a l' univers com un tot ( cosmologia ).

Els descobriments de la fisica troben aplicacio en totes les altres ciencies naturals , ja que la materia i l' energia son els components basics del mon natural. Algunes de les propietats estudiades en fisica son comunes a tots els sistemes materials, com la conservacio de l'energia . Aquestes propietats son sovint anomenades lleis fisiques . De vegades s'ha dit que la fisica es la ciencia fonamental , perque les altres ciencies ( biologia , quimica , geologia , etc.) tracten amb determinats tipus de sistemes materials que obeeixen les lleis de la fisica. Per exemple, la quimica es la ciencia de les molecules i els compostos quimics que aquestes formen en grans quantitats. Les propietats dels components quimics venen determinades per les propietats de les molecules, les quals son descrites amb precisio per distintes arees de la fisica com la mecanica quantica , la termodinamica i l'electromagnetisme .

La fisica esta estretament relacionada amb les matematiques . Les matematiques proporcionen a la fisica el llenguatge i les eines necessaries que permeten obtenir una formulacio precisa (quantitativa) de les lleis fisiques i els fenomens que aquestes impliquen. Aixo, de retruc, fa possible que es puguin verificar (o descartar) els resultats predits experimentalment .

Les teories fisiques son gairebe sempre expressades en forma de relacions matematiques, i les matematiques requerides acostumen a ser mes complicades que les d'altres ciencies. Una diferencia basica entre fisica i matematiques es que la fisica s'ocupa, en ultima instancia, de les descripcions del mon material, mentre que les matematiques tracten amb abstraccions que no depenen d'aquest. Val a dir que la distincio no sempre es obvia: hi ha una gran quantitat d'investigacio a mig cami entre fisica i matematiques, coneguda amb el nom de fisica matematica , dedicada a desenvolupar l'estructura matematica de les teories fisiques. Tanmateix, aquesta unio entre matematiques i fisica amaga un aspecte ben sorprenent, i es que la fisica tambe fa les seves aportacions a les matematiques.

Visio historica de la investigacio en la fisica [ modifica ]

La historia de la fisica intenta explicar la natura i els fenomens que, des de la mes remota antiguitat , es tracten de comprendre: el pas de les estacions, el moviment dels cossos i dels astres, els fenomens climatics, les propietats dels materials, etc. Les primeres explicacions van apareixer en l'antiguitat i es basaven en consideracions purament filosofiques, sense verificar experimentalment. Algunes interpretacions falses, com la feta per Ptolemeu en el seu famos Almagest ("La Terra es al centre de l' univers i al seu voltant giren els astres") van perdurar durant segles.

Fisica antiga [ modifica ]

Els xinesos, els babilonis, els egipcis i els maies van observar els moviments dels planetes i van assolir de predir els eclipsis , pero no van aconseguir de trobar un sistema que expliques el moviment planetari. Les especulacions dels filosofs grecs van introduir dues idees fonamentals sobre els components de l' univers , oposades entre si: l' atomisme , proposat per Leucip i Democrit als segles iv i v aC, i la teoria dels elements, formulada durant el segle  v  aC. A Alexandria , el centre cientific de la civilitzacio occidental durant el periode hel·lenistic , va haver notables avencos. Alli, el matematic i inventor grec Arquimedes va dissenyar amb palanques i cargols diversos aparells mecanics practics i va amidar la densitat d'objectes solids submergint-los en un liquid . Altres cientifics grecs importants d'aquella epoca van ser l'astronom Aristarc de Samos , que va trobar la relacio entre les distancies de la Terra al Sol i de la Terra a la Lluna ; el matematic, astronom i geograf Eratostenes , que va amidar la circumferencia de la Terra i va elaborar un cataleg d'estrelles ; i l'astronom Hiparc de Nicea , que va descobrir la precessio dels equinoccis . En el segle  ii l'astronom, matematic i geograf Claudi Ptolemeu va proposar el sistema que duu el seu nom per explicar el moviment planetari. En el sistema de Claudi Ptolemeu, la Terra es al centre i el Sol, la Lluna i les estrelles giren al seu voltant en orbites circulars.

