La física és una ciència exacta, teòrica i experimental que estudia les propietats de la matèria, de l'energia, el temps i l'espai, així com la interacció entre tots aquests elements. Es recolza en l'observació, la formulació d'hipòtesis i la verificació experimental per construir models que descriguin i prediguin els fenòmens naturals amb la màxima exactitud possible.
Un dels trets essencials de la física és que cerca la precisió en les conclusions i que aquestes siguin verificables mitjançant experiments reproduïbles. D'aquesta manera, qualsevol investigador, a qualsevol lloc, pot comprovar els resultats seguint el mateix procediment. A més, la física utilitza un llenguatge matemàtic rigorós per expressar les lleis que descriuen la realitat, cosa que permet formular prediccions quantitatives summament exactes.
La física explica mitjançant lleis els fenòmens naturals, centrant-se especialment en aquells processos que no modifiquen l'estructura molecular interna dels cossos (és a dir, sense entrar directament a les transformacions químiques, que són objecte principal de la química). Tot i així, hi ha una estreta relació entre física i química, especialment en àrees com la fisicoquímica, on s'estudien la matèria i l'energia combinant conceptes de totes dues disciplines.
Està estretament relacionada amb les matemàtiques, ja que s'hi recolza per expressar l'estudi de la realitat que l'ocupa. Aquesta connexió és tan profunda que, en molts casos, els avenços matemàtics han obert noves vies per entendre l'univers físic i, a la inversa, els problemes plantejats per la física han inspirat el desenvolupament de noves branques de les matemàtiques.
D'altra banda, la física inclou dins del camp d'estudi la química, la biologia, l'electrònica i moltes altres ciències naturals i aplicades, no perquè les substitueixi, sinó perquè proporciona el marc de lleis fonamentals que expliquen els fenòmens que aquestes disciplines observen. Així, la biofísica s'ocupa dels sistemes vius des del punt de vista físic, la geofísica estudia la Terra mitjançant principis físics i l'astrofísica aplica la física a l'estudi dels cossos celestes.
La física estudia els fenòmens de la matèria basant les seves teories, en un primer nivell, a la mecànica clàssica, des d'on s'analitzen les lleis que regeixen el moviment; a la electrodinàmica clàssica per a lestudi de les càrregues electromagnètiques; a la termodinàmica per a lestudi de la calor i les diferents formes denergia; a la mecànica quàntica, que estudia la naturalesa a escales espacials petites (àtoms, electrons, partícules subatòmiques); ia la estadística per estudiar les freqüències i probabilitats d'ocurrència dels fenòmens físics, especialment quan intervenen quantitats enormes de partícules, com passa als gasos o als sistemes complexos.
Grans branques de la física segons el seu desenvolupament històric
Per a l'estudi de la realitat, la física se sol organitzar en grans blocs històrics i conceptuals que permeten entendre com ha evolucionat el coneixement científic. Tradicionalment es distingeixen tres grans branques o etapes que conviuen i es complementen avui dia:
- física clàssica
- física moderna
- física contemporània
Cadascuna d'aquestes perspectives se centra en rangs de velocitat, energia i mida característics. La física clàssica domina el món macroscòpic quotidià; la física moderna amplia el marc a l'àmbit atòmic, subatòmic ia velocitats properes a la de la llum; i la física contemporània s'enfoca a sistemes complexos, fenòmens no lineals i processos lluny de l'equilibri.
A què se'l considera física clàssica?
s'anomena física clàssica al conjunt de teories, models i lleis formulats abans de l'aparició de la mecànica quàntica i de la consolidació completa de la teoria de la relativitat. És a dir, inclou la física desenvolupada principalment a partir dels treballs de Galileu Galilei, Isaac Newton i altres científics posteriors, que descriuen el comportament dels cossos al món macroscòpic ia velocitats molt menors que la de la llum.
