Historia de la física

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Física
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La física es una rama de la ciencia cuyos principales objetos de estudio son la materia y la energía . Los descubrimientos de la física encuentran aplicaciones en todas las ciencias naturales y en la tecnología . Históricamente, la física surgió de la revolución científica del siglo XVII, creció rápidamente en el siglo XIX y luego se transformó mediante una serie de descubrimientos en el siglo XX. La física actual se puede dividir libremente en física clásica y física moderna .

Hay muchos artículos detallados sobre temas específicos disponibles en el Esquema de la historia de la física .

Los elementos de lo que se convirtió en física se extrajeron principalmente de los campos de la astronomía , la óptica y la mecánica , que se unieron metodológicamente a través del estudio de la geometría . Estas disciplinas matemáticas comenzaron en la antigüedad con los babilonios y con escritores helenísticos como Arquímedes y Ptolomeo . La filosofía antigua , por su parte, incluía lo que se llamó " Física ".

El avance hacia una comprensión racional de la naturaleza comenzó al menos desde el período Arcaico en Grecia (650-480 a. C. ) con los filósofos presocráticos . El filósofo Tales de Mileto (siglos VII y VI a. C.), apodado "el Padre de la Ciencia" por negarse a aceptar diversas explicaciones sobrenaturales, religiosas o mitológicas para los fenómenos naturales , proclamó que cada evento tenía una causa natural. ^[1] Tales también hizo avances en 580 a. C. al sugerir que el agua es el elemento básico , experimentar con la atracción entre imanes y ámbar frotado y formular las primeras cosmologías registradas . Anaximandro , desarrollador de una teoría protoevolutiva , cuestionó las ideas de Tales y propuso que, en lugar del agua, una sustancia llamada apeiron era el componente básico de toda la materia. Alrededor de 500 a. C., Heráclito propuso que la única ley básica que gobernaba el Universo era el principio de cambio y que nada permanece en el mismo estado indefinidamente. Junto con su contemporáneo Parménides estuvo entre los primeros estudiosos de la física antigua en reflexionar sobre el papel del tiempo en el universo, un concepto clave que sigue siendo un problema en la física moderna .

Durante el período clásico en Grecia (siglos VI, V y IV a. C.) y en la época helenística , la filosofía natural se convirtió lentamente en un campo de estudio apasionante y polémico. Aristóteles ( griego : Ἀριστοτέλης , Aristotélēs ) (384-322 a. C.), un estudiante de Platón , promovió el concepto de que la observación de los fenómenos físicos podría conducir en última instancia al descubrimiento de las leyes naturales que los gobiernan. ^{[ cita requerida ]} Los escritos de Aristóteles cubren física, metafísica , poesía , teatro , música , lógica , retórica , lingüística , política , gobierno , ética , biología y zoología . Escribió la primera obra que se refiere a esa línea de estudio como "Física": en el siglo IV a. C., Aristóteles fundó el sistema conocido como física aristotélica . Intentó explicar ideas como el movimiento (y la gravedad ) con la teoría de los cuatro elementos . Aristóteles creía que toda la materia estaba formada por éter, o alguna combinación de cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Según Aristóteles, estos cuatro elementos terrestres son capaces de intertransformarse y moverse hacia su lugar natural, por lo que una piedra cae hacia abajo, hacia el centro del cosmos, pero las llamas se elevan hacia arriba, hacia la circunferencia . Con el tiempo, la física aristotélica se hizo enormemente popular durante muchos siglos en Europa, informando los desarrollos científicos y escolásticos de la Edad Media . Siguió siendo el paradigma científico dominante en Europa hasta la época de Galileo Galilei e Isaac Newton .

En la Grecia clásica, el conocimiento de que la Tierra es esférica ("redonda") era común. Alrededor del 240 a. C., como resultado de un experimento seminal , Eratóstenes (276-194 a. C.) estimó con precisión su circunferencia. En contraste con las opiniones geocéntricas de Aristóteles, Aristarco de Samos ( griego : Ἀρίσταρχος ; c.  310  - c.  230 a. C. ) presentó un argumento explícito a favor de un modelo heliocéntrico del Sistema Solar , es decir, para colocar al Sol , no a la Tierra , en su centro. Seleuco de Seleucia , un seguidor de la teoría heliocéntrica de Aristarco, afirmó que la Tierra giraba sobre su propio eje , que, a su vez, giraba alrededor del Sol. Aunque los argumentos que utilizó se perdieron, Plutarco afirmó que Seleuco fue el primero en demostrar el sistema heliocéntrico a través del razonamiento.

En el siglo III a. C., el matemático griego Arquímedes de Siracusa ( griego : Ἀρχιμήδης ) (287-212 a. C.), generalmente considerado el mayor matemático de la antigüedad y uno de los más grandes de todos los tiempos, sentó las bases de la hidrostática , la estática y calculó las matemáticas subyacentes de la palanca . Arquímedes, un destacado científico de la antigüedad clásica, también desarrolló elaborados sistemas de poleas para mover objetos grandes con un mínimo de esfuerzo. El tornillo de Arquímedes sustenta la hidroingeniería moderna, y sus máquinas de guerra ayudaron a contener a los ejércitos de Roma en la Primera Guerra Púnica . Arquímedes incluso destrozó los argumentos de Aristóteles y su metafísica, señalando que era imposible separar las matemáticas de la naturaleza y lo demostró convirtiendo las teorías matemáticas en inventos prácticos. Además, en su obra Sobre los cuerpos flotantes , alrededor del 250 a. C., Arquímedes desarrolló la ley de flotabilidad , también conocida como principio de Arquímedes . En matemáticas, Arquímedes utilizó el método de extenuación para calcular el área bajo el arco de una parábola con la suma de una serie infinita, y dio una aproximación notablemente precisa de pi . También definió la espiral que lleva su nombre , fórmulas para los volúmenes de superficies de revolución y un ingenioso sistema para expresar números muy grandes. También desarrolló los principios de los estados de equilibrio y los centros de gravedad , ideas que influirían en futuros estudiosos como Galileo y Newton.

Hiparco (190-120 a. C.), centrado en la astronomía y las matemáticas, utilizó sofisticadas técnicas geométricas para cartografiar el movimiento de las estrellas y los planetas , e incluso predijo los momentos en que se producirían los eclipses solares . Añadió cálculos de la distancia del Sol y la Luna a la Tierra, basándose en sus mejoras en los instrumentos de observación utilizados en ese momento. Otro de los primeros físicos fue Ptolomeo (90-168 d. C.), una de las mentes más destacadas durante la época del Imperio romano . Ptolomeo fue el autor de varios tratados científicos, al menos tres de los cuales fueron de importancia continua para la ciencia islámica y europea posterior. El primero es el tratado astronómico ahora conocido como Almagesto (en griego, Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, "El Gran Tratado", originalmente Μαθηματικὴ Σύνταξις, "Tratado de Matemáticas"). El segundo es la Geografía , que es una discusión exhaustiva del conocimiento geográfico del mundo grecorromano .

Gran parte del conocimiento acumulado del mundo antiguo se perdió. Incluso de las obras de muchos pensadores respetables sobrevivieron pocos fragmentos. Aunque escribió al menos catorce libros, casi nada de la obra directa de Hiparco sobrevivió. De las 150 obras aristotélicas presuntamente existentes , sólo existen 30, y algunas de ellas son "poco más que notas de clase". ^{[ ¿Según quién? ]}

También existieron importantes tradiciones físicas y matemáticas en las antiguas ciencias chinas e indias .

En la filosofía india , Maharishi Kanada fue el primero en desarrollar sistemáticamente una teoría del atomismo alrededor del año 200 a. C. ^[3] aunque algunos autores le han asignado una era anterior en el siglo VI a. C. ^{[4] [5]} Fue elaborado aún más por los atomistas budistas Dharmakirti y Dignāga durante el primer milenio d. C. ^[6] Pakudha Kaccayana , un filósofo indio del siglo VI a. C. y contemporáneo de Gautama Buda , también había propuesto ideas sobre la constitución atómica del mundo material. Estos filósofos creían que otros elementos (excepto el éter) eran físicamente palpables y, por lo tanto, comprendían partículas minúsculas de materia. La última partícula minúscula de materia que no podía subdividirse más se denominaba Parmanu . Estos filósofos consideraban que el átomo era indestructible y, por lo tanto, eterno. Los budistas pensaban que los átomos eran objetos diminutos que no se pueden ver a simple vista y que surgen y desaparecen en un instante. La escuela de filósofos vaisheshika creía que un átomo era un mero punto en el espacio . También fue la primera en describir las relaciones entre el movimiento y la fuerza aplicada. Las teorías indias sobre el átomo son en gran medida abstractas y están enredadas en la filosofía, ya que se basaban en la lógica y no en la experiencia personal o la experimentación. En astronomía india , Aryabhatiya de Aryabhata (499 d. C.) propuso la rotación de la Tierra , mientras que Nilakantha Somayaji (1444-1544) de la escuela de astronomía y matemáticas de Kerala propuso un modelo semiheliocéntrico parecido al sistema ticónico .