Fisica a l'edat mitjana [ modifica ]

Durant l' edat mitjana es van produir pocs avencos, tant en fisica com en les altres ciencies. No obstant aixo, savis arabs com Averrois o com Ibn an-Nafis van contribuir a la conservacio de molts tractats cientifics de la Grecia classica. En general, les grans universitats medievals fundades a Europa pels ordes monastics a partir del segle  xiii no van suposar un gran avenc per a la fisica o altres ciencies experimentals. El filosof escolastic i teoleg italia Tomas d'Aquino , per exemple, va tractar de demostrar que les obres de Plato i Aristotil eren compatibles amb les Sagrades Escriptures. El filosof escolastic i cientific britanic Roger Bacon va ser un dels pocs filosofs que va defensar el metode experimental com l'autentica base del coneixement cientific; tambe va investigar en astronomia, quimica, optica i disseny de maquines.

Fisica classica [ modifica ]

Algunes forces de la fisica classica

La fisica classica inclou les branques tradicionals i temes que foren reconeguts i prou ben desenvolupats abans del comencament del segle  xx :

Fisica moderna [ modifica ]

La major part de la fisica classica es preocupa per la materia i l'energia a una escala normal d'observacio; per contra, molta de la fisica moderna (es a dir, els canvis que portaren les revolucionaries teories de principis del segle  xx al mon dels fisics) s'ocupa del comportament de la materia i l'energia sota condicions extremes (a velocitats luminiques o proximes a la de la llum) o en una escala molt gran o molt menuda. Per exemple, la fisica atomica i la nuclear estudien la materia a l'escala mes menuda a que poden identificar-se els elements quimics . La fisica de particules treballa a una escala mes menuda encara, encarregant-se de les unitats mes basiques de la materia. Aquesta branca de la fisica es tambe coneguda com a fisica d'alta energia per les energies extremadament elevades que son necessaries per a produir molts dels tipus de particules en enormes acceleradors de particules . A aquesta escala, no son valides les nocions d'espai, temps, materia i energia a que estem acostumats.

Les dues teories principals en la fisica moderna presenten un diferent panorama dels conceptes de temps, espai i materia del que presentava la fisica classica. La teoria quantica s'ocupa de la natura discreta (en comptes de continua) de molts fenomens a nivell atomic i subatomic, i dels aspectes complementaris de les ones i particules en la descripcio d'aquests fenomens. La teoria de la relativitat tracta de la descripcio dels fenomens que ocorren en el marc de referencia que es troba en moviment respecte a un observador; la teoria especial de la relativitat s'encarrega del moviment uniforme en un espaitemps 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' espaitemps corbat i la seua connexio amb la gravitacio . Tant la teoria quantica com la de la relativitat troben aplicacions en totes les arees de la fisica moderna.

Fisica teorica i experimental [ modifica ]

La cultura de la investigacio fisica difereix de les altres ciencies en la separacio de teoria i experiment . Des del segle  xx , la major part dels fisics s'han especialitzat o be en fisica teorica o be en fisica experimental , i en el segle  xx molt pocs han tingut exit en ambdos camps d'investigacio. En contrast, quasi tots els teorics que han triomfat en biologia i quimica han estat tambe experimentadors.

En linies generals, els teorics busquen desenvolupar teories que descriguin i interpretin resultats experimentals existents i prediguin amb exit resultats futurs, mentre que els experimentadors ideen i realitzen experiments per explorar nous fenomens i comprovar les prediccions teoriques. Encara que teoria i experiment son desenvolupats independentment, depenen en gran manera l'un de l'altre. El progres en fisica frequentment ve quan els experimentadors fan un descobriment que les teories existents no poden explicar, i es necessiten aleshores noves teories. De manera similar, idees sorgides de la teoria sovint inspiren nous experiments. En absencia d'experiment, la investigacio teorica pot anar en la direccio equivocada. Aquesta es una de les critiques que ha estat dirigida cap a la teoria de cordes , una popular teoria en la fisica d'altes energies per a la qual encara no s'ha ideat cap prova experimental.

