Física experimental

La física experimental es la categoría de disciplinas y subdisciplinas dentro del campo de la física que se ocupan de la observación de fenómenos físicos y de la realización de experimentos . Los métodos varían de una disciplina a otra, desde experimentos y observaciones sencillas, como los realizados por Galileo Galilei , hasta otros más complejos, 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 simples experimentos mentales ) y realización de experimentos de laboratorio. A menudo se contrapone a la física teórica , que se centra más en predecir y explicar el comportamiento físico de la naturaleza que en la adquisición de datos empíricos.

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

La tensión entre los aspectos experimentales y teóricos de la física fue expresada por James Clerk Maxwell como: «Solo cuando intentamos poner en contacto la parte teórica de nuestra formación con la práctica comenzamos a experimentar el efecto completo de lo que Faraday denominó "inercia mental": no solo 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 perturbador de apartar la mente de los símbolos para centrarla en los objetos, y viceversa. Este es, sin embargo, el precio que debemos pagar por las nuevas ideas». ^{[ 1 ]}

Como campo independiente, la física experimental se estableció en la Europa moderna temprana , durante lo que se conoce como la Revolución Científica , gracias a 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, lo cual es la idea clave del método científico moderno. Galileo formuló y comprobó 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 utilizó el movimiento de una barca 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 culminante con la publicación de los Principia Mathematica de la filosofía natural en 1687 por Sir Isaac Newton (1643-1727). En 1687, Newton publicó los Principia , donde detallaba dos leyes físicas completas y exitosas: las leyes del movimiento de Newton , de las cuales surge la mecánica clásica ; y la ley de gravitación universal de Newton , que describe la fuerza fundamental de la gravedad . Ambas leyes coincidían con los resultados experimentales. Los Principia también incluían varias teorías sobre dinámica de fluidos .

Desde finales del siglo XVII, 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, dando inicio al campo de la mecánica estadística . En 1798, Benjamin Thompson (Conde Rumford) demostró la conversión del trabajo mecánico en calor, y en 1847 James Prescott Joule enunció la ley de conservación de la energía , tanto para el calor como para la energía mecánica. Ludwig Boltzmann , en el siglo XIX, es responsable de la forma moderna de la 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 y la corriente eléctrica . En 1808, John Dalton descubrió que los átomos de diferentes elementos tienen diferentes pesos y propuso la teoría moderna del átomo .

Fue Hans Christian Ørsted quien propuso por primera vez la conexión entre electricidad y magnetismo tras observar la desviación de la aguja de una brújula por una corriente eléctrica cercana. A principios de la década de 1830, Michael Faraday demostró 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 electricidad y magnetismo. Las ecuaciones de Maxwell también predijeron correctamente que la luz es una onda electromagnética . Partiendo de la astronomía, los principios de la filosofía natural se cristalizaron en leyes fundamentales de la física, que fueron enunciadas y perfeccionadas en los siglos posteriores. Para 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:

• El Colisionador Relativista de Iones Pesados , 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 hace colisionar electrones o positrones y protones, forma parte de DESY , ubicado en Hamburgo , Alemania.
• El LHC , o Gran Colisionador de Hadrones , cuya construcción finalizó en 2008, sufrió una serie de contratiempos. El LHC comenzó a operar en 2008, pero se detuvo para mantenimiento hasta el verano de 2009. Es el colisionador más energético del mundo una vez finalizado y está ubicado en el CERN , en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra . El colisionador entró en pleno funcionamiento el 29 de marzo de 2010, un año y medio después de lo previsto inicialmente. ^{[ 2 ]}
• LIGO , el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser, es un experimento físico y observatorio 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 JWST , o Telescopio Espacial James Webb , fue lanzado en 2021. Será el sucesor del Telescopio Espacial Hubble . Explorará el cielo en la región infrarroja. Los principales objetivos del JWST serán comprender las etapas iniciales del universo, la formación de galaxias, la formación de estrellas y planetas, y los orígenes de la vida.

La física experimental utiliza dos métodos principales de investigación: experimentos controlados y experimentos naturales . Los experimentos controlados se emplean a menudo en laboratorios , ya que estos ofrecen un entorno controlado. Los experimentos naturales se utilizan, por ejemplo, en astrofísica para la observación de objetos celestes , donde el control de las variables es prácticamente imposible.

Entre los experimentos más famosos se incluyen:

Algunas técnicas experimentales bien conocidas incluyen:

Entre los físicos experimentales más famosos se encuentran:

Consulte las cronologías a continuación para ver la lista 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 los estados de la materia y las transiciones de fase
• Cronología de la termodinámica

• Física
• Ingeniería
• Ciencia experimental
• Instrumento de medición
• Programación por pulsos

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

• Contenido multimedia relacionado con la física experimental en Wikimedia Commons.