El estudio del magnetismo en la antigua China se remonta al siglo IV a. C. (en el Libro del Maestro del Valle del Diablo ), ^[7] Un importante contribuyente a este campo fue Shen Kuo (1031-1095), un erudito y estadista que fue el primero en describir la brújula de aguja magnética utilizada para la navegación, así como en establecer el concepto del norte verdadero . En óptica, Shen Kuo desarrolló de forma independiente una cámara oscura . ^[8]

Entre los siglos VII y XV, se produjeron avances científicos en el mundo musulmán. Muchas obras clásicas en lengua india , asiria , sasánida (persa) y griega , incluidas las obras de Aristóteles, fueron traducidas al árabe . ^[9] Ibn al-Haytham (965-1040), un científico árabe ^[10] o persa ^[11] , considerado el fundador de la óptica moderna, realizó importantes contribuciones. Ptolomeo y Aristóteles teorizaron que la luz brillaba desde el ojo para iluminar objetos o que las "formas" emanaban de los propios objetos, mientras que al-Haytham (conocido por el nombre latino "Alhazen") sugirió que la luz viaja hasta el ojo en rayos desde diferentes puntos de un objeto. Las obras de Ibn al-Haytham y al-Biruni (973-1050), un científico persa, finalmente pasaron a Europa occidental, donde fueron estudiadas por eruditos como Roger Bacon y Vitello . ^[12]

Ibn al-Haytham utilizó experimentos controlados en su trabajo sobre óptica, aunque en qué medida difería de Ptolomeo es un tema de debate. ^{[13] [14]} Mecánicos árabes como Bīrūnī y Al-Khazini desarrollaron una sofisticada "ciencia del peso", realizando mediciones de pesos y volúmenes específicos ^{. [15]}

Ibn Sīnā (980–1037), conocido como "Avicena", fue un erudito de Bujará (actual Uzbekistán ) responsable de importantes contribuciones a la física, la óptica, la filosofía y la medicina . Publicó su teoría del movimiento en el Libro de la curación (1020), donde argumentó que el impulso es impartido a un proyectil por el lanzador. Lo consideraba persistente, requiriendo fuerzas externas como la resistencia del aire para disiparlo. ^{[16] [17] [18]} Ibn Sina hizo una distinción entre "fuerza" e "inclinación" (llamada "mayl"), y argumentó que un objeto ganaba mayl cuando el objeto está en oposición a su movimiento natural. Concluyó que la continuación del movimiento se atribuye a la inclinación que se transfiere al objeto, y que el objeto estará en movimiento hasta que se agote el mayl. Esta concepción del movimiento es coherente con la primera ley de movimiento de Newton , la inercia , que establece que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza externa. ^[16] Esta idea, que discrepaba de la visión aristotélica, fue descrita más tarde como " impulso " por John Buridan , quien probablemente estuvo influenciado por el Libro de la curación de Ibn Sina . ^[19]

Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi ( c.  1080  – c.  1165 ) adoptó y modificó la teoría de Ibn Sina sobre el movimiento de proyectiles . En su Kitab al-Mu'tabar , Abu'l-Barakat afirmó que el motor imparte una inclinación violenta ( mayl qasri ) sobre el objeto movido y que esta disminuye a medida que el objeto en movimiento se distancia del motor. ^[20] También propuso una explicación de la aceleración de los cuerpos que caen por la acumulación de incrementos sucesivos de potencia con incrementos sucesivos de velocidad . ^[21] Según Shlomo Pines , la teoría del movimiento de al-Baghdaadi era "la negación más antigua de la ley dinámica fundamental de Aristóteles [a saber, que una fuerza constante produce un movimiento uniforme], [y es por lo tanto una] anticipación de manera vaga de la ley fundamental de la mecánica clásica [a saber, que una fuerza aplicada continuamente produce aceleración]". ^[22] Jean Buridan y Alberto de Sajonia se refirieron posteriormente a Abu'l-Barakat al explicar que la aceleración de un cuerpo que cae es el resultado de su impulso creciente. ^[20]

Ibn Bajjah ( c.  1085  - 1138), conocido como "Avempace" en Europa, propuso que por cada fuerza siempre hay una fuerza de reacción . Ibn Bajjah fue un crítico de Ptolomeo y trabajó en la creación de una nueva teoría de la velocidad para reemplazar la teorizada por Aristóteles. Dos filósofos futuros apoyaron las teorías creadas por Avempace, conocidas como dinámica avempaciana. Estos filósofos fueron Tomás de Aquino , un sacerdote católico, y Juan Duns Escoto . ^[23] Galileo adoptó la fórmula de Avempace "de que la velocidad de un objeto dado es la diferencia de la fuerza motriz de ese objeto y la resistencia del medio de movimiento". ^[23]

Nasir al-Din al-Tusi (1201-1274), un astrónomo y matemático persa que murió en Bagdad, presentó al matrimonio Tusi . Posteriormente, Copérnico se basó en gran medida en el trabajo de al-Din al-Tusi y sus estudiantes, pero sin reconocerlo. ^[24]

El conocimiento de las obras antiguas volvió a entrar en Occidente a través de las traducciones del árabe al latín . Su reintroducción, combinada con los comentarios teológicos judeo-islámicos , tuvo una gran influencia en los filósofos medievales como Tomás de Aquino . Los eruditos escolásticos europeos , que intentaron reconciliar la filosofía de los filósofos clásicos antiguos con la teología cristiana , proclamaron a Aristóteles como el mayor pensador del mundo antiguo. En los casos en que no contradecían directamente la Biblia, la física aristotélica se convirtió en la base de las explicaciones físicas de las iglesias europeas. La cuantificación se convirtió en un elemento central de la física medieval. ^[25]

Basada en la física aristotélica, la física escolástica describía las cosas como moviéndose de acuerdo con su naturaleza esencial. Los objetos celestes se describían como moviéndose en círculos, porque el movimiento circular perfecto se consideraba una propiedad innata de los objetos que existían en el reino incorrupto de las esferas celestes . La teoría del ímpetu , antecesora de los conceptos de inercia y momento , fue desarrollada en líneas similares por filósofos medievales como John Philoponus y Jean Buridan . Los movimientos por debajo de la esfera lunar se consideraban imperfectos y, por lo tanto, no se podía esperar que exhibieran un movimiento consistente. El movimiento más idealizado en el reino "sublunar" solo podía lograrse mediante artificios y, antes del siglo XVII, muchos no consideraban que los experimentos artificiales fueran un medio válido para aprender sobre el mundo natural. Las explicaciones físicas en el reino sublunar giraban en torno a las tendencias. Las piedras contenían el elemento tierra, y los objetos terrestres tendían a moverse en línea recta hacia el centro de la tierra (y del universo en la visión geocéntrica aristotélica) a menos que se les impidiera hacerlo. ^[26]

Durante los siglos XVI y XVII, se produjo en Europa un gran avance del progreso científico conocido como la Revolución científica . El descontento con los enfoques filosóficos más antiguos había comenzado antes y había producido otros cambios en la sociedad, como la Reforma protestante , pero la revolución en la ciencia comenzó cuando los filósofos naturales comenzaron a montar un ataque sostenido al programa filosófico escolástico y supusieron que los esquemas descriptivos matemáticos adoptados de campos como la mecánica y la astronomía podían realmente producir caracterizaciones universalmente válidas del movimiento y otros conceptos.

El astrónomo polaco Nicolás Copérnico (1473-1543) realizó un gran avance en la astronomía cuando, en 1543, presentó sólidos argumentos a favor del modelo heliocéntrico del sistema solar, aparentemente como un medio para hacer más precisas las tablas que trazaban el movimiento planetario y simplificar su producción. En los modelos heliocéntricos del sistema solar, la Tierra orbita alrededor del Sol junto con otros cuerpos en la galaxia terrestre , una contradicción según el astrónomo greco-egipcio Ptolomeo (siglo II d. C.; ver arriba), cuyo sistema colocaba a la Tierra en el centro del universo y había sido aceptado durante más de 1400 años. El astrónomo griego Aristarco de Samos ( c.  310  - c.  230 a. C. ) había sugerido que la Tierra gira alrededor del Sol, pero el razonamiento de Copérnico condujo a una aceptación general duradera de esta idea "revolucionaria". El libro de Copérnico que presenta la teoría ( De revolutionibus orbium coelestium , "Sobre las revoluciones de las esferas celestes") se publicó justo antes de su muerte en 1543 y, como ahora se considera generalmente que marca el comienzo de la astronomía moderna, también se considera que marca el comienzo de la Revolución científica. ^{[ cita requerida ]} La nueva perspectiva de Copérnico, junto con las observaciones precisas realizadas por Tycho Brahe , permitieron al astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630) formular sus leyes sobre el movimiento planetario que siguen utilizándose en la actualidad.

El matemático, astrónomo y físico italiano Galileo Galilei (1564-1642) fue un partidario del copernicanismo que realizó numerosos descubrimientos astronómicos, llevó a cabo experimentos empíricos y mejoró el telescopio. Como matemático, el papel de Galileo en la cultura universitaria de su época estaba subordinado a los tres principales temas de estudio: derecho , medicina y teología (que estaba estrechamente relacionada con la filosofía). Galileo, sin embargo, sentía que el contenido descriptivo de las disciplinas técnicas justificaba el interés filosófico, en particular porque el análisis matemático de las observaciones astronómicas (en particular, el análisis de Copérnico de los movimientos relativos del Sol, la Tierra, la Luna y los planetas) indicaba que las afirmaciones de los filósofos sobre la naturaleza del universo podían demostrarse erróneas. Galileo también realizó experimentos mecánicos, insistiendo en que el movimiento en sí mismo (independientemente de si se producía "naturalmente" o "artificialmente" (es decir, deliberadamente)) tenía características universalmente consistentes que podían describirse matemáticamente.

