Física experimental

La física experimental es la categoría de disciplinas y subdisciplinas en el campo de la física que se ocupan de la observación de fenómenos físicos y experimentos . Los métodos varían de una disciplina a otra, desde experimentos y observaciones simples, como los experimentos de Galileo , hasta otros más complicados, como el Gran Colisionador de Hadrones .

La física experimental es una rama de la física que se ocupa de la adquisición de datos, los métodos de adquisición de datos y la conceptualización detallada (más allá de los simples experimentos mentales ) y la realización de experimentos de laboratorio. A menudo se la contrasta con la física teórica , que se ocupa más de predecir y explicar el comportamiento físico de la naturaleza que de adquirir datos empíricos.

Aunque la física experimental y la física teórica se ocupan de aspectos diferentes de la naturaleza, ambas comparten el mismo objetivo de comprenderla y tienen una relación simbiótica. La primera proporciona datos sobre el universo, que luego pueden analizarse para comprenderse, mientras que la segunda proporciona explicaciones sobre los datos y, por lo tanto, ofrece información sobre cómo adquirir mejor datos y realizar experimentos. La física teórica también puede ofrecer información sobre qué datos se necesitan para comprender mejor el universo y qué experimentos se deben idear para obtenerlos.

La tensión entre los aspectos experimentales y teóricos de la física fue expresada por James Clerk Maxwell de la siguiente manera: "Solo cuando intentamos poner en contacto la parte teórica de nuestra formación con la práctica empezamos a experimentar el efecto pleno de lo que Faraday ha llamado 'inercia mental': no ​​sólo la dificultad de reconocer, entre los objetos concretos que tenemos ante nosotros, la relación abstracta que hemos aprendido de los libros, sino también el dolor que nos distrae al tener que apartar la mente de los símbolos para dirigirla a los objetos, y de los objetos a los símbolos. Sin embargo, éste es el precio que tenemos que pagar por las nuevas ideas". ^[1]

Como campo diferenciado, la física experimental fue establecida en la Europa moderna temprana , durante lo que se conoce como la Revolución científica , por físicos como Galileo Galilei , Christiaan Huygens , Johannes Kepler , Blaise Pascal y Sir Isaac Newton . A principios del siglo XVII, Galileo hizo un uso extensivo de la experimentación para validar teorías físicas, que es la idea clave en el método científico moderno. Galileo formuló y probó con éxito varios resultados en dinámica, en particular la ley de la inercia , que más tarde se convirtió en la primera ley de las leyes del movimiento de Newton . En Las dos nuevas ciencias de Galileo , un diálogo entre los personajes Simplicio y Salviati discute el movimiento de un barco (como un marco móvil) y cómo la carga de ese barco es indiferente a su movimiento. Huygens usó el movimiento de un barco a lo largo de un canal holandés para ilustrar una forma temprana de la conservación del momento .

Se considera que la física experimental alcanzó su punto álgido con la publicación de los Philosophiae Naturalis Principia Mathematica en 1687 por Sir Isaac Newton (1643-1727). En 1687, Newton publicó los Principia , que detallaban dos leyes físicas completas y exitosas: las leyes de Newton del movimiento , de las que surgió la mecánica clásica ; y la ley de gravitación universal de Newton , que describe la fuerza fundamental de la gravedad . Ambas leyes concordaban bien con la experimentación. Los Principia también incluían varias teorías sobre dinámica de fluidos .

Desde finales del siglo XVII en adelante, la termodinámica fue desarrollada por el físico y químico Robert Boyle , Thomas Young y muchos otros. En 1733, Daniel Bernoulli utilizó argumentos estadísticos con la mecánica clásica para derivar resultados termodinámicos, iniciando el campo de la mecánica estadística . En 1798, Benjamin Thompson (Conde Rumford) demostró la conversión de trabajo mecánico en calor, y en 1847 James Prescott Joule enunció la ley de conservación de la energía , tanto en forma de calor como de energía mecánica. Ludwig Boltzmann , en el siglo XIX, es responsable de la forma moderna de mecánica estadística .

