Breve historia de la Física
Para entender el progreso de la ciencia a lo largo de la Historia hay que tener en cuenta que las sociedades desarrollan conocimientos científicos una vez que tienen necesidades materiales a las que la ciencia debe encontrar una solución. Por tanto la ciencia no aparece en la historia hasta que las sociedades humanas se hicieron lo suficientemente complejas, y su evolución ha ido pareja con los avances que cada civilización hizo sobre las que la precedieron.
Las primeras civilizaciones históricas (Egipto, Mesopotamia, India y China) iniciaron la astronomía (a comienzos del tercer milenio adC), las matemáticas y la geometría. La astronomía surgió por la necesidad de organizar los trabajos agrícolas según el inicio de las estaciones y pronto abordó cuestiones más complicadas. Por ejemplo, los egipcios podían medir el tiempo durante la noche según la hora de salida de determinadas estrellas y establecieron la duración del año en 365 días hacia el 2700 adC. Las matemáticas se desarrollaron hasta el punto de poder realizar cálculos sencillos (según nuestros estándares) y resolver problemas que actualmente se plantean mediante ecuaciones de primer o segundo grado como respuesta a problemas geométricos prácticos planteados por la arquitectura o la agrimensura entre otras. El que los problemas planteados no fueran triviales para la época lo atestigua el hecho de que muchas veces los procedimientos de solución se compilaban en tablas que se copiaban de generación en generación. Hasta nuestros días han llegado tablas astronómicas, de problemas tipo (como encontrar las dimensiones de un granero a partir de su capacidad), o matemáticas (sumas y productos de fracciones, constantes de transformación entre unidades, por ejemplo)
Los griegos fueron los primeros en considerar la naturaleza como objeto de conocimiento y en buscar explicaciones a los fenómenos físicos lo más generales que fuera posible. En el siglo VI adC aparece en Grecia la escuela jónica, con su idea de determinar el elemento primero de la naturaleza. Empédocles de Agrigento concibió en el siglo V adC su teoría de los cuatro elementos; según ésta, todo lo que percibimos está constituído por aire, tierra, agua y fuego. La concepción atomista, discreta, de la materia es introducida un poco más tarde por Leucipo y Demócrito. Desde estas primeras contribuciones hasta el año 415 dC en el que muere la astrónoma y matemática Hipatia de Alejandría la actividad de la ciencia griega primero y helenística más tarde (desde el 323 adC, muerte Alejandro Magno) sentaría las bases de la tradición científica occidental. Durante este período, por primera vez en la Historia se da simultáneamente la existencia de una lengua científica común (el griego) y la posibilidad de intercambiar ideas entre lugares apartados. Por ejemplo, Arquímedes en Siracusa (Sicilia) y Erastótenes en Alejandría (delta del Nilo) mantenían correspondencia de forma regular en el siglo III adC. La ciencia helenística hizo avances en astronomía (primera predicción de un eclipse de Sol por tales de Mileto -siglo VI adC.- descubrimiento de la rotación de la tierra por Heráclito del Ponto -siglo IV adC-, teoría heliocéntrica de Aristarco y medida de la circunferencia terrestre y primera geografía de Erastótenes siglo III adC.-, primera explicación de las mareas por Seleuco de Babilonia y primera medida de la distancia Tierra-Sol por Hiparco -siglo II adC.-), la geometría y la óptica geométrica (Elementos de Euclides, siglo III adC., Almagesto de Ptolomeo) y a ella se deben los primeros trabajos en mecánica (Del equilibrio de las figuras planas, por Arquímedes -siglo III adC.-, obras de Vitruvio, s. I adC.) y hidráulica (estudios sobre aire comprimido de Ctesibios y De los cuerpos flotantes, por Arquímedes -siglo III adC.-, Herón de Alejandría -siglo II dC-). Las matemáticas de la época helenística también avanzaron hasta el límite de sus posibilidades técnicas (los griegos no tenían un sistema de numeración posicional y solían operar reduciendo los problemas matemáticos a problemas geométricos): los griegos descubrieron los números irracionales, dieron soluciones para ecuaciones hasta de cuarto grado, usaron algoritmos que llevados al límite son infinitesimales (determinación del volumen del cono por Demócrito y de pi por Arquímedes) y griega es la primera mención de la incógita en una ecuación (Diofanto, siglo III dC).