També se'l sol anomenar física newtoniana perquè es recolza de manera decisiva en les lleis de Newton referents al moviment dels objectes ia la gravitació universal. Aquestes lleis van permetre establir un marc coherent per explicar des de la caiguda d‟una poma fins al‟òrbita dels planetes, consolidant una visió de l‟univers com un gran mecanisme regit per lleis clares i deterministes.
En termes pràctics, la física clàssica estudia els fenòmens que tenen velocitat més petita que la velocitat de la llum i les escales espacials són més grans que la mida d'àtoms i molècules. Això inclou des dels moviments de vehicles i màquines fins al flux dels rius, la propagació del so a l'aire o el comportament dels gasos en un recipient.
Una altra manera de descriure la física clàssica és a dir que se la considera, en gran mesura, una teoria determinista: l'estat futur d'un sistema tancat es pot predir completament si se'n coneix amb precisió l'estat actual (posició, velocitat, forces que actuen, etc.), sempre dins les condicions de validesa del model.
Dins la física clàssica se sol distingir entre:
- Física clàssica newtoniana (prerelativista): basada en les lleis de Newton i en un concepte d'espai i temps absoluts i independents.
- Física clàssica relativista: introdueix les idees de la relativitat especial per a fenòmens amb velocitats altes però sense entrar a la descripció quàntica de la matèria. En molts contextos tècnics, també es considera clàssica sempre que no se n'abordin els efectes quàntics a escala atòmica o subatòmica.
Què estudia la física clàssica?
La física clàssica se centra en l'estudi de:
- Moviments de cossos macroscòpics (vehicles, màquines, planetes, projectils) a velocitats molt inferiors a la de la llum.
- Interaccions de forces com la gravetat, la força elàstica, la fricció o la força centrípeta, que determinen les trajectòries i els canvis de moviment.
- Propagació d'ones mecàniques com el so en diferents mitjans materials.
- Comportament de fluids (gasos i líquids) en moviment o en repòs, incloent pressions, cabals, turbulències i fluxos.
- Fenòmens tèrmics, la calor, la temperatura i les formes macroscòpiques de lenergia.
- Electricitat i magnetisme clàssics, descrivint camps i corrents sense recórrer, en primera instància, a conceptes quàntics.
En conjunt, la física clàssica resulta imprescindible per a l'enginyeria, arquitectura, construcció, disseny de maquinària, acústica aplicada, òptica tradicional i una llarga llista d'activitats tecnològiques quotidianes.
Diferències entre física clàssica i física moderna
En comparar la física clàssica amb la física moderna, s'observen diferències profundes en la manera d'abordar els fenòmens físics i l'escala dels sistemes estudiats. La física moderna sorgeix en incorporar la mecànica quàntica i la teoria de la relativitat, el que va obligar a revisar alguns principis de la física clàssica que es consideraven universals.
Alguns contrastos clau entre les dues perspectives són els següents:
- Rang de velocitats: la física clàssica se centra en velocitats molt inferiors a la de la llum, mentre que la física moderna, amb la relativitat, incorpora fenòmens que ocorren a velocitats properes a la de la llum.
- Escala d'estudi: la física clàssica descriu sistemes macroscòpic com a planetes, màquines, fluids o estructures; la física moderna s'orienta a escales microscòpiques i subatòmiques, analitzant àtoms, electrons, fotons i partícules elementals.
- determinisme: la física clàssica tracta els sistemes com deterministes, on el futur es dedueix completament del present. La física moderna, especialment la mecànica quàntica, introdueix la incertesa i la probabilitat com a elements fonamentals a lhora de descriure lestat dun sistema.
- Espai i temps: en física clàssica, l'espai i el temps són magnituds independents i absolutes. A la física moderna relativista, espai i temps es combinen al espai-temps, i les seves mesures depenen de l'observador i de la velocitat a què es mou.
- Descripcions de la interacció: la física clàssica explica fenòmens com la gravetat, electricitat i magnetisme sense necessitat dintroduir partícules portadores dinteracció; la física moderna aprofundeix en les interaccions mitjançant camps i partícules (per exemple, fotons, bosons i altres partícules del model estàndard).