Además de la mecánica clásica y la termodinámica, otro gran campo de investigación experimental dentro de la física fue la naturaleza de la electricidad . Las observaciones realizadas en los siglos XVII y XVIII por científicos como Boyle, Stephen Gray y Benjamin Franklin sentaron las bases para trabajos posteriores. Estas observaciones también establecieron nuestra comprensión básica de la carga eléctrica y la corriente . En 1808, John Dalton había descubierto que los átomos de diferentes elementos tienen pesos diferentes y propuso la teoría moderna del átomo .

Fue Hans Christian Ørsted quien propuso por primera vez la conexión entre la electricidad y el magnetismo después de observar la desviación de la aguja de una brújula por una corriente eléctrica cercana. A principios de la década de 1830, Michael Faraday había demostrado que los campos magnéticos y la electricidad podían generarse mutuamente. En 1864, James Clerk Maxwell presentó a la Royal Society un conjunto de ecuaciones que describían esta relación entre la electricidad y el magnetismo. Las ecuaciones de Maxwell también predijeron correctamente que la luz es una onda electromagnética . A partir de la astronomía, los principios de la filosofía natural cristalizaron en leyes fundamentales de la física que se enunciaron y mejoraron en los siglos siguientes. En el siglo XIX, las ciencias se habían segmentado en múltiples campos con investigadores especializados y el campo de la física, aunque lógicamente preeminente, ya no podía reclamar la propiedad exclusiva de todo el campo de la investigación científica.

Algunos ejemplos de proyectos destacados de física experimental son:

• Colisionador de iones pesados ​​relativista que hace colisionar iones pesados ​​como iones de oro (es el primer colisionador de iones pesados) y protones , está ubicado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , en Long Island, EE.UU.
• HERA , que colisiona electrones o positrones y protones, y es parte de DESY , ubicada en Hamburgo , Alemania.
• El Gran Colisionador de Hadrones (LHC , por sus siglas en inglés) fue construido en 2008 pero sufrió una serie de contratiempos. El LHC comenzó a funcionar en 2008, pero estuvo cerrado por mantenimiento hasta el verano de 2009. Es el colisionador más energético del mundo una vez terminado y está ubicado en el CERN , en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra . El colisionador comenzó a funcionar completamente el 29 de marzo de 2010, un año y medio más tarde de lo planeado originalmente. ^[2]
• LIGO , el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser, es un experimento y observatorio de física a gran escala para detectar ondas gravitacionales cósmicas y desarrollar observaciones de ondas gravitacionales como herramienta astronómica. Actualmente existen dos observatorios LIGO: el Observatorio LIGO Livingston en Livingston, Luisiana , y el Observatorio LIGO Hanford cerca de Richland , Washington .
• El telescopio espacial James Webb (JWST) se lanzará en 2021 y será el sucesor del telescopio espacial Hubble . Estudiará el cielo en la región infrarroja. Los principales objetivos del JWST serán comprender las etapas iniciales del universo, la formación de galaxias, estrellas y planetas, y los orígenes de la vida.
• Búsqueda de axiones en Mississippi State (finalización en 2016), experimento de luz que brilla a través de una pared (LSW); fuente electromagnética: emisor de ondas de radio continuas de 50 W y 0,7 m ^[3]

La física experimental utiliza dos métodos principales de investigación experimental: experimentos controlados y experimentos naturales . Los experimentos controlados suelen emplearse en laboratorios , ya que estos pueden ofrecer un entorno controlado. Los experimentos naturales se utilizan, por ejemplo, en astrofísica , cuando se observan objetos celestes en los que es imposible controlar las variables en juego.

Los experimentos famosos incluyen:

Algunas técnicas experimentales bien conocidas incluyen:

Entre los físicos experimentales famosos se incluyen:

Consulte las líneas de tiempo a continuación para ver listados de experimentos de física.

• Cronología de la física atómica y subatómica
• Cronología de la mecánica clásica
• Cronología del electromagnetismo y la óptica clásica
• Cronología de la física gravitacional y la relatividad
• Cronología de la fusión nuclear
• Cronología de los descubrimientos de partículas
• Cronología de la tecnología de la física de partículas
• Cronología de estados de la materia y transiciones de fase
• Cronología de la termodinámica

• Física
• Ingeniería
• Ciencia experimental
• Instrumento de medida
• Programación de pulsos

• Taylor, John R. (1987). Introducción al análisis de errores (2.ª ed.) . University Science Books. ISBN 978-0-935702-75-0.

• Medios relacionados con Física experimental en Wikimedia Commons