La física como ciencia

    En los tiempos actuales, la física se ha establecido como una de las disciplinas científicas imprescindibles para el conocimiento del entorno natural. Sin embargo, en sus orígenes no se diferenciaba de la filosofía y de las especulaciones mentales acerca de los principios del Universo, el ser humano y la esencia divina. En las primeras culturas, la descripción del cosmos aparecía jalonada de episodios míticos en los que la fuerza y perspicacia de la observación se enmarcaban en un contexto de connotaciones precientíficas y un enfoque mágico no exento de cierta ingenuidad.

    Hubo que esperar a los inicios de la Edad Moderna para que este ámbito del saber se alejara de los planteamientos de la antigua filosofía natural y desarrollara un cuerpo autónomo de conocimientos mediante poderosas herramientas de cálculo y reflexión lógica. Sustentado en la observación y la experimentación, el método científico encontraría en las nacientes ciencias físicas el terreno óptimo para inaugurar una nueva fase en la historia del conocimiento y la ciencia.

    Reseña histórica

    El origen de la física se halla estrechamente vinculado al de las llamadas «ciencias físicas» en general. Esta denominación pretendió establecer, desde sus primeros tiempos, una diferencia entre las áreas del pensamiento que analizaban el mundo inorgánico de las centradas en la comprensión de lo biológico u orgánico. Como tales, las ciencias de lo físico se ocupaban de examinar los fenómenos inanimados desde diversos enfoques o aproximaciones. La astronomía pretendía comprender la esencia y las características del universo exterior a la Tierra. La química y la física se dedicaban a observar y describir el comportamiento de la materia. Finalmente, las llamadas ciencias de la Tierra estudiaban el planeta terrestre, su composición y su estructura general.

    Esta diferenciación no fue tan categórica entre los pueblos antiguos, que consagraron sus esfuerzos a explicar los fenómenos naturales y a aprovechar sus efectos para el desarrollo de su cultura y su tecnología. En numerosos lugares del planeta se conservan vestigios de los profundos conocimientos astronómicos acumulados desde las primeras civilizaciones, tanto en Oriente (China, la India) como en Occidente (Egipto, Grecia, tribus celtas). Observatorios, tablas de posiciones astronómicas y un largo y minucioso trabajo de compilación sirvió a estos pueblos para crear calendarios con los que fijaban los momentos idóneos para la siembra y la recolección, las acciones de conquista y los desplazamientos de las poblaciones trashumantes.

    Astronomía, geometría y cálculo se sitúan entre los primeros pilares del conocimiento científico. Sin embargo, el estudio en sí de los fenómenos físicos se confundió durante el periodo antiguo con la especulación filosófica. De este modo, aunque en los tratados chinos o grecorromanos de la antigüedad se han plasmado algunas ideas que parecen cercanas a la filosofía actual de la física, los métodos y procedimientos empleados para su desarrollo fueron marcadamente diferentes.

    Puede decirse que la física, tal y como se entiende en la actualidad, nació en Europa a partir del Renacimiento. Cierto es que para la eclosión artística y cultural de este periodo fue necesario un trabajo anterior, recopilado en los textos griegos y romanos supervivientes al paso del tiempo, y la acción de un pueblo como el árabe que, en su expansión al Este (hasta la India) y al Oeste (península ibérica), actuó como crisol de culturas y de conocimientos.

    La aportación árabe, no exenta de originalidad, fue indispensable para la recuperación del saber helenístico en occidente y para la irrupción en la cultura europea de algunos instrumentos de cálculo oriental que tendrían notable influencia. Las cifras indo-arábigas, hoy universales, y el concepto del cero, inexistente como tal en la aritmética del Imperio romano, resultaron esenciales para el espléndido desarrollo de las matemáticas sin el cual no habría sido posible la ciencia actual.

