Física experimental

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

Resumen

Laboratorio Sir Ernest Rutherfords, principios del siglo XX. (9660575343)

La física experimental reagrupa todas las disciplinas de la física que se ocupan de la adquisición de datos, los métodos de adquisición de datos y la conceptualización detallada (más allá de los simples experimentos mentales ) y la realización de experimentos de laboratorio. A menudo se contrasta con la física teórica , que se preocupa más por predecir y explicar el comportamiento físico de la naturaleza que por adquirir conocimientos sobre ella.

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

Historia

Como campo distinto, la física experimental fue establecida en la Europa moderna temprana , durante lo que se conoce como la Revolución Científica , por físicos como Galileo Galilei , Christiaan Huygens , Johannes Kepler , Blaise Pascal y Sir Isaac Newton . A principios del siglo XVII, Galileo hizo un amplio uso de la experimentación para validar las teorías físicas, que es la idea clave en el método científico moderno. Galileo formuló y probó con éxito varios resultados en dinámica, en particular la ley de 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 en movimiento) y cómo la carga de ese barco es indiferente a su movimiento. Huygens utilizó el movimiento de un barco a lo largo de un canal holandés para ilustrar una forma temprana de conservación del impulso .

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

Desde finales del siglo XVII en adelante, la termodinámica fue desarrollada por el físico y químico Boyle , Young y muchos otros. En 1733, Bernoulli utilizó argumentos estadísticos con la mecánica clásica para derivar resultados termodinámicos, iniciando el campo de la mecánica estadística . En 1798, Thompson demostró la conversión del trabajo mecánico en calor, y en 1847 Joule estableció la ley de conservación de la energía , tanto en forma de calor como de energía mecánica. Ludwig Boltzmann , en el siglo XIX, es responsable de la forma moderna de 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 Robert Boyle , Stephen Gray y Benjamin Franklin crearon una base para trabajos posteriores. Estas observaciones también establecieron nuestra comprensión básica de la carga eléctrica y la corriente . En 1808, John Dalton había descubierto que los átomos de diferentes elementos tienen diferentes pesos y propuso la teoría moderna del átomo .

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

Experimentos actuales

Una vista del detector CMS , un esfuerzo experimental del LHC en el CERN .

Algunos ejemplos de proyectos destacados de física experimental son:

• Colisionador de iones pesados ​​relativista que colisiona iones pesados ​​como iones de oro (es el primer colisionador de iones pesados) y protones , se encuentra en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , en Long Island, EE. UU.
• HERA , que colisiona electrones o positrones y protones, y es parte de DESY , ubicada en Hamburgo , Alemania.
• LHC , o el Gran Colisionador de Hadrones , que completó su construcción en 2008 pero sufrió una serie de reveses. El LHC comenzó a operar en 2008, pero se cerró por mantenimiento hasta el verano de 2009. Una vez finalizado, es el colisionador más enérgico del mundo, 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 más tarde de lo planeado originalmente. ^[1]
• LIGO , el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser, es un experimento y un observatorio de física a gran escala para detectar ondas gravitacionales cósmicas y desarrollar observaciones de ondas gravitacionales como herramienta astronómica. Actualmente existen dos observatorios LIGO: el Observatorio LIGO Livingston en Livingston, Louisiana , y el Observatorio LIGO Hanford cerca de Richland , Washington .
• JWST , o el telescopio espacial James Webb , está previsto para su lanzamiento en 2021. Será el sucesor del telescopio espacial Hubble . Examinará el cielo en la región infrarroja. Los principales objetivos del JWST serán comprender las etapas iniciales del universo, la formación de galaxias, así como las formaciones de estrellas y planetas, y los orígenes de la vida.

Método

Artículo principal: Experimento

La física experimental utiliza dos métodos principales de investigación experimental , experimentos controlados y experimentos naturales . Los experimentos controlados se utilizan a menudo en los laboratorios, ya que los laboratorios pueden ofrecer un entorno controlado. Los experimentos naturales se utilizan, por ejemplo, en astrofísica cuando se observan objetos celestes donde el control de las variables en efecto es imposible.