Branques de la fisica [ modifica ]

La fisica es una ciencia molt extensa i que agrupa disciplines molt distants entre si. La llista seguent es un intent d'agrupar-ne tots els camps de manera exhaustiva:

Teories [ modifica ]

Encara que la fisica s'interessa per una gran varietat de sistemes, algunes teories nomes poden estar relacionades amb la fisica com un tot i no amb un dels seus camps. Cadascuna es considerada ajustada dins d'un cert domini de la validesa o d'aplicabilitat. Per exemple, la teoria de la mecanica classica descriu amb precisio el moviment d'un objecte, pero a condicio que (1) les seves mides siguin molt mes grans que un atom , (2) que la seva velocitat sigui molt inferior a la velocitat de la llum , (3) que no sigui massa a prop d'una gran massa, i (4) que no estigui carregat electricament . Les velles teories, com la mecanica de Newton, continuen sent materia de recerca especialment pel que fa a l'estudi de fenomens complexos , com per exemple la teoria del caos . Les teories son a la base de qualsevol investigacio en el mon de la fisica i tots els estudiants, sigui quina sigui la seva especialitat, ha de coneixer els fonaments de cadascuna.

Teoria Dominis Conceptes
Mecanica classica Cinematica , lleis de Newton , mecanica analitica , mecanica dels fluids , particula puntual , mecanica dels solids , transformacio de Galileu , mecanica dels medis continus Dimensio , espai , temps , sistema de referencia , longitud , velocitat , velocitat relativa , massa , moment angular , forca , energia , parell de forces , llei de conservacio , moviment harmonic , ona , treball , potencia , equilibri
Electromagnetisme Electroestatica , electricitat , magnetisme , equacions de Maxwell Carrega electrica , corrent electric , camp electric , camp magnetic , camp electromagnetic , radiacio electromagnetica
Fisica estadistica i termodinamica Maquina termica , teoria cinetica molecular Constant de Boltzmann , entropia , energia lliure , transferencia de calor , funcio de particio , temperatura , equilibri termodinamic
Mecanica quantica Integral de cami , equacio de Schrodinger , teoria quantica de camps Hamiltonia , boso , fermio , particules identiques , constant de Planck , oscil·lador harmonic quantic , funcio d'ones , energia del buit
Teoria de la relativitat Relativitat galileana , relativitat especial , relativitat general Principi d'equivalencia , quadrivector , espaitemps , velocitat de la llum , velocitat relativa , invariancia de Lorentz

Metodes [ modifica ]

Els fisics observen, mesuren i modelitzen el comportament i les interaccions de la materia a traves de l' espai i el temps definint fenomens fisics.

Una teoria o un model es un conjunt conceptual, formalitzat matematicament, en que els parametres considerats com a independents (per exemple la carrega , l'energia i el temps) s'expressen en forma de variables ( q , E i t ) i son mesurats amb unitats adequades ( coulomb , joule i segon ). La teoria relaciona les variables amb una o mes equacions ( E=mc² , per exemple). Les relacions establertes permeten fer prediccions quantitatives dels resultats dels experiments .

Una experiencia es un protocol material que permet la mesura de certs fenomens dels quals la teoria proporciona una representacio conceptual. Es il·lusori aillar una experiencia de la teoria associada. El fisic no mesura les coses a l'atzar, ha de tenir en compte l'univers conceptual d'una teoria. Aristotil mai va pensar de calcular el temps que trigaria a arribar a terra una pedra llancada, simplement perque no la seva visio del mon no considerava aquest tipus de quantificacio. Aquesta experiencia va haver d'esperar a Galileu per ser portada a terme.

Un altre exemple d'experiencia clarament dictada per un marc conceptual teoric es el descobriment dels quarks en el marc de la fisica de particules . El fisic Murray Gell-Mann va observar que les particules sotmeses a una forca nuclear forta es distribueix d'acord amb una estructura matematica elegant, pero tres posicions basiques (en el sentit matematic de la teoria de la representacio de grups ) d'aquesta estructura no s'acomplien. Per tant, va postular l'existencia d'altres particules mes fonamentals (en el sentit fisic) que els protons i els neutrons . Els experiments van permetre mes tard, i arran d'aquesta teoria, trobar l'evidencia de la seva existencia.