- Aplicacions típiques: la física clàssica s'aplica amb enorme èxit a enginyeria, mecànica, construcció, acústica, òptica tradicional i gran part de la tecnologia quotidiana. La física moderna s'aplica preferentment a electrònica avançada, energia nuclear, semiconductors, física de partícules, cosmologia i tecnologies d'avantguarda.
Branques de la física clàssica
La física clàssica abasta diferents disciplines i té com a objectiu principal l'estudi de fenòmens que en presenten una velocitat menor que la velocitat de la llum i es manifesten a escales macroscòpiques. Aquestes branques continuen sent fonamentals actualment, tant en la ciència bàsica com en nombroses tecnologies.
Entre les branques més importants de la física clàssica hi ha:
- Mecànica clàssica
- termodinàmica
- Electromagnetisme (electricitat i magnetisme clàssics)
- òptica
- acústica
- Mecànica de fluids o dinàmica de fluids
Cadascuna d'aquestes disciplines estudia un tipus específic de fenòmens, encara que a la pràctica solen interrelacionar-se. Per exemple, el disseny dun motor de combustió interna implica mecànica, termodinàmica y mecànica de fluids, mentre que el desenvolupament d'un sistema de so professional requereix dominar acústica y electromagnetisme.
Mecànica clàssica
La mecànica clàssica és la ciència que estudia les lleis del moviment de Newton, referents al comportament de cossos físics macroscòpics en repòs i en moviment a velocitats petites en relació amb la velocitat de la llum. Analitza com les forces actuen sobre els cossos i com aquestes forces provoquen canvis al seu estat de moviment.
Tant la mecànica clàssica com la física clàssica en general se sustenten en les lleis de Newton, particularment en les lleis del moviment dels cossos a l'univers (inèrcia, proporcionalitat entre força i acceleració, i acció-reacció). Aquestes lleis permeten descriure des del moviment d‟un pèndol fins a la trajectòria d‟un satèl·lit al voltant de la Terra.
Dins la mecànica clàssica es distingeixen dos enfocaments principals:
- Mecànica vectorial: es basa de forma directa en les lleis de Newton, utilitzant vectors per representar magnituds com a força, velocitat i acceleració. És l'enfocament més intuïtiu i habitualment aplicat en problemes d'enginyeria i tecnologia.
- Mecànica analítica: empra formulacions matemàtiques més abstractes (mecànica lagrangiana i hamiltoniana) per descriure el moviment. Aquest enfocament resulta especialment útil en sistemes complexos amb múltiples graus de llibertat i estableix les bases de desenvolupaments posteriors en física teòrica.
Algunes aplicacions pràctiques de la mecànica clàssica inclouen:
- Enginyeria mecànica, per dissenyar mecanismes, estructures i màquines que resisteixin forces i funcionin amb seguretat.
- Predicció de trajectòries en esports, balística i navegació, calculant angles i velocitats òptimes.
- Càlcul d'orbites de satèl·lits i vehicles espacials en condicions on encara és vàlida l'aproximació clàssica.
La termodinàmica
La termodinàmica és la ciència que s'encarrega de la descripció dels estats d'equilibri termodinàmic a nivell macroscòpic. Estudia la interacció entre la calor i altres formes denergia, així com les transformacions energètiques que es produeixen en sistemes físics.
Les principals variables que utilitza per descriure diferents situacions són la temperatura, l' pressió, el volum i nombre de mols una substància. A partir d'aquestes magnituds es formulen lleis com ara la conservació de l'energia (primer principi de la termodinàmica) i la tendència natural a l'augment del desordre o entropia (segon principi).
S'entén per equilibri tèrmic aquell estat en què s'igualen les temperatures de dos cossos que inicialment tenien temperatures diferents. Quan les temperatures s'equiparen, se suspèn el flux de calor entre ells, i ambdós cossos assoleixen l'esmentat equilibri tèrmic.