Los primeros estudios de Galileo en la Universidad de Pisa fueron de medicina, pero pronto se sintió atraído por las matemáticas y la física. A los 19 años descubrió (y, posteriormente, verificó ) la naturaleza isócrona del péndulo cuando, utilizando su pulso, cronometró las oscilaciones de una lámpara oscilante en la catedral de Pisa y descubrió que permanecía igual para cada oscilación independientemente de la amplitud de la misma . Pronto se hizo conocido por su invención de una balanza hidrostática y por su tratado sobre el centro de gravedad de los cuerpos sólidos. Mientras enseñaba en la Universidad de Pisa (1589-92), inició sus experimentos sobre las leyes de los cuerpos en movimiento que produjeron resultados tan contradictorios con las enseñanzas aceptadas de Aristóteles que despertaron un fuerte antagonismo. Descubrió que los cuerpos no caen con velocidades proporcionales a sus pesos. La historia en la que se dice que Galileo dejó caer pesas desde la Torre Inclinada de Pisa es apócrifa, pero sí descubrió que la trayectoria de un proyectil es una parábola y se le atribuyen conclusiones que anticiparon las leyes de movimiento de Newton (por ejemplo, la noción de inercia). Entre ellas se encuentra lo que ahora se llama relatividad galileana , la primera afirmación formulada con precisión sobre las propiedades del espacio y el tiempo fuera de la geometría tridimensional . ^{[ cita requerida ]}

Galileo ha sido llamado el «padre de la astronomía observacional moderna », ^[27] el «padre de la física moderna», el «padre de la ciencia», ^[28] y «el padre de la ciencia moderna ». ^[29] Según Stephen Hawking , «Galileo, quizás más que cualquier otra persona, fue responsable del nacimiento de la ciencia moderna». ^[30] Como la ortodoxia religiosa decretó una comprensión geocéntrica o ticónica del sistema solar, el apoyo de Galileo al heliocentrismo provocó controversia y fue juzgado por la Inquisición . Encontrado «vehementemente sospechoso de herejía», se vio obligado a retractarse y pasó el resto de su vida bajo arresto domiciliario.

Las contribuciones que Galileo hizo a la astronomía observacional incluyen la confirmación telescópica de las fases de Venus ; su descubrimiento, en 1609, de las cuatro lunas más grandes de Júpiter (posteriormente dadas el nombre colectivo de " lunas galileanas "); y la observación y análisis de las manchas solares . Galileo también se dedicó a la ciencia y la tecnología aplicadas, inventando, entre otros instrumentos, una brújula militar . Su descubrimiento de las lunas jovianas se publicó en 1610 y le permitió obtener el puesto de matemático y filósofo en la corte de los Médici . Como tal, se esperaba que participara en debates con filósofos de la tradición aristotélica y recibió una gran audiencia por sus propias publicaciones, como los Discursos y demostraciones matemáticas sobre dos nuevas ciencias (publicado en el extranjero después de su arresto por la publicación de Diálogo sobre los dos principales sistemas del mundo ) y El ensayador . ^{[31] [32]} El interés de Galileo por experimentar y formular descripciones matemáticas del movimiento estableció la experimentación como parte integral de la filosofía natural. Esta tradición, combinada con el énfasis no matemático en la recopilación de "historias experimentales" de reformistas filosóficos como William Gilbert y Francis Bacon , atrajo a un número significativo de seguidores en los años previos y posteriores a la muerte de Galileo, entre ellos Evangelista Torricelli y los participantes de la Accademia del Cimento en Italia; Marin Mersenne y Blaise Pascal en Francia; Christiaan Huygens en los Países Bajos; y Robert Hooke y Robert Boyle en Inglaterra.

El filósofo francés René Descartes (1596-1650) tenía una buena relación con las redes de filosofía experimental de la época y ejercía una gran influencia en ellas. Sin embargo, Descartes tenía una agenda más ambiciosa, que apuntaba a reemplazar por completo la tradición filosófica escolástica. Al cuestionar la realidad interpretada a través de los sentidos, Descartes intentó restablecer los esquemas filosóficos explicativos reduciendo todos los fenómenos percibidos a atribuibles al movimiento de un mar invisible de "corpúsculos" (en particular, excluyó el pensamiento humano y a Dios de su esquema, al sostener que estos estaban separados del universo físico). Al proponer este marco filosófico, Descartes supuso que los diferentes tipos de movimiento, como el de los planetas frente al de los objetos terrestres, no eran fundamentalmente diferentes, sino simplemente manifestaciones diferentes de una cadena interminable de movimientos corpusculares que obedecían a principios universales. Particularmente influyentes fueron sus explicaciones de los movimientos astronómicos circulares en términos del movimiento de vórtice de los corpúsculos en el espacio (Descartes argumentó, de acuerdo con las creencias, si no los métodos, de los escolásticos, que el vacío no podía existir), y su explicación de la gravedad en términos de corpúsculos que empujan los objetos hacia abajo. ^{[33] [34] [35]}

Descartes, al igual que Galileo, estaba convencido de la importancia de la explicación matemática, y él y sus seguidores fueron figuras clave en el desarrollo de las matemáticas y la geometría en el siglo XVII. Las descripciones matemáticas cartesianas del movimiento sostenían que todas las formulaciones matemáticas tenían que ser justificables en términos de acción física directa, una posición sostenida por Huygens y el filósofo alemán Gottfried Leibniz , quien, aunque seguía la tradición cartesiana, desarrolló su propia alternativa filosófica a la escolástica, que esbozó en su obra de 1714, la Monadología . Descartes ha sido apodado el "padre de la filosofía moderna", y gran parte de la filosofía occidental posterior es una respuesta a sus escritos, que se estudian de cerca hasta el día de hoy. En particular, sus Meditaciones sobre la filosofía primera siguen siendo un texto estándar en la mayoría de los departamentos de filosofía de las universidades. La influencia de Descartes en las matemáticas es igualmente evidente; el sistema de coordenadas cartesiano  , que permite expresar ecuaciones algebraicas como formas geométricas en un sistema de coordenadas bidimensionales, recibió su nombre en su honor. Se le atribuye el mérito de ser el padre de la geometría analítica , el puente entre el álgebra y la geometría , importante para el descubrimiento del cálculo y el análisis .

El físico, matemático, astrónomo e inventor holandés Christiaan Huygens (1629–1695) fue el científico más destacado de Europa entre Galileo y Newton. Huygens provenía de una familia de la nobleza que tenía una posición importante en la sociedad holandesa del siglo XVII; una época en la que la República Holandesa floreció económica y culturalmente. Este período -aproximadamente entre 1588 y 1702- de la historia de los Países Bajos también se conoce como la Edad de Oro holandesa , una era durante la Revolución científica en la que la ciencia holandesa estaba entre las más aclamadas de Europa. En esta época, intelectuales y científicos como René Descartes, Baruch Spinoza , Pierre Bayle , Antonie van Leeuwenhoek , John Locke y Hugo Grotius residieron en los Países Bajos. Fue en este entorno intelectual donde creció Christiaan Huygens. El padre de Christiaan, Constantijn Huygens , fue, además de un importante poeta, secretario y diplomático de los príncipes de Orange. Conoció a muchos científicos de su época por sus contactos e intereses intelectuales, entre ellos René Descartes y Marin Mersenne , y fue por estos contactos por los que Christiaan Huygens tuvo conocimiento de sus trabajos. Especialmente de Descartes, cuya filosofía mecanicista iba a tener una enorme influencia en el propio trabajo de Huygens. Descartes quedó posteriormente impresionado por las habilidades que Christiaan Huygens demostró en geometría, al igual que Mersenne, que lo bautizó como «el nuevo Arquímedes» (lo que llevó a Constantijn a referirse a su hijo como «mi pequeño Arquímedes»).

Huygens, un niño prodigio, comenzó su correspondencia con Marin Mersenne cuando tenía 17 años. Huygens se interesó por los juegos de azar cuando conoció la obra de Fermat , Blaise Pascal y Girard Desargues . Fue Blaise Pascal quien lo animó a escribir Van Rekeningh in Spelen van Gluck , que Frans van Schooten tradujo y publicó como De Ratiociniis in Ludo Aleae en 1657. El libro es el primer tratamiento científico conocido del tema y, en su momento, la presentación más coherente de un enfoque matemático de los juegos de azar. Dos años más tarde, Huygens derivó geométricamente las fórmulas ahora estándar en mecánica clásica para la fuerza centrípeta y centrífuga en su obra De vi Centrifuga (1659). Casi al mismo tiempo, la investigación de Huygens en horología resultó en la invención del reloj de péndulo ; un gran avance en el cronometraje y el cronómetro más preciso durante casi 300 años. La investigación teórica del funcionamiento del péndulo condujo finalmente a la publicación de uno de sus logros más importantes: el Horologium Oscillatorium . Esta obra se publicó en 1673 y se convirtió en una de las tres obras más importantes del siglo XVII sobre mecánica (las otras dos son Discursos y demostraciones matemáticas relativas a dos nuevas ciencias de Galileo (1638) y Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica de Newton (1687) ^[36] ). El Horologium Oscillatorium es el primer tratado moderno en el que un problema físico (el movimiento acelerado de un cuerpo que cae) se idealiza mediante un conjunto de parámetros que luego se analizan matemáticamente y constituye una de las obras seminales de las matemáticas aplicadas . ^{[37] [38]} Es por esta razón que Huygens ha sido llamado el primer físico teórico y uno de los fundadores de la física matemática moderna . ^{[39] [40]} El Horologium Oscillatorium de Huygens tuvo una enorme influencia en la historia de la física, especialmente en el trabajo de Isaac Newton, quien admiraba profundamente esta obra. Por ejemplo, las leyes que Huygens describió en el Horologium Oscillatorium son estructuralmente las mismas que las dos primeras leyes del movimiento de Newton . ^[41]

Cinco años después de la publicación de su Horologium Oscillatorium , Huygens describió su teoría ondulatoria de la luz . Aunque fue propuesta en 1678, no fue publicada hasta 1690 en su Traité de la Lumière . Su teoría matemática de la luz fue inicialmente rechazada en favor de la teoría corpuscular de la luz de Newton, hasta que Augustin-Jean Fresnel adoptó el principio de Huygens para dar una explicación completa de la propagación rectilínea y los efectos de difracción de la luz en 1821. Hoy en día este principio se conoce como el principio de Huygens-Fresnel . Como astrónomo, Huygens comenzó a pulir lentes con su hermano Constantijn jr. para construir telescopios para la investigación astronómica. Fue el primero en identificar los anillos de Saturno como "un anillo delgado y plano, que no se toca en ninguna parte e inclinado hacia la eclíptica", y descubrió la primera de las lunas de Saturno, Titán , utilizando un telescopio refractor .