Per contra, les experiencies que ofereixen resultats no coincidents amb la teoria poden posar-la en dubte (com va ser el cas del problema del cos negre que va provocar l'aparicio de la mecanica quantica , o tambe els casos de la desaparicio de vitalisme o de l' atomisme termodinamics), o forcar la modificacio de la teoria i el model per tal d'integrar els nous elements. L'exemple del descobriment de Neptu es il·lustratiu d'aquest efecte, els astronoms podien portar a terme una primera experiencia, la de la mesura de la trajectoria d' Ura , pero la teoria de Newton donava una trajectoria diferent de l'observada. Per mantenir la teoria, Urbain Le Verrier i, de manera independent, John Couch Adams van postular l'existencia d'un nou planeta , i d'acord amb aquesta hipotesi, van predir-ne la posicio. Aixo va ser verificat despres d'un segon experiment que va consistir a mirar amb el telescopi vers el lloc previst. Es evident que la interpretacio dels resultats de la primera experiencia depen de la teoria i la segona no s'hauria produit mai sense la teoria i el seu calcul. Un altre exemple es l'existencia dels neutrins , prevista per Wolfgang Pauli per poder explicar l' espectre de la desintegracio beta , i l'aparent manca de conservacio de moment angular .

El metode cientific [ modifica ]

La fisica utilitza el metode cientific per a comprovar la validesa de les teories fisiques, utilitzant una aproximacio metodologica per a comparar les implicacions d'una teoria en questio amb les conclusions derivades dels experiments i observacions que s'han portat a terme per verificar-la. Els resultats experimentals i les observacions es recullen i es contrasten amb les prediccions i hipotesis fetes per una teoria , ajudant aixi a la determinacio de la validesa o invalidesa de la teoria.

El metode experimental modern requereix que les teories fisiques s'han de basar en l'observacio dels fenomens naturals, han de ser formulades com a relacions matematiques i han de ser provades amb experiments.

Les teories que tenen un gran suport per les dades experimentals i mai hi ha hagut cap prova empirica competent que les comprometi sovint son anomenades lleis cientifiques , o lleis naturals. Per descomptat, totes les teories, incloses les anomenades lleis cientifiques , sempre poden ser reemplacades per d'altres de mes exactes, si s'observa alguna dada que no concorda amb el que estableix la teoria. [1]

La recerca [ modifica ]

La cultura de la recerca en el camp de la ciencia fisica presenta una diferencia significativa amb la d'altres ciencies: es tracta de la separacio entre la teoria i l'experiencia. Des del segle  xx , la majoria dels fisics s'han especialitzat o en fisica teorica o en fisica experimental . En contrast, trobem que gairebe tots els teorics de renom en ciencies quimiques o biologiques tambe es dediquen a l'experimentacio.

Des de la introduccio de la informatica , la simulacio per ordinador ocupa un lloc molt important a la investigacio en fisica. Permet la resolucio aproximada dels problemes matematics que no poden ser tractats analiticament. Molts teorics dels fisics teorics son tambe informatics.

Recerca en la fisica contemporania [ modifica ]

La recerca en el camp de la fisica contemporania es divideix en diferents branques o disciplines que estudien diferents aspectes del mon fisic:

Camp Branques Principals teories Conceptes
Astrofisica Cosmologia , planetologia , fisica del plasma , fisica d'astroparticules Big bang , univers inflacionari , relativitat general , materia fosca , raigs cosmics Forat negre , galaxia , gravetat , ona gravitatoria , planeta , sistema solar , estrella , univers
Fisica quantica Fisica atomica , fisica molecular , optica , fotonica Optica quantica Difraccio , radiacio electromagnetica , laser , polaritzacio electromagnetica , interferencies
Fisica de particules Accelerador de particules , fisica nuclear Model estandard , teoria de la gran unificacio , teoria de cordes , teoria M Interaccions fonamentals ( gravetat , electromagnetisme , forca nuclear feble , forca nuclear forta ), particula elemental , antiparticula , Espin , Ruptura espontania de simetria
Fisica de la materia condensada Fisica de l'estat solid , ciencia de materials , fisica de polimers , fisica de la materia condensada tova , fisica mesoscopica , sistema desordenat Superconductivitat , ona de Bloch , condensat fermionic , liquid de Fermi Estat de la materia ( solid , liquid , gas , plasma , condensat de Bose-Einstein , fluid supercritic , superfluid ), conductor , magnetisme , autoorganitzacio