Un exemple clàssic daquest concepte és lús del termòmetre, instrument que determina la seva pròpia temperatura. Per saber la temperatura d'un altre cos o substància, tots dos es posen en contacte fins que arriben a l'equilibri tèrmic. Com que en l'equilibri tèrmic tant el cos com el termòmetre estan a la mateixa temperatura, la lectura del termòmetre serà també la temperatura del cos sotmès a comparació.
L'estudi de la reacció dels sistemes davant dels canvis al seu entorn és útil en una gran varietat de branques de la ciència i l'enginyeria. La termodinàmica juga un paper essencial en el disseny de motors, refrigeradors, centrals elèctriques i en pràcticament qualsevol procés industrial en què es transformin energia i matèria.
A continuació citem algunes de les aplicacions de la termodinàmica:
- En la enginyeria de materials s'executen transferències de calor i energia a les matèries primeres per a la fabricació de nous materials. Un exemple és el procés de cocció a altes temperatures d'una peça de ceràmica, les propietats finals de les quals (duresa, resistència, color) dependran de la temperatura i del temps a què hagi estat sotmesa.
- A nivell industrial, es fan servir processos com la pasteurització i la fabricació de formatge i mantega mitjançant transferència de calor controlada, per garantir la seguretat alimentària i les propietats organolèptiques dels productes.
- En la indústria siderúrgica, s'obtenen diferents tipus d'acer fusionant diverses substàncies en forns d'altíssimes temperatures, controlant amb cura la composició i els cicles tèrmics.
- En la generació d'energia, les centrals tèrmiques, nuclears o de cicle combinat es basen en cicles termodinàmics (com el cicle de Carnot, Rankine o Brayton) per convertir la calor en treball mecànic i, posteriorment, en energia elèctrica.
L'electromagnetisme
Els fenòmens elèctrics i magnètics són estudiats i unificats en una sola teoria mitjançant el electromagnetisme. Michael Faraday i James Clerk Maxwell foren els primers grans exponents del seu fonament, mostrant que l'electricitat, el magnetisme i la llum formen part d'un mateix fenomen físic.
L'electromagnetisme es basa en les quatre equacions diferencials vectorials de Maxwell, que relacionen els camps elèctric i magnètic amb les seves respectives fonts materials (càrregues elèctriques i corrents). Aquestes equacions mostren, entre altres coses, que una variació temporal del camp elèctric genera un camp magnètic, i viceversa, cosa que explica la propagació de les ones electromagnètiques.
A la teoria electromagnètica s'inclouen la corrent elèctric, l' polarització elèctrica i la polarització magnètica. Els fenòmens físics macroscòpics que involucren càrregues elèctriques en repòs i en moviment, així com els efectes de camps magnètics i elèctrics sobre substàncies líquides, sòlides i gasoses, són objecte de descripció de l'electromagnetisme.
Exemples quotidians de l'ús de l'electromagnetisme s'evidencien als motors i generadors elèctrics, que són aparells usats per a la conversió d'energia mecànica en elèctrica o viceversa.
- s'anomena generador, alternador o dinamo a l'aparell que converteix l'energia mecànica en energia elèctrica.
- Es diu motor elèctric a l'aparell que transforma energia elèctrica en energia mecànica útil.
Un altre exemple clàssic d'electromagnetisme és la brúixola. El moviment de les agulles està basat en els principis magnètics relacionats amb els pols terrestres i en la interacció entre el camp magnètic de la Terra i l'imant de la brúixola. A més, intervenen principis elèctrics i magnètics senzills que permeten orientar l'agulla a la direcció nord-sud.
Més enllà d'aquests dispositius, l'electromagnetisme és la base de tecnologies com ara comunicació sense fils (ràdio, televisió, telefonia mòbil), els transformadors i línies de transmissió d'energia, els dispositius electrònics (circuits integrats, ordinadors) i els sistemes de diagnòstic mèdic com la ressonància magnètica nuclear.
L'òptica
L'òptica és la branca de la física que s'encarrega de l'estudi de la radiació electromagnètica al rang de la llum, les seves propietats i la seva interacció amb la matèria, fent un èmfasi especial en la seva propagació, reflexió, refracció i en els fenòmens d'interferència i difracció.