Además de los muchos e importantes descubrimientos que Huygens hizo en física y astronomía y de sus inventos de ingeniosos aparatos, también fue el primero que aportó rigor matemático a la descripción de los fenómenos físicos. Por ello y por haber desarrollado marcos institucionales para la investigación científica en el continente, se le ha calificado como "el actor principal en 'la creación de la ciencia en Europa ' " ^[42].

A finales del siglo XVII y principios del XVIII se produjeron los logros del físico y matemático de la Universidad de Cambridge Sir Isaac Newton (1642-1727). Newton, miembro de la Royal Society de Inglaterra , combinó sus propios descubrimientos en mecánica y astronomía con otros anteriores para crear un sistema único para describir el funcionamiento del universo. Newton formuló tres leyes del movimiento que formulaban la relación entre el movimiento y los objetos y también la ley de la gravitación universal , la última de las cuales podía utilizarse para explicar el comportamiento no solo de los cuerpos que caen sobre la Tierra, sino también de los planetas y otros cuerpos celestes. Para llegar a sus resultados, Newton inventó una forma de una rama completamente nueva de las matemáticas: el cálculo (también inventado independientemente por Gottfried Leibniz ), que se convertiría en una herramienta esencial en gran parte del desarrollo posterior de la mayoría de las ramas de la física. Los descubrimientos de Newton fueron expuestos en su Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("Principios matemáticos de la filosofía natural"), cuya publicación en 1687 marcó el comienzo del período moderno de la mecánica y la astronomía.

Newton fue capaz de refutar la tradición mecánica cartesiana de que todos los movimientos debían explicarse con respecto a la fuerza inmediata ejercida por los corpúsculos. Utilizando sus tres leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal, Newton eliminó la idea de que los objetos seguían trayectorias determinadas por formas naturales y, en su lugar, demostró que no solo las trayectorias observadas regularmente, sino todos los movimientos futuros de cualquier cuerpo podían deducirse matemáticamente basándose en el conocimiento de su movimiento existente, su masa y las fuerzas que actuaban sobre ellos. Sin embargo, los movimientos celestes observados no se ajustaban exactamente a un tratamiento newtoniano, y Newton, que también estaba profundamente interesado en la teología , imaginó que Dios intervino para asegurar la estabilidad continua del sistema solar.

Los principios de Newton (pero no sus tratamientos matemáticos) resultaron controvertidos para los filósofos continentales, que consideraban filosóficamente inaceptable su falta de explicación metafísica del movimiento y la gravitación. A partir de 1700, aproximadamente, se abrió una amarga grieta entre las tradiciones filosóficas continental y británica, que se vio alimentada por acaloradas, continuas y viciosamente personales disputas entre los seguidores de Newton y Leibniz sobre la prioridad sobre las técnicas analíticas del cálculo, que cada uno había desarrollado de forma independiente. Inicialmente, las tradiciones cartesiana y leibniziana prevalecieron en el continente (lo que llevó al predominio de la notación de cálculo leibniziana en todas partes, excepto en Gran Bretaña). El propio Newton permaneció perturbado en privado por la falta de una comprensión filosófica de la gravitación, al tiempo que insistía en sus escritos en que no era necesaria ninguna para inferir su realidad. A medida que avanzaba el siglo XVIII, los filósofos naturales continentales aceptaron cada vez más la disposición de los newtonianos a renunciar a las explicaciones metafísicas ontológicas para los movimientos descritos matemáticamente. ^{[43] [44] [45]}

Newton construyó el primer telescopio reflector funcional ^[46] y desarrolló una teoría del color, publicada en Opticks , basada en la observación de que un prisma descompone la luz blanca en los muchos colores que forman el espectro visible . Mientras Newton explicaba que la luz estaba compuesta de partículas diminutas, una teoría rival de la luz que explicaba su comportamiento en términos de ondas fue presentada en 1690 por Christiaan Huygens. Sin embargo, la creencia en la filosofía mecanicista junto con la reputación de Newton significó que la teoría ondulatoria vio relativamente poco apoyo hasta el siglo XIX. Newton también formuló una ley empírica de enfriamiento , estudió la velocidad del sonido , investigó las series de potencias , demostró el teorema binomial generalizado y desarrolló un método para aproximar las raíces de una función . Su trabajo sobre series infinitas se inspiró en los decimales de Simon Stevin . ^[47] Lo más importante es que Newton demostró que los movimientos de los objetos en la Tierra y de los cuerpos celestes están gobernados por el mismo conjunto de leyes naturales, que no eran ni caprichosas ni malévolas. Al demostrar la coherencia entre las leyes de Kepler sobre el movimiento planetario y su propia teoría de la gravitación, Newton también eliminó las últimas dudas sobre el heliocentrismo. Al reunir todas las ideas formuladas durante la Revolución científica, Newton estableció de manera efectiva las bases de la sociedad moderna en matemáticas y ciencia.

Otras ramas de la física también recibieron atención durante el período de la Revolución científica. William Gilbert , médico de la corte de la reina Isabel I , publicó una importante obra sobre magnetismo en 1600, describiendo cómo la propia Tierra se comporta como un imán gigante. Robert Boyle (1627-1691) estudió el comportamiento de los gases encerrados en una cámara y formuló la ley de los gases que lleva su nombre ; también contribuyó a la fisiología y a la fundación de la química moderna. Otro factor importante en la revolución científica fue el surgimiento de sociedades científicas y academias en varios países. Las primeras de ellas se establecieron en Italia y Alemania y duraron poco. Más influyentes fueron la Royal Society de Inglaterra (1660) y la Academia de Ciencias de Francia (1666). La primera era una institución privada en Londres e incluía a científicos como John Wallis , William Brouncker , Thomas Sydenham , John Mayow y Christopher Wren (que contribuyó no solo a la arquitectura sino también a la astronomía y la anatomía); Esta última, en París, era una institución gubernamental e incluía como miembro extranjero al holandés Huygens. En el siglo XVIII, se establecieron importantes academias reales en Berlín (1700) y en San Petersburgo (1724). Las sociedades y academias proporcionaron las principales oportunidades para la publicación y discusión de resultados científicos durante y después de la revolución científica. En 1690, James Bernoulli demostró que la cicloide es la solución al problema de la tautocrona; y al año siguiente, en 1691, Johann Bernoulli demostró que una cadena libremente suspendida de dos puntos formará una catenaria , la curva con el centro de gravedad más bajo posible disponible para cualquier cadena colgada entre dos puntos fijos. Luego demostró, en 1696, que la cicloide es la solución al problema de la braquistócrona .

Un precursor del motor fue diseñado por el científico alemán Otto von Guericke , quien, en 1650, diseñó y construyó la primera bomba de vacío del mundo para crear un vacío como se demostró en el experimento de los hemisferios de Magdeburgo . Se vio obligado a crear un vacío para refutar la suposición sostenida durante mucho tiempo por Aristóteles de que "La naturaleza aborrece el vacío" . Poco después, el físico y químico irlandés Boyle se enteró de los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke , construyó una bomba de aire. Usando esta bomba, Boyle y Hooke notaron la correlación presión-volumen para un gas: PV = k , donde P es la presión , V es el volumen y k es una constante: esta relación se conoce como la Ley de Boyle . En ese momento, se suponía que el aire era un sistema de partículas inmóviles y no se interpretaba como un sistema de moléculas en movimiento. El concepto de movimiento térmico llegó dos siglos después. Por ello, la publicación de Boyle en 1660 habla de un concepto mecánico: el resorte de aire. ^[48] Más tarde, tras la invención del termómetro, la propiedad temperatura pudo cuantificarse. Esta herramienta dio a Gay-Lussac la oportunidad de derivar su ley , que condujo poco después a la ley de los gases ideales . Pero, ya antes del establecimiento de la ley de los gases ideales, un colaborador de Boyle llamado Denis Papin construyó en 1679 un digestor de huesos, que es un recipiente cerrado con una tapa hermética que confina el vapor hasta que se genera una alta presión.

Los diseños posteriores implementaron una válvula de liberación de vapor para evitar que la máquina explotara. Al observar cómo la válvula subía y bajaba rítmicamente, Papin concibió la idea de un motor de pistón y cilindro. Sin embargo, no llevó a cabo su diseño. No obstante, en 1697, basándose en los diseños de Papin, el ingeniero Thomas Savery construyó el primer motor. Aunque estos primeros motores eran rudimentarios e ineficientes, atrajeron la atención de los principales científicos de la época. Por lo tanto, antes de 1698 y de la invención del motor Savery , se utilizaban caballos para impulsar poleas, unidas a cubos, que extraían agua de las minas de sal inundadas en Inglaterra. En los años siguientes, se construyeron más variaciones de motores de vapor, como el motor Newcomen y, más tarde, el motor Watt . Con el tiempo, estos primeros motores acabarían utilizándose en lugar de los caballos. Por lo tanto, cada motor comenzó a asociarse con una cierta cantidad de "caballos de fuerza" en función de la cantidad de caballos que había reemplazado. El principal problema de estos primeros motores era que eran lentos y torpes, ya que convertían menos del 2% del combustible utilizado en trabajo útil. En otras palabras, era necesario quemar grandes cantidades de carbón (o madera) para obtener solo una pequeña fracción del trabajo de salida. De ahí la necesidad de una nueva ciencia de la dinámica de los motores .

Durante el siglo XVIII, la mecánica fundada por Newton fue desarrollada por varios científicos a medida que más matemáticos aprendieron cálculo y ampliaron su formulación inicial. La aplicación del análisis matemático a los problemas de movimiento se conoció como mecánica racional o matemática mixta (y más tarde se denominó mecánica clásica ).

