Física clásica

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Muchas veces hemos escuchado los términos física cuántica, física clásica, física Newtoniana o física estadística. ¿Pero que significan realmente estos términos? Hoy vamos a aprender que es realmente la física clásica y que áreas de la ciencia están incluidas en ella.

Veremos una por una cada una de sus ramas y daremos ejemplos de su aplicación en nuestro día a día.

Qué es la física clásica

La física clásica puede considerarse toda la física que no es cuántica. Por lo tanto, la cinemática, la dinámica, la termodinámica clásica, la electrodinámica clásica, la óptica o la mecánica de fluidos formarían parte de la teoría clásica de la física.

Además, dentro de la categoría de física clásica también incorporamos la relatividad especial y la relatividad general ya que forman parte de las teorías clásicas de campos.

Por lo tanto, la mecánica cuántica, la mecánica cuántica relativista, la mecánica estadística cuántica o la teoría cuántica de campos son ramas de la física que no se incluyen dentro de lo que conocemos como física o mecánica clásica.

Con ella podemos explicar la mayoría de fenómenos de nuestro universo y más concretamente de nuestro planeta. Además, nos permite calcular todo lo necesario para crear nuestra tecnología. Por ejemplo, utilizamos la mecánica clásica para hacer volar los cohetes o los aviones. También para hacer flotar los barcos o para calcular las fuerzas que tiene que soportar un edificio.

En este artículo hablaremos de las ramas de la física clásica y las diferencias con la física moderna. No obstante, recomendamos leer nuestro artículo sobre mecánica cuántica ya que es un mundo apasionante, lleno de misterios y con muchas aplicaciones interesantes en nuestra sociedad.

Los físicos de hoy en día consideran la física clásica todas las ramas de la física que no utilizan la mecánica cuántica para realizar sus predicciones. La relatividad especial, la termodinámica, la mecánica de fluidos o la cinemática son ejemplos de este tipo de física.

Ramas de la física clásica

La física clásica incluye muchas ramas de estudio muy distintas entre ellas. Daremos una pequeña explicación de alguna de ella. Es importante destacar que las ramas es solo una forma de dividir el conocimiento. En realidad, todo forma parte de las mismas leyes fundamentales.

Mecánica clásica

En la mecánica clásica incluimos todo lo relacionado con las leyes de Newton. Todas las leyes de la dinámica y cinemática se incluyen en este campo de las ciencias físicas. Por lo tanto, la podemos definir como esa área que estudio el movimiento de los cuerpos y su evolución en el tiempo. 

Posteriormente a las leyes de Newton surgieron reformulaciones de la mecánica clásica que permitieron simplificar muchos de los problemas físicos.

Algunas de estas reformulaciones son la mecánica Lagrangiana donde la trayectoria de un cuerpo se estudia encontrando la trayectoria que minimiza la acción, o que es lo mismo, utilizando el famoso principio de mínima acción.

Otro tipo de reformulación de la mecánica clásica es la mecánica Hamiltoniana. En muchos casos la reformulación Hamiltoniana es más útil que la Lagrangiana ya que sus ecuaciones son de primer orden y las ecuaciones derivadas de la formulación Lagrangriana son de segundo orden, siendo más difíciles de solucionar.

La mecánica clásica es un campo muy interesante de la las ciencias físicas ya que el Lagrangiano o el Hamiltoniano son conceptos que se extienden a teorías cuánticas.

Por ejemplo, la ecuación de Schrödinger es formulada a partir del operador Hamiltoniano, el cual es análogo a las mecánica clásica Hamiltoniana.

El Lagrangiano también se utiliza en teoría cuántica de campos para definir la energía de un cierto campo cuántico y todas las simetrías gauge asociadas a este.

Electrodinámica clásica

La electrodinámica clásica es la parte del electromagnetismo que estudia la evolución en el tiempo de sistemas físicos relacionados con fenómenos eléctricos y magnéticos. 

Estos sistemas se estudian utilizando unas herramientas de las matemáticas llamadas campos. Por lo tanto, el objeto de estudio de esta rama de la ciencia son los campos eléctricos y los campos magnéticos.

En cada punto del campo se le asocia un vector que representa la fuerza del campo eléctrico/magnético.