En el camp de la fisica de la materia condensada, un important problema teoric no resolt es el de la superconductivitat d'alta temperatura ; molts dels experiments que es fan tenen com a objectiu aconseguir metodes viables per assolir la fabricacio d' ordinadors quantics i maquines basades en l' espintronica .

En en camp de la fisica de particules, han comencat a apareixer les primeres proves experimentals que van mes enlla del model estandard . Entre aquestes, hi ha indicis que indicarien que els neutrins no tindrien una massa nul·la. Aquests resultats experimentals semblen haver resolt el ja antic problema dels neutrins solars i la fisica dels neutrins massius continua sent una area de recerca activa a nivell teoric i experimental. Els acceleradors de particules han comencat a experimentar a nivells d'energia de l'ordre del TeV , en els quals els investigadors esperen trobar proves del boso de Higgs i les particules supersimetriques . [2]

Objectius i limits de la fisica [ modifica ]

Recerca d'un corpus finit i evolucio permanent [ modifica ]

La historia de la fisica suggereix que es il·lusori pensar que eventualment trobarem un conjunt finit d'equacions que no podran ser contradites per l'experiencia. Cada teoria acceptada en un moment historic finalment ha acabat per mostrar els seus limits, i s'ha integrat en una teoria mes amplia. La teoria de la gravetat newtoniana es valida en condicions en que les velocitats son petites i les masses implicades son petites, pero quan les velocitats s'acosten a la velocitat de la llum o les masses (o de manera equivalent en relativitat , les energies) esdevenen importants, s'ha de donar pas a la relativitat general . A mes, aixo es incompatible amb la mecanica quantica quan l' escala d'estudi es microscopica i en condicions de molt alta energia (per exemple, en el moment del big bang o a prop d'una singularitat a l'interior d'un forat negre ).

La fisica teorica troba els seus limits en la mesura en que la seva continua renovacio provoca la incapacitat d'arribar a un estat de coneixement perfecte i sense errors de la realitat . Molts filosofs, com Immanuel Kant , van advertir en contra de qualsevol creenca que el coneixement huma dels fenomens pugui coincidir amb la realitat, si es que aquesta existeix. La fisica no descriu el mon, les seves conclusions no es relacionen amb el mon mateix, sino amb el model que es dedueix a partir alguns dels parametres estudiats. Es una ciencia exacta en la qual les hipotesis i els parametres considerats condueixen exactament a les conclusions.

La concepcio moderna de la fisica, especialment a partir del descobriment de la mecanica quantica, ja no te com a objectiu ultim la determinacio de les causes de les lleis de la fisica , sino tan sols explicar el com d'una aproximacio positivista . Tambe podem ressaltar la idea d' Albert Einstein sobre el treball dels fisics: fer fisica es com emetre teories sobre el funcionament d'un rellotge que mai podem obrir. [3]

Recerca de la simplificacio i la unificacio de les teories [ modifica ]

La fisica tambe te una dimensio estetica , de fet, els teorics, cerquen gairebe de manera sistematica de simplificar, unificar i simetritzar les teories. Aixo es fa a partir de la reduccio del nombre de constants fonamentals adimensionals , de la unio de marcs conceptuals que abans estaven separats (la teoria de Maxwell unifica electricitat i magnetisme, la interaccio electrofeble ha unificat l' electrodinamica quantica amb la interaccio feble , i aixi successivament fins a la construccio d'un model estandard de fisica de particules ). La recerca de la simetria en les teories, mes enlla del fet que pel teorema de Noether produeixen espontaniament les constants del moviment (com l' energia es conserva quan les equacions del sistema son invariants temporalment) es un element d'estetica de les equacions i una motivacio per als fisics i, des del segle  xx , el principal motor de l'evolucio de fisica teorica .