En 1714, Brook Taylor derivó la frecuencia fundamental de una cuerda vibrante estirada en términos de su tensión y masa por unidad de longitud mediante la resolución de una ecuación diferencial . El matemático suizo Daniel Bernoulli (1700-1782) realizó importantes estudios matemáticos del comportamiento de los gases, anticipándose a la teoría cinética de los gases desarrollada más de un siglo después, y ha sido considerado el primer físico matemático. ^[49] En 1733, Daniel Bernoulli derivó la frecuencia fundamental y los armónicos de una cadena colgante mediante la resolución de una ecuación diferencial. En 1734, Bernoulli resolvió la ecuación diferencial para las vibraciones de una barra elástica sujeta por un extremo. El tratamiento de Bernoulli de la dinámica de fluidos y su examen del flujo de fluidos se introdujeron en su obra Hydrodynamica de 1738 .

La mecánica racional se ocupó principalmente del desarrollo de tratamientos matemáticos elaborados de los movimientos observados, utilizando los principios newtonianos como base, y enfatizó la mejora de la manejabilidad de los cálculos complejos y el desarrollo de medios legítimos de aproximación analítica. Un libro de texto contemporáneo representativo fue publicado por Johann Baptiste Horvath . A finales de siglo, los tratamientos analíticos eran lo suficientemente rigurosos como para verificar la estabilidad del Sistema Solar únicamente sobre la base de las leyes de Newton sin referencia a la intervención divina, incluso cuando los tratamientos deterministas de sistemas tan simples como el problema de los tres cuerpos en la gravitación seguían siendo intratables. ^[50] En 1705, Edmond Halley predijo la periodicidad del cometa Halley , William Herschel descubrió Urano en 1781 y Henry Cavendish midió la constante gravitacional y determinó la masa de la Tierra en 1798. En 1783, John Michell sugirió que algunos objetos podrían ser tan masivos que ni siquiera la luz podría escapar de ellos.

En 1739, Leonhard Euler resolvió la ecuación diferencial ordinaria para un oscilador armónico forzado y advirtió el fenómeno de resonancia. En 1742, Colin Maclaurin descubrió sus esferoides autogravitantes de rotación uniforme . En 1742, Benjamin Robins publicó sus Nuevos principios en artillería , estableciendo la ciencia de la aerodinámica. El trabajo británico, continuado por matemáticos como Taylor y Maclaurin, quedó rezagado respecto de los desarrollos continentales a medida que avanzaba el siglo. Mientras tanto, el trabajo floreció en las academias científicas del continente, liderado por matemáticos como Bernoulli y Euler, así como Joseph-Louis Lagrange , Pierre-Simon Laplace y Adrien-Marie Legendre . En 1743, Jean le Rond d'Alembert publicó su Traité de dynamique , en el que introdujo el concepto de fuerzas generalizadas para sistemas acelerados y sistemas con restricciones, y aplicó la nueva idea del trabajo virtual para resolver problemas dinámicos, ahora conocido como el principio de D'Alembert , como rival de la segunda ley del movimiento de Newton. En 1747, Pierre Louis Maupertuis aplicó los principios mínimos a la mecánica. En 1759, Euler resolvió la ecuación diferencial parcial para la vibración de un tambor rectangular. En 1764, Euler examinó la ecuación diferencial parcial para la vibración de un tambor circular y encontró una de las soluciones de la función de Bessel. En 1776, John Smeaton publicó un artículo sobre experimentos que relacionaban la potencia, el trabajo , el momento y la energía cinética , y apoyaban la conservación de la energía . En 1788, Lagrange presentó sus ecuaciones de movimiento en Mécanique analytique , en la que toda la mecánica se organizaba en torno al principio del trabajo virtual. En 1789, Antoine Lavoisier estableció la ley de conservación de la masa . La mecánica racional desarrollada en el siglo XVIII recibió exposiciones tanto en Mécanique analytique de Lagrange como en Traité de mécanique céleste de Laplace (1799-1825).

Durante el siglo XVIII, la termodinámica se desarrolló a través de las teorías de los "fluidos imponderables" sin peso , como el calor ("calórico"), la electricidad y el flogisto (que fue rápidamente derrocado como concepto después de la identificación del gas oxígeno por parte de Lavoisier a finales de siglo). Suponiendo que estos conceptos fueran fluidos reales, su flujo podría rastrearse a través de un aparato mecánico o reacciones químicas. Esta tradición de experimentación condujo al desarrollo de nuevos tipos de aparatos experimentales, como la botella de Leyden ; y nuevos tipos de instrumentos de medición, como el calorímetro , y versiones mejoradas de los antiguos, como el termómetro . Los experimentos también produjeron nuevos conceptos, como la noción de calor latente del experimentador de la Universidad de Glasgow Joseph Black y la caracterización del fluido eléctrico del intelectual de Filadelfia Benjamin Franklin como fluyendo entre lugares de exceso y déficit (un concepto reinterpretado más tarde en términos de cargas positivas y negativas ). Franklin también demostró que los rayos son electricidad en 1752.

La teoría del calor aceptada en el siglo XVIII lo consideraba como un tipo de fluido, llamado calórico ; aunque más tarde se demostró que esta teoría era errónea, varios científicos que la siguieron hicieron importantes descubrimientos útiles para el desarrollo de la teoría moderna, entre ellos Joseph Black (1728-1799) y Henry Cavendish (1731-1810). En oposición a esta teoría calórica, que había sido desarrollada principalmente por los químicos, se oponía la teoría menos aceptada que databa de la época de Newton de que el calor se debía a los movimientos de las partículas de una sustancia. Esta teoría mecánica ganó apoyo en 1798 a partir de los experimentos de perforación de cañones del conde Rumford ( Benjamin Thompson ), quien encontró una relación directa entre el calor y la energía mecánica.

Aunque a principios del siglo XVIII se reconoció que encontrar teorías absolutas de la fuerza electrostática y magnética similares a los principios de movimiento de Newton sería un logro importante, no se llegó a ninguna. Esta imposibilidad sólo desapareció lentamente a medida que la práctica experimental se hizo más generalizada y más refinada en los primeros años del siglo XIX en lugares como la recién establecida Royal Institution en Londres. Mientras tanto, los métodos analíticos de la mecánica racional comenzaron a aplicarse a los fenómenos experimentales, de manera más influyente con el tratamiento analítico del flujo de calor del matemático francés Joseph Fourier , publicado en 1822. ^{[51] [52] [53]} Joseph Priestley propuso una ley eléctrica del cuadrado inverso en 1767, y Charles-Augustin de Coulomb introdujo la ley del cuadrado inverso de la electrostática en 1798.

A finales de siglo, los miembros de la Academia Francesa de Ciencias habían alcanzado un claro dominio en el campo. ^{[45] [54] [55] [56]} Al mismo tiempo, la tradición experimental establecida por Galileo y sus seguidores persistió. La Royal Society y la Academia Francesa de Ciencias fueron los principales centros para la realización y presentación de informes de trabajo experimental. Los experimentos en mecánica, óptica, magnetismo , electricidad estática , química y fisiología no se distinguían claramente entre sí durante el siglo XVIII, pero estaban surgiendo diferencias significativas en los esquemas explicativos y, por lo tanto, en el diseño de experimentos. Los experimentadores químicos, por ejemplo, desafiaron los intentos de imponer un esquema de fuerzas newtonianas abstractas sobre las afiliaciones químicas y, en cambio, se centraron en el aislamiento y la clasificación de las sustancias y reacciones químicas. ^[57]

En 1821, William Hamilton comenzó su análisis de la función característica de Hamilton. En 1835, formuló las ecuaciones canónicas de movimiento de Hamilton .

En 1813, Peter Ewart apoyó la idea de la conservación de la energía en su artículo Sobre la medida de la fuerza en movimiento . En 1829, Gaspard Coriolis introdujo los términos trabajo (fuerza por distancia) y energía cinética con los significados que tienen hoy. En 1841, Julius Robert von Mayer , un científico aficionado , escribió un artículo sobre la conservación de la energía, aunque su falta de formación académica provocó su rechazo. En 1847, Hermann von Helmholtz enunció formalmente la ley de conservación de la energía.

En 1800, Alessandro Volta inventó la pila eléctrica (conocida como pila voltaica ) y, de esta manera, mejoró la forma en que también se podían estudiar las corrientes eléctricas. Un año después, Thomas Young demostró la naturaleza ondulatoria de la luz (que recibió un fuerte apoyo experimental del trabajo de Augustin-Jean Fresnel  ) y el principio de interferencia. En 1820, Hans Christian Ørsted descubrió que un conductor que transporta corriente da lugar a una fuerza magnética que lo rodea y, una semana después de que el descubrimiento de Ørsted llegara a Francia, André-Marie Ampère descubrió que dos corrientes eléctricas paralelas ejercerán fuerzas entre sí. En 1821, Michael Faraday construyó un motor alimentado con electricidad, mientras que Georg Ohm enunció su ley de resistencia eléctrica en 1826, expresando la relación entre voltaje, corriente y resistencia en un circuito eléctrico.

En 1831, Faraday (e independientemente Joseph Henry ) descubrió el efecto inverso, la producción de un potencial o corriente eléctrica a través del magnetismo, conocido como inducción electromagnética ; estos dos descubrimientos son la base del motor eléctrico y del generador eléctrico, respectivamente.

En el siglo XIX, la conexión entre el calor y la energía mecánica fue establecida cuantitativamente por Julius Robert von Mayer y James Prescott Joule , quienes midieron el equivalente mecánico del calor en la década de 1840. En 1849, Joule publicó los resultados de su serie de experimentos (incluido el experimento de la rueda de paletas) que muestran que el calor es una forma de energía, un hecho que fue aceptado en la década de 1850. La relación entre el calor y la energía fue importante para el desarrollo de las máquinas de vapor, y en 1824 se publicó el trabajo experimental y teórico de Sadi Carnot . Carnot capturó algunas de las ideas de la termodinámica en su discusión de la eficiencia de una máquina idealizada. El trabajo de Sadi Carnot proporcionó una base para la formulación de la primera ley de la termodinámica  , una reformulación de la ley de conservación de la energía  , que fue establecida alrededor de 1850 por William Thomson , más tarde conocido como Lord Kelvin, y Rudolf Clausius . Lord Kelvin, que había extendido el concepto de cero absoluto de los gases a todas las sustancias en 1848, se basó en la teoría de ingeniería de Lazare Carnot , Sadi Carnot y Émile Clapeyron –así como en la experimentación de James Prescott Joule sobre la intercambiabilidad de las formas mecánicas, químicas, térmicas y eléctricas del trabajo– para formular la primera ley.