Experimentos famosos

Los experimentos famosos incluyen:

• Encuesta de Redshift de galaxias de campo de 2 grados
• Levantamiento All-Sky de 2 micrones (2MASS)
• Experimentos de prueba de campana
• Experimento BOOMERanG
• Experimentos de cámara oscura
• Experimento Cavendish
• Explorador de fondo cósmico
• Experimento de neutrinos de Cowan-Reines
• Experimento de Davisson-Germer
• Experimento de doble rendija
• Péndulo de foucault
• Experimento de Franck-Hertz
• Experimento Geiger-Marsden
• Sonda de gravedad A
• Sonda de gravedad B
• Experimento de Hafele-Keating
• Experimento de homestake
• LIGO
• Experimento de la gota de aceite
• Experimento de Michelson-Morley
• Encuesta Sloan Digital Sky
• Experimento de Stern-Gerlach
• Sonda de anisotropía para microondas Wilkinson
• Experimento Wu

Técnicas experimentales

Algunas técnicas experimentales conocidas incluyen:

• Cristalografía
• Elipsometría
• Jaula de Faraday
• Interferometria
• RMN
• Refrigeración por láser
• Espectroscopía láser
• Espectroscopia Raman
• Procesamiento de la señal
• Espectroscopia
• STM
• Técnica de vacío
• Espectroscopia de rayos x
• Dispersión inelástica de neutrones

Físicos experimentales destacados

Los físicos experimentales famosos incluyen:

• Alhazen (965-1039)
• Al-Biruni (973-1043)
• Al-Khazini (fl. 1115-1130)
• Galileo Galilei (1564-1642)
• Isaac Newton (1643-1727)
• Laura Bassi (1711-1778)
• Michael Faraday (1791-1867)
• Ernst Mach (1838-1916)
• John William Strutt (tercer barón Rayleigh) (1842-1919)
• Wilhelm Röntgen (1845–1923)
• Karl Ferdinand Braun (1850-1918)
• Henri Becquerel (1852-1908)
• Albert Abraham Michelson (1852-1931)
• Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926)
• JJ Thomson (1856-1940)
• Jagadish Chandra Bose (1858-1937)
• Pierre Curie (1859-1906)
• William Henry Bragg (1862-1942)
• Marie Curie (1867-1934)
• Robert Andrews Millikan (1868-1953)
• Ernest Rutherford (1871-1937)
• Lise Meitner (1878-1968)
• Max von Laue (1879-1960)
• Clinton Davisson (1881-1958)
• CV Raman (1888-1970)
• William Lawrence Bragg (1890-1971)
• James Chadwick (1891-1974)
• Pyotr Kapitsa (1894-1984)
• Charles Drummond Ellis (1895-1980)
• John Cockcroft (1897-1967)
• Patrick Blackett (barón Blackett) (1897-1974)
• Ukichiro Nakaya (1900–1962)
• Enrico Fermi (1901-1954)
• Ernest Lawrence (1901-1958)
• Walter Houser Brattain (1902-1987)
• Pavel Cherenkov (1904-1990)
• Carl David Anderson (1905-1991)
• Ernst Ruska (1906-1988)
• John Bardeen (1908-1991)
• William Shockley (1910-1989)
• Chien-Shiung Wu (1912-1997)
• Charles Hard Townes (1915-2015)
• Rosalind Franklin (1920-1958)
• Owen Chamberlain (1920-2006)
• Nicolaas Bloembergen (1920-2017)
• Vera Rubin (1928-2016)
• Mildred Dresselhaus (1930-2017)
• Samar Mubarakmand (1942–)
• Gerd Binnig (1947–)
• Steven Chu (1948–)
• Wolfgang Ketterle (1957–)
• Andre Geim (1958–)
• Lene Hau (1959–)

Líneas de tiempo

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

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

Ver también

• Física
• Ingenieria
• Ciencia experimental
• Instrumento de medición

Referencias

1. "¡Sí, lo hicimos!" . CERN . 2010-03-29 . Consultado el 16 de abril de 2010 .

Lectura adicional

• Taylor, John R. (1987). Introducción al análisis de errores (2ª ed.) . Libros universitarios de ciencia. ISBN 978-0-935702-75-0.

Enlaces externos

• Medios relacionados con la física experimental en Wikimedia Commons