Des del punt de vista de la percepció humana, la llum és el rang de longituds d'ona electromagnètiques que l'ull humà pot detectar, i és precisament l'òptica la que se n'ocupa de l'anàlisi. Tot i això, el camp de l'òptica moderna s'estén també a longituds d'ona no visibles, aprofitant principis similars.
L'òptica física està orientada al descobriment i aplicació de fenòmens nous. Basats en ella, els investigadors utilitzen i desenvolupen fonts de llum a tot l'espectre electromagnètic, des de làsers d'alta potència fins a díodes emissors de llum (LED) de baix consum.
L'òptica ha tingut una gran incidència a la instrumentació científica (microscopis, telescopis, espectròmetres), a les comunicacions (fibra òptica, sistemes de transmissió de dades) ia la metrologia (mesurament precís de distàncies, temps i constants físiques). També és essencial a l'òptica correctiva i mèdica, com les ulleres, lents de contacte i dispositius quirúrgics basats en làser.
l'acústica
L´acústica és una branca de la física que s´ocupa d´estudiar les ones mecàniques propagades a través de la matèria en qualsevol dels seus estats (sòlid, líquid o gasós), mitjançant models físics i matemàtics. Es concentra en el so, l'infrasò i l'ultrasò, analitzant com es produeixen, es propaguen i es perceben aquestes ones.
L'acústica estudia tot el que fa referència a la producció, transmissió, emmagatzematge, percepció i reproducció del so. De les aplicacions tecnològiques de l'acústica se n'ocupa la trucada enginyeria acústica, que intervé en el disseny de sales de concert, estudis d'enregistrament, sistemes d'àudio, aïllament sonor a edificis i moltes altres solucions pràctiques.
Com a exemples de la física acústica podem citar:
- Aparells electrònics per fer més efectiva la comunicació, com altaveus, auriculars, telèfons i sistemes de megafonia.
- Aplicacions mèdiques basades en ultrasò, que han estat efectives en la creació d'imatges del cos humà (ecografies) i en procediments terapèutics que fan servir ones ultrasòniques d'alta intensitat.
- Micròfons, que converteixen ones sonores en senyals elèctrics per a la seva gravació, amplificació o transmissió.
L'acústica també s'estén a camps com ara acústica musical (estudi d'instruments, timbres i escales), la psicoacústica (percepció del so per part del sistema auditiu humà) i la acústica ambiental (control del soroll i contaminació sonora en espais urbans i industrials).
La dinàmica de fluids o mecànica de fluids
La mecànica dels fluids, o dinàmica de fluids, és una subrama de la mecànica de mitjans continus que s'ocupa del estudi del moviment dels fluids (líquids i gasos) i de les forces que els provoquen. Analitza tant fluids en repòs (estàtica de fluids) com fluids en moviment (dinàmica de fluids), considerant efectes com la viscositat, la pressió, la velocitat de flux i la turbulència.
En la enginyeria química, civil, industrial, aeronàutica, la meteorologia, les construccions navals i l'oceanografia, és de fonamental importància la intervenció de la mecànica de fluids. Permet dissenyar canonades, bombes, ales d'avió, bucs de vaixells, xarxes de distribució d'aigua, sistemes de ventilació i prediccions del temps atmosfèric.
Alguns conceptes clau de la mecànica de fluids són:
- Pressió i velocitat de flux, que es relacionen mitjançant principis com el de Bernoulli.
- Règim laminar i turbulent, que descriuen el tipus de moviment del fluid segons la seva velocitat i viscositat.
- Viscositat, que mesura la resistència interna del fluid a fluir, determinant en processos de transport i barreja.
física moderna
La física moderna sorgeix quan les limitacions de la física clàssica es fan evidents en intentar explicar fenòmens associats a velocitats molt altes o escales molt petites, com les d'àtoms i partícules subatòmiques. Aquesta branca, també anomenada en molts contextos física quàntica (encara que la física moderna inclou també la relativitat), es basa en la teoria quàntica i en la teoria de la relativitat.