Kelvin y Clausius también enunciaron la segunda ley de la termodinámica , que originalmente se formuló en términos del hecho de que el calor no fluye espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente. Otras formulaciones siguieron rápidamente (por ejemplo, la segunda ley fue expuesta en la influyente obra de Thomson y Peter Guthrie Tait , Tratado de filosofía natural ) y Kelvin en particular entendió algunas de las implicaciones generales de la ley. La segunda ley, la idea de que los gases consisten en moléculas en movimiento, había sido discutida con cierto detalle por Daniel Bernoulli en 1738, pero había caído en desgracia, y fue revivida por Clausius en 1857. En 1850, Hippolyte Fizeau y Léon Foucault midieron la velocidad de la luz en el agua y descubrieron que es más lenta que en el aire, en apoyo del modelo ondulatorio de la luz. En 1852, Joule y Thomson demostraron que un gas en rápida expansión se enfría, lo que más tarde se denominó efecto Joule-Thomson o efecto Joule-Kelvin. Hermann von Helmholtz propone la idea de la muerte térmica del universo en 1854, el mismo año en que Clausius estableció la importancia de dQ/T ( teorema de Clausius ) (aunque todavía no nombró la cantidad).

En 1859, James Clerk Maxwell descubrió la ley de distribución de velocidades moleculares . Maxwell demostró que los campos eléctricos y magnéticos se propagan hacia afuera desde su fuente a una velocidad igual a la de la luz y que la luz es uno de varios tipos de radiación electromagnética, que difiere solo en frecuencia y longitud de onda de las demás. En 1859, Maxwell elaboró ​​las matemáticas de la distribución de velocidades de las moléculas de un gas. La teoría ondulatoria de la luz fue ampliamente aceptada en la época del trabajo de Maxwell sobre el campo electromagnético, y después el estudio de la luz y el de la electricidad y el magnetismo estuvieron estrechamente relacionados. En 1864, James Maxwell publicó sus artículos sobre una teoría dinámica del campo electromagnético y afirmó que la luz es un fenómeno electromagnético en la publicación de 1873 del Tratado de Maxwell sobre electricidad y magnetismo . Este trabajo se basó en el trabajo teórico de teóricos alemanes como Carl Friedrich Gauss y Wilhelm Weber . La encapsulación del calor en el movimiento de partículas y la adición de fuerzas electromagnéticas a la dinámica newtoniana establecieron una base teórica enormemente sólida para las observaciones físicas.

La predicción de que la luz representaba una transmisión de energía en forma de onda a través de un " éter luminífero ", y la aparente confirmación de esa predicción con la detección de la radiación electromagnética en 1888 por parte del estudiante de Helmholtz, Heinrich Hertz , fue un gran triunfo para la teoría física y planteó la posibilidad de que pronto se pudieran desarrollar teorías aún más fundamentales basadas en el campo. ^{[58] [59] [60] [61]} La confirmación experimental de la teoría de Maxwell fue proporcionada por Hertz, quien generó y detectó ondas eléctricas en 1886 y verificó sus propiedades, al mismo tiempo que presagiaba su aplicación en radio, televisión y otros dispositivos. En 1887, Heinrich Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico . La investigación sobre las ondas electromagnéticas comenzó poco después, con muchos científicos e inventores realizando experimentos sobre sus propiedades. A mediados y finales de la década de 1890, Guglielmo Marconi desarrolló un sistema de telegrafía inalámbrica basado en ondas de radio ^[62] (ver invención de la radio ).

La teoría atómica de la materia había sido propuesta nuevamente a principios del siglo XIX por el químico John Dalton y se convirtió en una de las hipótesis de la teoría cinético-molecular de los gases desarrollada por Clausius y James Clerk Maxwell para explicar las leyes de la termodinámica.

La teoría cinética condujo a su vez a un enfoque revolucionario de la ciencia, la mecánica estadística de Ludwig Boltzmann (1844-1906) y Josiah Willard Gibbs (1839-1903), que estudia las estadísticas de los microestados de un sistema y utiliza la estadística para determinar el estado de un sistema físico. Interrelacionando la probabilidad estadística de ciertos estados de organización de estas partículas con la energía de esos estados, Clausius reinterpretó la disipación de energía como la tendencia estadística de las configuraciones moleculares a pasar hacia estados cada vez más probables y cada vez más desorganizados (acuñando el término " entropía " para describir la desorganización de un estado). Las interpretaciones estadísticas versus absolutas de la segunda ley de la termodinámica plantearon una disputa que duraría varias décadas (produciendo argumentos como el " demonio de Maxwell "), y que no se consideraría definitivamente resuelta hasta que el comportamiento de los átomos quedó firmemente establecido a principios del siglo XX. ^{[63] [64]} En 1902, James Jeans encontró la escala de longitud necesaria para que las perturbaciones gravitacionales crezcan en un medio estático casi homogéneo.

En 1822, el botánico Robert Brown descubrió el movimiento browniano : los granos de polen en el agua experimentan un movimiento que resulta del bombardeo de átomos o moléculas de rápido movimiento en el líquido.

En 1834, Carl Jacobi descubrió sus elipsoides autogravitantes de rotación uniforme ( elipsoide de Jacobi ).

En 1834, John Russell observó una ola de agua solitaria que no se desintegraba ( solitón ) en el Canal de la Unión, cerca de Edimburgo , y utilizó un tanque de agua para estudiar la dependencia de las velocidades de las olas de agua solitarias con respecto a la amplitud de la ola y la profundidad del agua. En 1835, Gaspard Coriolis examinó teóricamente la eficiencia mecánica de las ruedas hidráulicas y dedujo el efecto Coriolis . En 1842, Christian Doppler propuso el efecto Doppler .

En 1851, Léon Foucault demostró la rotación de la Tierra con un enorme péndulo ( péndulo de Foucault ).

En la primera mitad del siglo se produjeron avances importantes en la mecánica del medio continuo , concretamente la formulación de leyes de elasticidad para sólidos y el descubrimiento de las ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos.

A finales del siglo XIX, la física había evolucionado hasta el punto en que la mecánica clásica podía abordar problemas muy complejos que implicaban situaciones macroscópicas; la termodinámica y la teoría cinética estaban bien establecidas; la óptica geométrica y física podía entenderse en términos de ondas electromagnéticas; y las leyes de conservación de la energía y el momento (y la masa) eran ampliamente aceptadas. Estos y otros avances fueron tan profundos que se aceptó en general que se habían descubierto todas las leyes importantes de la física y que, en adelante, la investigación se ocuparía de resolver problemas menores y, en particular, de mejorar los métodos y las mediciones.

Sin embargo, alrededor de 1900 surgieron serias dudas sobre la completitud de las teorías clásicas —el triunfo de las teorías de Maxwell, por ejemplo, se vio socavado por las insuficiencias que ya habían comenzado a aparecer— y su incapacidad para explicar ciertos fenómenos físicos, como la distribución de energía en la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico , mientras que algunas de las formulaciones teóricas condujeron a paradojas cuando se llevaron al límite. Físicos prominentes como Hendrik Lorentz , Emil Cohn , Ernst Wiechert y Wilhelm Wien creían que alguna modificación de las ecuaciones de Maxwell podría proporcionar la base para todas las leyes físicas. Estas deficiencias de la física clásica nunca se resolverían y se requerían nuevas ideas. A principios del siglo XX una gran revolución sacudió el mundo de la física, que condujo a una nueva era, generalmente conocida como física moderna. ^[65]

En el siglo XIX, los experimentadores comenzaron a detectar formas inesperadas de radiación: Wilhelm Röntgen causó sensación con su descubrimiento de los rayos X en 1895; en 1896 Henri Becquerel descubrió que ciertos tipos de materia emiten radiación por sí mismos. En 1897, JJ Thomson descubrió el electrón , y los nuevos elementos radiactivos encontrados por Marie y Pierre Curie plantearon preguntas sobre el átomo supuestamente indestructible y la naturaleza de la materia. Marie y Pierre acuñaron el término " radiactividad " para describir esta propiedad de la materia, y aislaron los elementos radiactivos radio y polonio . Ernest Rutherford y Frederick Soddy identificaron dos de las formas de radiación de Becquerel con electrones y el elemento helio . Rutherford identificó y nombró dos tipos de radiactividad y en 1911 interpretó la evidencia experimental como mostrando que el átomo consiste en un núcleo denso, cargado positivamente, rodeado de electrones cargados negativamente. La teoría clásica, sin embargo, predijo que esta estructura debería ser inestable. La teoría clásica tampoco había logrado explicar con éxito otros dos resultados experimentales que aparecieron a finales del siglo XIX. Uno de ellos fue la demostración de Albert A. Michelson y Edward W. Morley  , conocida como el experimento de Michelson-Morley  , que mostraba que no parecía haber un marco de referencia preferido , en reposo con respecto al hipotético éter luminífero , para describir los fenómenos electromagnéticos. Los estudios de la radiación y la desintegración radiactiva siguieron siendo un foco preeminente de la investigación física y química hasta la década de 1930, cuando el descubrimiento de la fisión nuclear por Lise Meitner y Otto Frisch abrió el camino a la explotación práctica de lo que llegó a llamarse energía "atómica" .