Des del punt de vista experimental, la simplificacio es un principi de pragmatisme. De fet, per a dur a terme una experiencia, es necessari dominar un gran nombre de parametres fisics per tal de crear amb precisio les condicions experimentals requerides. La majoria de les situacions que ocorren de manera espontania en la natura son molt confuses i irregulars. A mes de fenomens excepcionals com l' arc de Sant Marti , que causen una gran sorpresa als profans, en la nostra escala el mon combina molts principis i teories que pertanyen a dominis separats del corpus. Els conceptes de la fisica requereixen molt de temps per ser assimilats pels mateixos fisics. Una certa preparacio del dispositiu experimental permet la manifestacio d'un fenomen fisic tan depurat com sigui possible. En resum, un arc de Sant Marti ben contrastat i clar, per prendre una imatge poetica. Aquest requisit experimental dona per desgracia un aspecte artificial a la fisica, especialment quan s'ensenya a un public jove. Paradoxalment, no hi ha res que sembli tan a prop de ser la natura com un experiment de fisica, per tant nomes s'hi busca la simplificacio.

Al llarg de la historia, algunes teories complexes i poc elegants des d'un punt de vista matematic poden ser molt eficaces i dominar teories molt mes simples. L' Almagest de Ptolemeu , basat en una figura geometrica simple, el cercle, incloia una serie de constants de les quals depenia la teoria, pero va permetre d'entendre el cel durant mes de mil anys sense massa error. El model estandard de la fisica de particules que descriu les particules elementals tambe inclou una trentena de parametres arbitraris, i per aixo mai cap teoria ha pogut ser comprovada experimentalment amb exactitud. Tanmateix, entre els fisics tothom esta d'acord a considerar que algun dia aquesta teoria sera sublimada i integrada dins una teoria mes simple i elegant, igual que el sistema de Ptolemeu va desapareixer en favor de la teoria de Kepler primer i Newton mes tard.

Referencies [ modifica ]

  1. Alguns principis, com les lleis de Newton , encara son anomenades lleis tot i que avui dia saben que es tracta de casos particulars de noves teories. Aixi, per exemple, al llibre de Thomas Brody (1993, Luis de la Pena i Peter Hodgson, eds.) The Philosophy Behind Physics ISBN 0-387-55914-0 , pags 18?24 (capitol 2), s'explica que el 'cicle epistemologic' pel que un estudiant descobreix la fisica no es un producte acabat sino el proces de crear aquest producte.
  2. Guennadi , Borissov; Bertram, I. A. and Fox, H. and Ratoff, Peter N. ≪ Direct Observation of the Strange b Baryon Xi(b)-. ≫ (en angles). Physical Review Letters, 99 (5). 05200. ISSN 1079-7114, 2007. [Consulta: 5 febrer 2012].
  3. Albert Einstein i Leopold Infeld , L'evolution des idees en physique , Payot, trad. fr. 1978, pag. 34-35 : En l'esforc que fem per entendre el mon ens assemblem una mica a un home que tracta de comprendre el mecanisme d'un rellotge tancat. Ell veu l'esfera i les agulles en moviment, sent el seu tic-tac, pero no te manera d'obrir-lo. Si es enginyos podra fer-se una imatge del mecanisme que podria ser el responsable del que observa, pero mai tindra la certesa que la seva imatge es l'unica capac d'explicar les seves observacions. Mai podra comparar la seva imatge amb el mecanisme real (…)
  • James T. Cushing: Philosophical concepts in physics , the historical relation between philosophy and scientific theories, Cambridge : Cambridge Univ. Press 1998, ISBN 0-521-57823-X .
  • Roberto Torretti: The Philosophy of Physics , Cambridge: CUP 1999.

Vegeu tambe [ modifica ]

Enllacos externs [ modifica ]