    La revolución copernicana

    Aun admitiendo el peso sustancial de los pueblos europeos en el origen de la ciencia contemporánea, es preciso huir de la tendencia a atribuir exclusivamente los méritos de la misma a la cultura surgida del Renacimiento. Las fuentes clásicas recibidas de las civilizaciones mediterráneas antiguas (en especial, egipcias y griegas) no sólo fueron conservadas y reinterpretadas por los árabes, sino también enriquecidas con aportaciones originales llegadas de la India y China.

    No obstante, es preciso reconocer que en el continente europeo se produjo desde el siglo XV una verdadera «revolución» de las ciencias que afectó sobre todo a la física y la astronomía. En plena efervescencia de los conflictos religiosos dentro de la cristiandad motivados por el avance de la Reforma protestante, una generación de científicos encabezada por el polaco Nicolás Copérnico, el alemán Johannes Kepler y el italiano Galileo Galilei subvirtió los principios filosóficos en los que se sustentaban las ciencias de la naturaleza heredadas de los clásicos.

    Copérnico, un oscuro clérigo centroeuropeo, impulsó un cambio de paradigma dentro de la astronomía al proponer un modelo de Universo con el Sol en su centro y la Tierra y los demás planetas y cuerpos celestes girando a su alrededor. Este modelo resulta un tanto simplista y defectuoso a la vista de los conocimientos actuales; hoy se sabe que el Universo no tiene centro, y que el Sistema Solar no ocupa un lugar privilegiado, al hallarse ubicado en los confines de una galaxia, la Vía Láctea, que poco tiene de especial en el conjunto del cosmos. Sin embargo, el esquema copernicano tuvo el enorme mérito de mostrar la inconsistencia del modelo geocéntrico (con la Tierra en el centro del cosmos) que había imperado en la mentalidad filosófica oficial desde los tiempos del Imperio romano.

    El heliocentrismo de Copérnico fue convalidado en las décadas siguientes por las observaciones de Galileo con los primeros telescopios astronómicos y por las minuciosas observaciones de la posición de los astros del danés Tycho Brahe. Kepler supo aprovechar este inmenso banco de datos para elaborar unas leyes de los movimientos planetarios que dieron una base observacional sólida a las especulaciones de Copérnico.

    El británico Henry Cavendish, en la transición de las centurias XVIII y XIX, se cuenta entre los pioneros de la física moderna.

    En este contexto, la historia naciente de la nueva física reservó uno de sus lugares preeminentes a Galileo. Este italiano, que murió recluido en situación de arresto domiciliario por orden del Tribunal de la Inquisición, sentó las bases de lo que ha dado en llamarse método científico, verdadera seña de identidad de la física moderna. Hasta los tiempos de Galileo, los hombres de «ciencia» eran filósofos que consideraban la mente humana como el instrumento más poderoso para comprender el mundo. En su esfuerzo por entender los hechos naturales, pasaban más tiempo rebuscando entre los anaqueles los textos de sus predecesores que en la observación directa de los fenómenos.

    Galileo desafió esta concepción e instauró un nuevo modo de acercamiento a la naturaleza. Instó a sus coetáneos a abandonar el enfoque puramente especulativo y los prejuicios filosóficos para lanzarse a medir la realidad. Él mismo predicó con el ejemplo y dejó para la posteridad una rica colección de observaciones cuantificables sobre la Luna, los planetas y el movimiento de los cuerpos físicos.

    Los trabajos de Galileo, así como los del francés René Descartes, tuvieron una honda influencia en las investigaciones de Isaac Newton, quien a finales del siglo XVII publicó una obra capital en la historia de la ciencia: Principios matemáticos de filosofía natural (1687). Este tratado cerró brillantemente la revolución científica iniciada por Copérnico al ofrecer una explicación convincente del movimiento y sus causas. En él se compiló un modelo físico unificado que resultaba válido para el mundo cotidiano y para el Universo, para la mecánica y para la cosmología.