En 1905, un físico alemán de 26 años llamado Albert Einstein (en ese entonces empleado de patentes en Berna , Suiza) demostró cómo las mediciones de tiempo y espacio se ven afectadas por el movimiento entre un observador y lo que se observa. La radical teoría de la relatividad de Einstein revolucionó la ciencia. Aunque Einstein hizo muchas otras contribuciones importantes a la ciencia, la teoría de la relatividad por sí sola representa uno de los mayores logros intelectuales de todos los tiempos. Aunque el concepto de relatividad no fue introducido por Einstein, reconoció que la velocidad de la luz en el vacío es constante, es decir, la misma para todos los observadores, y un límite superior absoluto para la velocidad. Esto no afecta la vida cotidiana de una persona, ya que la mayoría de los objetos viajan a velocidades mucho más lentas que la velocidad de la luz. Sin embargo, para los objetos que viajan cerca de la velocidad de la luz, la teoría de la relatividad muestra que los relojes asociados con esos objetos funcionarán más lentamente y que los objetos se acortarán en longitud de acuerdo con las mediciones de un observador en la Tierra. Einstein también derivó la ecuación, E = mc ² , que expresa la equivalencia de masa y energía .

Einstein sostuvo que la velocidad de la luz era una constante en todos los sistemas de referencia inerciales y que las leyes electromagnéticas debían seguir siendo válidas independientemente del sistema de referencia, afirmaciones que hacían que el éter fuera "superfluo" para la teoría física y que sostenían que las observaciones de tiempo y longitud variaban en relación con el movimiento del observador con respecto al objeto que se estaba midiendo (lo que llegó a llamarse la " ^teoría especial de la relatividad "). También se deducía que la masa y la energía eran cantidades intercambiables según la ecuación E = mc2 . En otro artículo publicado el mismo año, Einstein afirmó que la radiación electromagnética se transmitía en cantidades discretas (" cuantos "), según una constante que el físico teórico Max Planck había postulado en 1900 para llegar a una teoría precisa para la distribución de la radiación del cuerpo negro  , una suposición que explicaba las extrañas propiedades del efecto fotoeléctrico.

La teoría especial de la relatividad es una formulación de la relación entre las observaciones físicas y los conceptos de espacio y tiempo. La teoría surgió de las contradicciones entre el electromagnetismo y la mecánica newtoniana y tuvo un gran impacto en ambas áreas. La cuestión histórica original era si tenía sentido discutir el "éter" portador de ondas electromagnéticas y el movimiento relativo a él y también si uno podría detectar dicho movimiento, como se intentó sin éxito en el experimento de Michelson-Morley. Einstein demolió estas preguntas y el concepto de éter en su teoría especial de la relatividad. Sin embargo, su formulación básica no implica una teoría electromagnética detallada. Surge de la pregunta: "¿Qué es el tiempo?" Newton, en los Principia (1686), había dado una respuesta inequívoca: "El tiempo absoluto, verdadero y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye uniformemente sin relación con nada externo, y con otro nombre se llama duración". Esta definición es básica para toda la física clásica.

Einstein tuvo la genialidad de cuestionarla y descubrió que era incompleta. En cambio, cada "observador" utiliza necesariamente su propia escala de tiempo y, para dos observadores en movimiento relativo, sus escalas de tiempo serán diferentes. Esto induce un efecto relacionado en las mediciones de posición. El espacio y el tiempo se convierten en conceptos entrelazados, fundamentalmente dependientes del observador. Cada observador preside su propio marco de espacio-tiempo o sistema de coordenadas. Al no haber un marco de referencia absoluto, todos los observadores de eventos dados realizan mediciones diferentes pero igualmente válidas (y conciliables). Lo que sigue siendo absoluto se establece en el postulado de la relatividad de Einstein: "Las leyes básicas de la física son idénticas para dos observadores que tienen una velocidad relativa constante entre sí".

La relatividad especial tuvo un efecto profundo en la física: comenzó como un replanteamiento de la teoría del electromagnetismo y encontró una nueva ley de simetría de la naturaleza, ahora llamada simetría de Poincaré , que reemplazó a la antigua simetría galileana .

La relatividad especial ejerció otro efecto duradero sobre la dinámica . Aunque inicialmente se le atribuyó la "unificación de la masa y la energía", se hizo evidente que la dinámica relativista estableció una distinción firme entre la masa en reposo , que es una propiedad invariante (independiente del observador) de una partícula o sistema de partículas, y la energía y el momento de un sistema. Los dos últimos se conservan por separado en todas las situaciones, pero no son invariantes con respecto a diferentes observadores. El término masa en física de partículas experimentó un cambio semántico , y desde finales del siglo XX denota casi exclusivamente la masa en reposo (o invariante ) .

En 1916, Einstein fue capaz de generalizar aún más esta teoría para abordar todos los estados de movimiento, incluida la aceleración no uniforme, lo que se convirtió en la teoría general de la relatividad. En esta teoría, Einstein también especificó un nuevo concepto, la curvatura del espacio-tiempo, que describía el efecto gravitatorio en cada punto del espacio. De hecho, la curvatura del espacio-tiempo reemplazó por completo la ley de gravitación universal de Newton. Según Einstein, la fuerza gravitatoria en el sentido normal es una especie de ilusión causada por la geometría del espacio. La presencia de una masa causa una curvatura del espacio-tiempo en la proximidad de la masa, y esta curvatura dicta la trayectoria espacio-temporal que deben seguir todos los objetos que se mueven libremente. También se predijo a partir de esta teoría que la luz debería estar sujeta a la gravedad, todo lo cual se verificó experimentalmente. Este aspecto de la relatividad explicó los fenómenos de la curvatura de la luz alrededor del Sol, predijo los agujeros negros, así como las propiedades de la radiación de fondo de microondas cósmica  , un descubrimiento que generó anomalías fundamentales en la hipótesis clásica del estado estacionario. Por sus trabajos sobre la relatividad, el efecto fotoeléctrico y la radiación del cuerpo negro, Einstein recibió el Premio Nobel en 1921.

La aceptación gradual de las teorías de la relatividad de Einstein y de la naturaleza cuantizada de la transmisión de la luz, así como del modelo atómico de Niels Bohr, crearon tantos problemas como los que resolvieron, lo que condujo a un esfuerzo a gran escala para restablecer la física sobre nuevos principios fundamentales. Al ampliar la relatividad a casos de sistemas de referencia acelerados (la " teoría general de la relatividad ") en la década de 1910, Einstein postuló una equivalencia entre la fuerza inercial de la aceleración y la fuerza de la gravedad, lo que llevó a la conclusión de que el espacio es curvo y de tamaño finito, y a la predicción de fenómenos como el efecto de lente gravitacional y la distorsión del tiempo en los campos gravitacionales.

Aunque la relatividad resolvió el conflicto de los fenómenos electromagnéticos demostrado por Michelson y Morley, un segundo problema teórico fue la explicación de la distribución de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro ; el experimento mostró que en longitudes de onda más cortas, hacia el extremo ultravioleta del espectro, la energía se acercaba a cero, pero la teoría clásica predijo que debería volverse infinita. Esta flagrante discrepancia, conocida como la catástrofe ultravioleta , fue resuelta por la nueva teoría de la mecánica cuántica . La mecánica cuántica es la teoría de los átomos y los sistemas subatómicos. Aproximadamente los primeros 30 años del siglo XX representan el momento de la concepción y evolución de la teoría. Las ideas básicas de la teoría cuántica fueron introducidas en 1900 por Max Planck (1858-1947), quien recibió el Premio Nobel de Física en 1918 por su descubrimiento de la naturaleza cuantificada de la energía. La teoría cuántica (que anteriormente se basaba en la "correspondencia" a gran escala entre el mundo cuantizado del átomo y las continuidades del mundo " clásico ") fue aceptada cuando el Efecto Compton estableció que la luz transporta momento y puede dispersarse en partículas, y cuando Louis de Broglie afirmó que la materia puede verse como si se comportara como una onda de la misma manera que las ondas electromagnéticas se comportan como partículas ( dualidad onda-partícula ).

En 1905, Einstein utilizó la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico, y en 1913 el físico danés Niels Bohr utilizó la misma constante para explicar la estabilidad del átomo de Rutherford así como las frecuencias de luz emitidas por el gas hidrógeno. La teoría cuantizada del átomo dio paso a una mecánica cuántica a gran escala en la década de 1920. Los nuevos principios de una mecánica "cuántica" en lugar de una mecánica "clásica", formulados en forma matricial por Werner Heisenberg , Max Born y Pascual Jordan en 1925, se basaban en la relación probabilística entre "estados" discretos y negaban la posibilidad de causalidad . La mecánica cuántica fue desarrollada ampliamente por Heisenberg, Wolfgang Pauli , Paul Dirac y Erwin Schrödinger , quien estableció una teoría equivalente basada en ondas en 1926; Pero el " principio de incertidumbre " de Heisenberg de 1927 (que indica la imposibilidad de medir con precisión y simultáneamente la posición y el momento) y la " interpretación de Copenhague " de la mecánica cuántica (llamada así por la ciudad natal de Bohr) continuaron negando la posibilidad de causalidad fundamental, aunque oponentes como Einstein afirmarían metafóricamente que "Dios no juega a los dados con el universo". ^[66] La nueva mecánica cuántica se convirtió en una herramienta indispensable en la investigación y explicación de los fenómenos a nivel atómico. También en la década de 1920, el trabajo del científico indio Satyendra Nath Bose sobre los fotones y la mecánica cuántica proporcionó la base para la estadística de Bose-Einstein , la teoría del condensado de Bose-Einstein .

El teorema de espín-estadística estableció que cualquier partícula en mecánica cuántica puede ser un bosón (estadísticamente Bose-Einstein) o un fermión (estadísticamente Fermi-Dirac ). Más tarde se descubrió que todos los bosones fundamentales transmiten fuerzas, como el fotón que transmite el electromagnetismo.

