Albert Einstein propuso la teoría de la relatividad a principios del siglo XX.
La física teórica es una rama de la física que se ocupa del desarrollo y la formulación de modelos matemáticos y teorías para describir y predecir el comportamiento de sistemas. Se basa en principios fundamentales y leyes para construir marcos teóricos coherentes que expliquen fenómenos observables en el universo.
Los físicos teóricos utilizan herramientas matemáticas avanzadas y razonamiento abstracto para derivar predicciones que pueden ser probadas mediante experimentos u observaciones. Esta disciplina es necesaria para el avance del conocimiento en física y ha sido crucial en el desarrollo de tecnologías modernas y nuestra comprensión del universo a escalas desde lo microscópico hasta lo cósmico.
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ResumenRelatividad
La teoría de la relatividad, propuesta por Albert Einstein a principios del siglo XX, consta de dos formulaciones principales: la teoría de la relatividad especial y la teoría de la relatividad general.
Relatividad especial
Publicada por Einstein en 1905, revolucionó nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la velocidad. Postula que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores que se mueven a velocidad constante respecto a otros. Introduce conceptos como la dilatación del tiempo y la contracción de longitud, y establece la famosa ecuación E=mc2, que relaciona la energía (E) con la masa (m y la velocidad de la luz (c).
Relatividad general
También conocida como teoría de la gravitación, fue publicada por Einstein en 1915 y amplía los principios de la relatividad especial para incluir la gravedad. Proporciona una descripción geométrica, donde la presencia de masa y energía curva el tejido del espacio-tiempo, afectando así la trayectoria de los objetos en movimiento. La relatividad general predice fenómenos como la curvatura de la luz alrededor de objetos masivos (lentes gravitacionales) y las ondas gravitacionales.
Teorías relativistas y no relativistas
Teorías cuánticas relativistas
Intentan unificar los principios de la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad especial o general. Ejemplos notables incluyen la electrodinámica cuántica (QED) y la cromodinámica cuántica (QCD), que describen las interacciones electromagnéticas y nucleares fuertes, respectivamente, en el marco de la relatividad especial.
Teorías no relativistas
Describen sistemas donde la velocidad de las partículas es mucho menor que la de la luz, por lo que los efectos relativistas pueden ser ignorados con precisión suficiente. Un ejemplo común es la mecánica cuántica no relativista, que describe el comportamiento de partículas subatómicas en condiciones no relativistas, como los electrones en átomos.
La física de partículas se centra en las partículas elementales y las fuerzas responsables de sus interacciones y su comportamiento.
Física de partículas
La física de partículas estudia las partículas elementales y las fuerzas fundamentales que gobiernan su comportamiento y las interacciones entre ellas. A continuación definimos algunos conceptos claves.
Partículas elementales
Las unidades fundamentales de la materia y la energía. Se dividen en dos categorías: los fermiones, que incluyen los quarks y leptones, y los bosones, que transmiten las fuerzas fundamentales. Ejemplos de partículas elementales son el electrón, el quark arriba, el fotón y el bosón de Higgs.
Partículas virtuales
Existen temporalmente como soluciones matemáticas en ciertos cálculos de la teoría cuántica de campos, pero no se detectan como partículas reales. Son importantes para entender y calcular las interacciones entre estas últimas.
Interacciones fundamentales
Las fuerzas básicas que gobiernan las interacciones entre las partículas elementales. Incluyen la interacción gravitatoria, la interacción electromagnética, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.
Interacciones fuertes
La interacción nuclear fuerte es una de las cuatro fundamentales y es responsable de mantener unidos los nucleones en el núcleo atómico. Se transmite a través de partículas llamadas gluones, que interactúan con los quarks que componen los protones y los neutrones. La interacción fuerte es muy poderosa a distancias cortas, pero disminuye rápidamente cuando éstas aumentan, lo que resulta en la confinamiento de los quarks dentro de los hadrones y la formación de núcleos atómicos estables.
Dualidad onda-partícula
Un principio fundamental de la mecánica cuántica que establece que todas las partículas subatómicas, como electrones y fotones, pueden comportarse como partículas puntuales con una ubicación definida en el espacio y momento preciso, pero también pueden exhibir comportamientos ondulatorios, como la difracción y la interferencia. Esta dualidad esencial desafía nuestra intuición clásica sobre la naturaleza de la materia y la luz, y es fundamental para comprender fenómenos cuánticos como el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Teorías relacionadas
Teoría de cuerdas
Propone que las partículas fundamentales no son puntos sin dimensión, sino objetos unidimensionales llamados cuerdas. Esta teoría busca proporcionar una descripción unificada de todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Teoría de la inflación cósmica
Propone que poco después del Big Bang, el universo experimentó un rápido período de expansión exponencial. Esto ayudaría a explicar varios aspectos observados del cosmos, como la uniformidad en la distribución de la materia y la radiación de fondo de microondas.
Teoría de la información cuántica
Se centra en el estudio de la información en el contexto de la mecánica cuántica. Examina cómo se puede codificar, transmitir y manipular información en sistemas cuánticos, y tiene implicaciones importantes para la criptografía y la computación cuánticas.
Teoría de la perturbación
En el contexto de los campos cuánticos, la teoría de la perturbación es un método para calcular aproximaciones a cantidades físicas, como energías o probabilidades de transición, mediante la introducción de pequeñas perturbaciones a una solución conocida.
Teoría cuántica de la gravedad
Es un intento de combinar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general para describir fenómenos gravitacionales a escalas muy pequeñas, como en el interior de los agujeros negros o durante los primeros instantes del Big Bang. Todavía es un área de investigación activa y no se ha alcanzado una teoría completamente satisfactoria.
La cosmología estudia el origen, la evolución y la estructura del universo.
Cosmología
La cosmología, en el contexto de la física teórica, es el estudio del origen, la evolución y la estructura del universo en su conjunto. Se basa en modelos teóricos respaldados por observaciones astronómicas y experimentos cosmológicos. Algunos conceptos clave en cosmología en relación con la física teórica incluyen:
Modelo cosmológico estándar
Describe la evolución del universo desde su origen en el Big Bang hasta su estado actual. Se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein y en observaciones astronómicas, como la expansión del universo y la radiación de fondo de microondas. Incluye la teoría de la inflación cósmica y la formación de estructuras a gran escala a través de la materia y la radiación ordinarias.
Materia oscura
Una forma de materia que no emite, absorbe ni refleja luz electromagnética, por lo que no es directamente observable con los métodos astronómicos tradicionales. Sin embargo, su presencia se infiere a partir de efectos gravitacionales observados en galaxias y cúmulos de galaxias. La naturaleza precisa de la materia oscura aún no se comprende completamente, y es objeto de investigación activa en la física teórica y experimental.
Energía oscura
Una forma de energía que se cree que permea todo el espacio y contribuye a la aceleración de la expansión del universo. A diferencia de la materia oscura, que tiene efectos gravitacionales a escalas cosmológicas, la energía oscura actúa como una especie de presión negativa que contrarresta la atracción gravitacional de la materia ordinaria. Su naturaleza exacta sigue siendo uno de los misterios más grandes en la cosmología y la física teórica, y su comprensión es fundamental para entender el destino último del universo.
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