El desenvolupament de la física moderna es va consolidar amb la proposta de la quantització de lenergia, formulada per explicar la radiació d'un cos negre, i amb les aportacions posteriors que van demostrar que l'energia no s'intercanvia de forma contínua, sinó en petites unitats anomenades quants. Aquesta idea va ser posada el 1900 per Max Planck (1858-1947) i va ser reforçada per Albert Einstein el 1905 en explicar l'efecte fotoelèctric; cap a la dècada de 1920 es va consolidar el terme mecànica quàntica per descriure aquestes noves teories.
Més tard, es va denominar mecànica quàntica a la branca de la física que s'ocupa dels fenòmens que es donen a velocitats properes a la de la llum (en combinació amb la relativitat) o les escales espacials són de l'ordre de els àtoms i les molècules. La mecànica quàntica descriu el comportament de partícules com electrons, protons, neutrons, fotons i moltes altres, introduint principis com el d'incertesa i la dualitat ona-partícula.
La física moderna estudia les característiques, el comportament i les radiacions de partícules a nivell atòmic i subatòmic. Entre els èxits hi ha l'explicació de l'espectre d'emissió dels àtoms, l'estructura dels enllaços químics, la conducció elèctrica en sòlids, l'efecte fotoelèctric i un llarg etcètera que sustenta gran part de la tecnologia electrònica actual.
La mecànica quàntica, juntament amb la teoria de la relativitat, compon el que avui dia anomenem física moderna. Els seus conceptes són fonamentals per comprendre:
- Semiconductors i dispositius electrònics, com transistors, díodes i circuits integrats.
- energia nuclear i processos de fissió i fusió.
- Física de partícules, que investiga les partícules elementals i les forces fonamentals de la naturalesa.
- Cosmologia física, que estudia l'origen, l'estructura i l'evolució a gran escala de l'univers.
física contemporània
La física contemporània representa el vessant més recent i avançat del coneixement físic. Els seus inicis se situen a l'etapa en què, després de consolidar-se les teories quàntiques i relativistes, es van començar a estudiar fenòmens encara més complexos i sistemes que no es podien descriure mitjançant models lineals senzills.
La física contemporània s'ocupa d'estudiar la complexitat de la natura, els fenòmens a escala nanoscòpica i als processos fora de l'equilibri termodinàmic. En aquesta categoria s'hi inclouen, entre altres camps, la teoria del caos i la turbulència, que descriuen sistemes molt sensibles a les condicions inicials i amb comportaments aparentment impredictibles.
Alguns dels temes característics de la física contemporània són:
- Teoria de caos, que se centra en lestudi de sistemes físics complexos i dinàmics, utilitzant equacions diferencials i eines matemàtiques sofisticades. Permet entendre fenòmens meteorològics, dinàmica de poblacions, oscil·lacions no lineals i molts sistemes on petites variacions inicials produeixen grans canvis a l'evolució del sistema.
- Nanotecnologia i física de la matèria condensada, que investiguen materials i estructures a escales nanoscòpiques, donant lloc a propietats emergents com la superconductivitat, el magnetisme a petita escala o els materials intel·ligents.
- Sistemes fora de l'equilibri, on la termodinàmica clàssica de lequilibri no és suficient i es requereixen nous enfocaments per descriure fluxos denergia, autoorganització i fenòmens irreversibles.
Gràcies a la física contemporània s'han obert camps de recerca que van des del disseny de materials avançats i dispositius quàntics fins a l'estudi de sistemes biològics complexos, passant per l'anàlisi detallada del clima global i la dinàmica del plasma en contextos astrofísics i tecnològics.
conèixer les branques de la física clàssica i la seva relació amb la física moderna i contemporània permet comprendre millor com s'estructuren les ciències naturals i per què, malgrat els grans avenços, les lleis i els models clàssics continuen sent eines essencials per descriure el món que ens envolta i per desenvolupar solucions tecnològiques en innombrables àmbits.