    También se deben a Newton y a sus contemporáneos acertadas conclusiones acerca de la esencia de otros fenómenos físicos. La óptica y el estudio de la luz, los colores y los sólidos elásticos fueron campos de rápido desarrollo en aquel tiempo. Ello se acompañó de un extraordinario avance de varias ramas de las matemáticas, en particular el cálculo infinitesimal debido a Leibniz y al propio Newton.

    Los nuevos procedimientos de estudio de la física servirían para impulsar una rápida sucesión de descubrimientos en los siglos siguientes. La observación y la experimentación, la reproducibilidad de los experimentos y el uso de las matemáticas permitirían definir leyes y modelos con los cuales no sólo sería posible explicar el porqué de los hechos físicos, sino también predecir el comportamiento futuro del entorno natural y sus sistemas.

    De la Ilustración al siglo XX

    Los Principios de Newton dominaron el desarrollo de la física hasta las primeras décadas del siglo XX. En el campo de la mecánica se elaboraron nuevos modelos que ampliaban las bases de la física newtoniana y sus mismas concepciones comenzaron a aplicarse a otras disciplinas de la física.

    Desde los tiempos de la Ilustración, a finales del siglo XVIII, distintas escuelas debatían sobre la naturaleza de la luz, con concepciones en esencia antagónicas: una defendía que se trataba de corpúsculos materiales que viajaban por el espacio; otra, que constituía un fenómeno ondulatorio que implicaba el transporte de una perturbación, pero no de la materia en sí. Esta discrepancia se prolongó durante todo el periodo.

    Al mismo tiempo, el desarrollo tecnológico que acompañó a la revolución industrial auspició la invención de aparatos y dispositivos que permitirían estudiar científicamente dos características hasta entonces misteriosas del mundo natural: la electricidad y el magnetismo. Apenas descrito desde antiguo por su manifestación en los rayos y relámpagos o en su forma más modesta de electricidad estática (al frotar, por ejemplo, varillas de ámbar), el fenómeno eléctrico pudo ser analizado mediante pilas y baterías crecientemente complejas. Por su parte, el magnetismo seguía siendo casi desconocido, salvo por los efectos de las «piedras imantadas» o del gran imán planetario que es la Tierra.

    Los trabajos de científicos como Benjamín Franklin, Henry Cavendish, Hans Christian Oersted y Michael Faraday permitieron sistematizar los conocimientos sobre las manifestaciones eléctricas y magnéticas. Charles-Augustin Coulomb descubrió para las cargas eléctricas una fórmula matemática que describía sus interacciones y que se asemejaba formalmente a la ley de gravitación universal de Newton para la mecánica (ambas fuerzas, gravitatoria y eléctrica, disminuyen con la distancia elevada al cuadrado).

    Finalmente, desde 1855 la depuración del modelo matemático sobre ambos fenómenos debida al inglés James Prescott Maxwell permitió explicar mediante una teoría coherente un hecho que ya sospechaban los investigadores: electricidad y magnetismo son dos manifestaciones de un mismo fenómeno esencial. La primera se debe a la existencia en la naturaleza de una propiedad llamada carga eléctrica, que es consustancial a la materia. El segundo procede del movimiento de esas cargas eléctricas elementales.

    Este hito de la historia de la ciencia cobró particular relevancia cuando se constató que también la luz visible es de origen electromagnético. El estudio de la esencia íntima del hecho luminoso y el desarrollo del atomismo y la termodinámica (ciencia de la temperatura y el calor) abrirían el camino hacia una nueva revolución de la física, que acontecería en las primeras décadas del siglo XX.

    Relatividad y mecánica cuántica

    En 1905, Albert Einstein publicó una serie de cinco artículos relativamente breves que iban a cambiar el curso de la historia contemporánea. Con un estudio sobre el movimiento browniano (desplazamiento errático observado en las moléculas suspendidas en un líquido o un gas) dio pruebas fehacientes de la existencia de los átomos. En otro artículo propuso una interpretación del fenómeno luminoso como una entidad constituida por una serie de unidades discretas llamadas «cuantos de luz» (hoy conocidos por fotones). También estableció la célebre ecuación de equivalencia entre masa y energía (E = m · c2, siendo c la velocidad de la luz).