El comportamiento de los campos clásicos está definido por las famosas leyes de Maxwell.

Más adelante, la electrodinámica clásica fue cuantizada para explicar con profundo detalle las interacciones de las partículas cargadas como los electrones. Simplificando, la electrodinámica cuántica dice que las distintas interacciones electromagnéticas son debidas a un intercambio de bosones, que en este caso son fotones.

Por lo tanto, las repulsiones y las atracciones típicas entre cargas se dan por el intercambio de fotones virtuales. En otra publicación entraremos en más detalle en teoría cuántica de campos y más concretamente en la electrodinámica cuántica. ¡Es un área de la física apasionante!

Es importante diferenciar electrodinámica clásica de la electrodinámica cuántica. En la variante clásica utilizamos los campos clásicos para describir los sistemas. En la electrodinámica cuántica impulsada por Feynman utilizamos las reglas de cuantización para transformar el campo clásico en cuántico. 

Termodinámica

La termodinámica es la parte de la física que estudia el calor, la temperatura y el trabajo en relación con la energía, radiación y propiedades de la materia. 

Existen diferentes ramas de la termodinámica. Tenemos la termodinámica química que estudia las energías que tienen lugar en una reacción química, la termodinámica estadística, la cual estudia la termodinámica des de un punto de vista microscópico. Es decir, cualquier propiedad macroscópica es consecuencia de una media de lo que ocurre microscópicamente.

Por ejemplo, la temperatura de un sistema viene dado por una media de la energía cinética de las moléculas que contiene dicho sistema.

Otra rama es la termodinámica clásica la cual estudia el intercambio de calor y energía en sistemas cerca del equilibrio. Estudia también los distintos ciclos termodinámicos que existen, como por ejemplo el ciclo de Carnot.

Resumiendo, este campo intenta comprender como se transfiere y se pierde energía en todo tipo de sistemas físicos que podamos encontrar.

Relatividad general

Alguna gente separa la física clásica de la relatividad general. Sin embargo, la mayoría de físicos del mundo la considera parte de la física clásica ya que su formulación matemática requiere de definiciones clásicas de campo.

La relatividad general está descrita por las ecuaciones de campo de Einstein. Estas expresiones matemáticas relacionan como el espacio-tiempo es deformado por la materia y como el comportamiento de la materia está condicionado por la curvatura del espacio-tiempo. 

Esta teoría define la fuerza de la gravedad como una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo.

Para definir como se curva el tejido espacio-temporal en cada punto necesitamos hacer uso de dos herramientas matemáticas muy potentes: la geometría diferencial y el algebra tensorial.

Como estamos hablando de curvaturas ya no podemos utilizar el análisis funcional que aprendemos en la escuela. Ya que esta trata problemas definidos sobre espacios vectoriales Euclideos, es decir, sobre una geometría plana. Es por esta razón que tenemos que usar el poder de la geometría diferencial que generaliza el cálculo vectorial de espacios Euclideos en unos espacios topológicos especiales llamados variedades.

En futuras publicaciones trataremos la relatividad general con más profundidad y detalle para que puedas comprender de una vez por todas de que trata y como Einstein formuló las ecuaciones de campo. 

Diferencias entre la física moderna y la física clásica

La física moderna normalmente se describe como esas leyes y teorías post-newtonianas. La física que conocemos hoy en día empezó con el libro de Principia Mathematica de Newton donde se explicaban las famosas leyes de Newton, junto a la ley de gravitación universal.

Por lo tanto, todas las teorías relativistas y cuánticas forman parte de la física moderna. No obstante, no hay una diferencia radical entre estos dos conceptos ya que existe una intersección. Por ejemplo, la relatividad general de Einstein se considera física moderna, pero a la vez, también es considerada una teoría clásica de la física ya que no está basada en principios cuánticos.

La única parte de la física que entra dentro del concepto de física moderna y no clásica es la mecánica cuántica. Esta fue formulada a principios del siglo XX, por lo tanto, al ser propuesta después de Newton consideramos que es moderna. Pero no es clásica, ya que como hemos definido en apartados anteriores decimos que una teoría es clásica si no es cuántica.