Con el paso de los siglos la ciencia helenística fue perdiendo vitalidad. Entre las causas cabe citar el debilitamiento de las ciudades y de los poderes públicos a partir del siglo III dC, pero también hay que tener en cuenta que la ciencia helenística no era una ciencia experimental tal como las conocemos ahora: no eran los resultados de la vida real los que daban validez a una doctrina científica, sino que estas se enunciaban a partir de ideas preconcebidas de la Naturaleza y no se concebía realizar un experimento para refutar o confirmar una teoría. Además, la ciencia griega fue quedando progresivamente aislada de la sociedad en la que se encontraba y fue olvidada en gran parte por esta cuando la élite que todavía la albergaba fue desplazada en las transformaciones que llevaron a la Alta Edad Media.
Durante la Alta Edad Media el conocimiento científico se estanca en Europa. En el Imperio Bizantino y en el Imperio Persa sobrevive cierta actividad científica residual. En el siglo VII los árabes conquistaron el Imperio Persa y la mayor parte del Bizantino. A principios del siglo VIII la civilización musulmana ocupa un territorio que se extiende desde la India al sur de Europa y que albergaba la mayor parte de la cultura científica acumulada en siglos anteriores. Los conquistadores musulmanes respetaron la cultura de los paises en los que se habían establecido y en el mismo siglo VII comenzaron a traducir al árabe los textos griegos y sánscritos que encontraron. De esta forma el árabe se convirtió en una lengua de cultura y llegaron a Europa obras que habían sido perdidas (p. ej, el Almagesto de Ptolomeo que ya se ha mencionado fue traducido al árabe en el siglo IX de su original griego y llegó a Europa en el siglo XII). Los árabes también hicieron sus propias aportaciones: en mecánica, en óptica (Alhacam, en su Discurso sobre la luz, siglo X, da la primera descripción detallada de la refracción, identifica su origen con el cambio en la velocidad de propagación de la luz y presenta el estudio de un sistema óptico a partir de rayos que salen del objeto y llegan hasta la imagen, como se hace en la óptica geométrica elemental de nuestros días) y en astronomía. Los árabes impulsaron el cálculo y fueron los primeros en aplicarlo a la geometría. En el siglo IX, Al-Khwarizmi escribe un tratado de aritmética (Al-Jabr) que divulga la numeración decimal de posición (inventada en la India en el siglo VI) y sistematiza la solución de ecuaciones y Al-Khayyam, propone la solución de una ecuación como intersección de curvas. Los árabes aplican un enfoque práctico y rigorista a la ciencia: emprendieron programas de observación para aumentar progresivamente la precisión de las observaciones, compilaron los primeros catálogos del estrellas, inventaron el astrolabio y el sextante, el sistema ptolemaico de los epiciclos se impuso en la ciencia árabe principalmente porque era el que con más precisión describía las observaciones.
En los siglos XII y XIII se fundan en Europa las primeras universidades. La actividad cultural, que hasta entonces se llevaba a cabo en los monasterios, se traslada a las cuidades. Las primeras universidades no enseñan ciencias experimentales, sino Derecho, Filosofía, Teología, .. el trabajo científico sigue restringido a la copia de obras del pasado, aunque comienzan a surgir personajes (Alberto Magno, Roger Bacon, Guillermo de Occam) que proponen una nueva forma de pensar basada en la observación y en la experiencia provocada y repetida voluntariamente (el experimento científico) frente a la experiencia como confirmación de un hecho observado en la naturaleza (en la que se basaba la ciencia griega). Más tarde, durante el Renacimiento la aparición de compañías de comerciantes crea la necesidad de unas matemáticas aplicadas a la práctica comercial. Durante este período las matemáticas elementales adoptan su forma actual gracias a matemáticos como Johannes Widman (utilización de los signos + y -), Nicolás Chuquet (siglo XV); Nicolo Tartaglia (cálculo de trayectorias de proyectiles) o François Viete (siglo XVI) que trabajan por encargo de comerciantes o reyes y que cobran conciencia de su actividad como una profesión. La invención de la imprenta en el siglo XV y la generalización del uso del papel en Europa permiten la difusión rápida y segura de las ideas y los nuevos métodos de cálculo. (Hasta que no se utilizó el papel los cálculos se hacían sobre pergamino, mucho más caro, por lo que un pergamino se solía reutilizar para aprovecharlo al máximo. Las forma de las operaciones aritméticas y la complejidad de los cálculos estaba limitada por la necesidad de ahorrar espacio - no se solían apuntar resultados parciales- de una forma parecida a como la cantidad de memoria y de tiempo de CPU limitan la complejidad de los cálculos actuales).