Los fermiones son partículas "como los electrones y los nucleones" y son los constituyentes habituales de la materia . Las estadísticas de Fermi-Dirac encontraron posteriormente otros numerosos usos, desde la astrofísica (véase Materia degenerada ) hasta el diseño de semiconductores .

Mientras los filósofos de la época continuaban debatiendo sobre la naturaleza fundamental del universo, las teorías cuánticas continuaron surgiendo, comenzando con la formulación de una teoría cuántica relativista de Paul Dirac en 1928. Sin embargo, los intentos de cuantificar por completo la teoría electromagnética se vieron obstaculizados a lo largo de la década de 1930 por formulaciones teóricas que arrojaban energías infinitas. Esta situación no se consideró resuelta adecuadamente hasta después de que terminara la Segunda Guerra Mundial , cuando Julian Schwinger , Richard Feynman y Sin-Itiro Tomonaga postularon de forma independiente la técnica de la renormalización , que permitió el establecimiento de una electrodinámica cuántica (EDQ) robusta. ^[67]

Mientras tanto, proliferaron nuevas teorías de partículas fundamentales con el surgimiento de la idea de la cuantificación de campos a través de " fuerzas de intercambio " reguladas por un intercambio de partículas "virtuales" de vida corta , a las que se les permitió existir de acuerdo con las leyes que gobiernan las incertidumbres inherentes al mundo cuántico. Cabe destacar que Hideki Yukawa propuso que las cargas positivas del núcleo se mantenían juntas gracias a una fuerza poderosa pero de corto alcance mediada por una partícula con una masa entre la del electrón y el protón . Esta partícula, el " pión ", fue identificada en 1947 como parte de lo que se convirtió en una serie de partículas descubiertas después de la Segunda Guerra Mundial. Inicialmente, dichas partículas se encontraron como radiación ionizante dejada por los rayos cósmicos , pero cada vez más se produjeron en aceleradores de partículas más nuevos y poderosos . ^[68]

Fuera de la física de partículas, los avances significativos de la época fueron:

• la invención del láser ( Premio Nobel de Física 1964 );
• La investigación teórica y experimental de la superconductividad , especialmente la invención de una teoría cuántica de la superconductividad por Vitaly Ginzburg y Lev Landau (Premio Nobel de Física 1962) y, más tarde, su explicación mediante pares de Cooper (Premio Nobel de Física 1972). El par de Cooper fue un ejemplo temprano de cuasipartículas .

Einstein consideró que todas las interacciones fundamentales de la naturaleza pueden explicarse mediante una única teoría. Las teorías de campos unificados fueron numerosos intentos de "fusionar" varias interacciones. Una de las muchas formulaciones de dichas teorías (así como de las teorías de campos en general) es la teoría de gauge , una generalización de la idea de simetría. Finalmente, el Modelo Estándar (véase más abajo) logró unificar las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Todos los intentos de unificar la gravitación con algo más fracasaron.

Cuando Chien-Shiung Wu rompió la paridad en las interacciones débiles en su experimento , se crearon una serie de descubrimientos a partir de entonces. ^[70] La interacción de estas partículas por dispersión y desintegración proporcionó una clave para nuevas teorías cuánticas fundamentales. Murray Gell-Mann y Yuval Ne'eman pusieron cierto orden en estas nuevas partículas clasificándolas según ciertas cualidades, comenzando con lo que Gell-Mann denominó el " Óctuple Camino ". Si bien su desarrollo posterior, el modelo de quarks , al principio parecía inadecuado para describir las fuerzas nucleares fuertes , lo que permitió el surgimiento temporal de teorías competidoras como la Matriz S , el establecimiento de la cromodinámica cuántica en la década de 1970 finalizó un conjunto de partículas fundamentales y de intercambio, lo que permitió el establecimiento de un "modelo estándar" basado en las matemáticas de la invariancia de calibre , que describió con éxito todas las fuerzas excepto la gravitación, y que sigue siendo generalmente aceptado dentro de su dominio de aplicación. ^[66]

El modelo estándar, basado en la teoría de Yang-Mills ^[71] agrupa la teoría de la interacción electrodébil y la cromodinámica cuántica en una estructura denotada por el grupo de calibración SU(3)×SU(2)×U(1). La formulación de la unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles en el modelo estándar se debe a Abdus Salam , Steven Weinberg y, posteriormente, Sheldon Glashow . La teoría electrodébil fue confirmada posteriormente experimentalmente (mediante la observación de corrientes débiles neutras ), ^{[72] [73] [74] [75]} y distinguida con el Premio Nobel de Física de 1979. ^[76]

Desde la década de 1970, la física de partículas fundamentales ha aportado conocimientos sobre la cosmología del universo primitivo , en particular la teoría del Big Bang propuesta como consecuencia de la teoría general de la relatividad de Einstein . Sin embargo, a partir de la década de 1990, las observaciones astronómicas también han planteado nuevos retos, como la necesidad de nuevas explicaciones de la estabilidad galáctica (" materia oscura ") y la aparente aceleración de la expansión del universo (" energía oscura ").

Aunque los aceleradores han confirmado la mayoría de los aspectos del Modelo Estándar al detectar las interacciones esperadas entre partículas a diversas energías de colisión, todavía no se ha encontrado ninguna teoría que concilie la relatividad general con el Modelo Estándar, aunque muchos teóricos creían que la supersimetría y la teoría de cuerdas eran una vía prometedora para avanzar. Sin embargo, el Gran Colisionador de Hadrones , que comenzó a funcionar en 2008, no ha logrado encontrar ninguna evidencia que respalde la supersimetría y la teoría de cuerdas. ^[77]

Se puede decir que la cosmología se convirtió en un tema de investigación serio con la publicación de la Teoría General de la Relatividad de Einstein en 1915, aunque no entró en la corriente principal científica hasta el período conocido como la " Edad de Oro de la relatividad general ".

Aproximadamente una década después, en medio de lo que se denominó el " Gran Debate ", Hubble y Slipher descubrieron la expansión del universo en la década de 1920 midiendo los desplazamientos al rojo de los espectros Doppler de las nebulosas galácticas. Utilizando la relatividad general de Einstein, Lemaître y Gamow formularon lo que se conocería como la teoría del Big Bang . Una rival, llamada teoría del estado estacionario , fue ideada por Hoyle , Gold , Narlikar y Bondi .

La radiación de fondo cósmico de microondas fue verificada en la década de 1960 por Penzias y Wilson , y este descubrimiento favoreció el big bang a expensas del escenario de estado estacionario. Trabajos posteriores fueron los de Smoot et al. (1989), entre otros colaboradores, utilizando datos de los satélites Cosmic Background explorer (CoBE) y Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) que refinaron estas observaciones. La década de 1980 (la misma década de las mediciones COBE) también vio la propuesta de la teoría de la inflación por Alan Guth .

Recientemente, los problemas de la materia oscura y la energía oscura han alcanzado los primeros puestos de la agenda cosmológica.

El 4 de julio de 2012, los físicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN anunciaron que habían descubierto una nueva partícula subatómica muy similar al bosón de Higgs , una clave potencial para comprender por qué las partículas elementales tienen masa y, de hecho, para la existencia de diversidad y vida en el universo. ^[78] Por ahora, algunos físicos la llaman una partícula "similar al bosón de Higgs". ^[78] Joe Incandela , de la Universidad de California en Santa Bárbara , dijo: "Es algo que, al final, puede ser una de las mayores observaciones de cualquier fenómeno nuevo en nuestro campo en los últimos 30 o 40 años, remontándose al descubrimiento de los quarks , por ejemplo". ^[78] Michael Turner , cosmólogo de la Universidad de Chicago y presidente de la junta del centro de física, dijo:

"Este es un momento importante para la física de partículas y una encrucijada: ¿será este el punto culminante o será el primero de muchos descubrimientos que nos llevarán a resolver las grandes preguntas que nos hemos planteado?"

—  Michael Turner , Universidad de Chicago ^[78]

Peter Higgs fue uno de los seis físicos que, trabajando en tres grupos independientes, inventaron en 1964 el concepto de campo de Higgs ("melaza cósmica"). Los otros fueron Tom Kibble , del Imperial College de Londres ; Carl Hagen , de la Universidad de Rochester ; Gerald Guralnik, de la Universidad Brown ; y François Englert y Robert Brout , ambos de la Universidad Libre de Bruselas . ^[78]

Aunque nunca se han visto, los campos tipo Higgs desempeñan un papel importante en las teorías del universo y en la teoría de cuerdas. En determinadas condiciones, según la extraña explicación de la física de Einstein, pueden impregnarse de energía que ejerce una fuerza antigravitatoria. Se ha propuesto que estos campos son la fuente de un enorme estallido de expansión, conocido como inflación, en los comienzos del universo y, posiblemente, el secreto de la energía oscura que ahora parece estar acelerando la expansión del universo. ^[78]

En el siglo XIX, con el aumento de la accesibilidad y la elaboración de técnicas analíticas avanzadas, la física se definió tanto, si no más, por esas técnicas que por la búsqueda de principios universales de movimiento y energía, y la naturaleza fundamental de la materia. Campos como la acústica , la geofísica , la astrofísica , la aerodinámica , la física del plasma , la física de bajas temperaturas y la física del estado sólido se unieron a la óptica, la dinámica de fluidos , el electromagnetismo y la mecánica como áreas de investigación física. En el siglo XX, la física también se alió estrechamente con campos como la ingeniería eléctrica , aeroespacial y de materiales , y los físicos comenzaron a trabajar en laboratorios gubernamentales e industriales tanto como en entornos académicos. Después de la Segunda Guerra Mundial, la población de físicos aumentó drásticamente y llegó a centrarse en los Estados Unidos, mientras que, en décadas más recientes, la física se ha convertido en una actividad más internacional que en cualquier otro momento de su historia anterior.

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• Era cuántica ruidosa de escala intermedia

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