    Finalmente, en el artículo Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento expuso los principios de la teoría de la relatividad. Esta teoría, que Einstein completaría diez años más tarde con su modelo de la relatividad general, amplió los logros de siglos anteriores y pasó a explicar la naturaleza del espacio, el tiempo y la gravedad según un planteamiento totalmente novedoso que ha sido suficientemente convalidado por la experimentación y las observaciones astronómicas.

    La teoría de la relatividad, formulada por Albert Einstein bajo la ecuación deE = m · c2, supuso una auténtica revolución en la física del siglo XX, al abrir perspectivas insospechadas hasta entonces en la relación entre el espacio y el tiempo.

    El impulso inicial dado por Einstein a la «teoría de los cuantos» fue recogido por una brillante generación de científicos que desarrollaron la rama de la física conocida hoy como mecánica cuántica. Entre ellos destacaron especialmente Niels Bohr, Werner Heisenberg, Paul Dirac y Erwin Schrödinger, que elaboraron un modelo capaz de explicar con un altísimo grado de exactitud experimental el comportamiento del mundo subatómico.

    En las siguientes décadas, relatividad y mecánica cuántica demostraron ser dos modelos válidos para explicar las fuerzas fundamentales estudiadas por la física: la gravitación, el electromagnetismo y las interacciones nucleares. La física de partículas, basada en planteamientos mecanocuánticos, experimentó un desarrollo muy notable. Igualmente, progresó el conocimiento del Universo aplicando las leyes de la relatividad. El esfuerzo de los físicos, plasmado en un espectacular avance tecnológico recogido por la sociedad en su conjunto, se orientó hacia una creciente especialización en cada uno de los campos del saber y, al mismo tiempo, hacia la búsqueda de modelos globales que permitieran descubrir los principios todavía ocultos que rigen la realidad física.

    A lo largo de la pasada centuria, las teorías físicas de Einstein fueron recogidas por diversos científicos, entre ellos el austriaco Erwin Schrödinger, quien profundizó en los estudios del mundo subatómico.

    Clasificación de las ciencias físicas

    La física puede definirse como la ciencia cuyo objeto de estudio es la estructura de la materia y las interacciones que tienen lugar entre los constituyentes fundamentales de la realidad observable. Dentro de esta definición, es posible apuntar diversas clasificaciones de las ramas de esta ciencia, si bien no resulta sencillo establecer una categorización sistemática de las mismas.

    Desde un enfoque general cabe distinguir varias disciplinas plenamente asentadas en el contexto de la física:

    • La mecánica versa sobre el estudio del movimiento de los objetos, ya sea desde un punto de vista puramente descriptivo (cinemática) o atendiendo a sus causas subyacentes (dinámica).

    • El electromagnetismo estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos de la naturaleza, la existencia y distribución de las cargas eléctricas, sus efectos y sus manifestaciones.

    • La óptica se centra en el análisis de la luz visible y sus propiedades, así como en la obtención de imágenes mediante dispositivos como lentes, telescopios o microscopios.

    • La termodinámica comprende el estudio de la energía, la temperatura y el calor.

    • La física de partículas se ha constituido en una de las ramas de más activa investigación en la ciencia contemporánea y persigue explicar los constituyentes fundamentales del mundo subatómico. Como tal, se encuentra íntimamente relacionada con las disciplinas conocidas como física atómica y nuclear.

    Dentro de las ciencias físicas pueden diferenciarse otros muchos ámbitos especializados, como la astrofísica, la geofísica, la física química, la física de la materia condensada o la nanofísica, con interesantes consecuencias para la ingeniería y la tecnología en sus diversas facetas. Con todo, debe recordarse que las dos disciplinas surgidas a principios del siglo XX como base de la ciencia contemporánea, mecánica cuántica y teoría de la relatividad, han alcanzado tal grado de importancia que merecen por sí mismas la catalogación de especialidades autónomas de la física.