A finales del siglo XVI se dan todos los ingredientes para la aparición de la Física en la forma matematizada como la conocemos actualmente: existe una concepción filosófica sobre cómo debe ser una ciencia experimental, hay disponibles unas matemáticas funcionales y se tiene el concepto de científico como profesión, además de los adelantos técnicos en la producción artesanal que permiten la fabricación de útiles y aparatos de laboratorio (el primer laboratorio moderno de investigación fué fundado por Robert Boyle en 1640). A finales del siglo XVI y principios del XVII. Galileo es el primero en aplicar el método experimental (estudio del isocronismo de las oscilaciones del péndulo) y establece los primeros fundamentos de la mecánica moderna. A partir del siglo XVII se multiplican los trabajos de Física: Kepler, a partir de las observaciones de Tycho Brahe propone órbitas planetarias elípticas y enuncia la ley de conservación de la velocidad areolar, que más que la caída de una manzana, sería la que daría a Newton la pista para enunciar su ley de la Gravitación Universal. En este siglo aparecen las primeras sociedades científicas (la Royal Society se funda en 1690). Durante los siglos XVII a XVIII aparece la mecánica racional fundada por Newton, y desarrollada por físico-matemáticos como Leibniz, d´Alembert, Euler o Lagrange, se matematiza la óptica (en 1620 Snell da la ley de refracción, en 1662 Fermat enuncia su principio de minimización para la propagación de la luz, en 1675 Römer mide la velocidad de la luz, Huyghens propone un modelo ondulatorio en 1690), se estudian los gases y los líquidos (Boyle -ley de los gases 1662-, Pascal estudia los fluidos en equilibrio mediados del XVII, Bernouilli estudia el movimiento de los fluidos en 1737). A finales del siglo XVII Coulomb y Cavendish inician el estudio de la electricidad.
Durante el siglo XIX la termodinámica se incorporaría como disciplina de la Física. Ya en 1780 Laplace y Lavoisier presentan una memoria sobre el calor. Fourier presenta su teoría sobre la transmisión del calor en 1822. Carnot formula el segundo principio de la termodinámica (1824); Mayer y Joule establecen el calor como forma de energía; Boltzmann, Maxwell y Gibbs desarrollan la teoría cinética del calor, que estadística y probabilísticamente deduce las leyes macroscópicas de la termodinámica, y Clausius introduce la entropía, como medidad de la degradación energética de un sistema. También durante este siglo Oersted, Volta, Ampère y Faraday estudian los fenómenos eléctricos y magnéticos, que reciben una formulación unificada con las ecuaciones de Maxwell (1864), que serían corroboradas por los trabajos sobre ondas electromagnéticas de Hertz (1886). A finales del siglo XIX Maxwell y Bolztmann fundan la mecánica estadística. La revolución industrial hace aparecer una nueva orientación de la ciencia: la investigación industrial, oreintada a la consecución de patentes, por contraposición a la investigación académica, orientada a la publicación de artículos científicos. Los primerios laboratorios industriales son laboratorios de química y trabajan en la búsqueda de colorantes artificiales para la industria textil y fotográfica. Entre 1875-1880 Basf, Hochst, Agfa y Bayer establecen laboratorios de investigación. Algo más tarde aparecerían laboratorios industriales relacionados con temas físicos, p. ej los de Eastman Kodak (1886), Standard Oil (1890), General Electric (1900, fundada por Thomas Edison en 1876), o AT&T (1907).
El espectacular avance realizado por la física durante el siglo XIX llevó a pensar a muchos a finales de esa centuria que la Física había encontrado su frontera y que a partir de entonces el trabajo de los físicos se reduciría a refinar las teorías existentes para ajustar cada vez mejor las teorías a las observaciones. Sin embargo, las tres primeras décadas del siglo XX fueron un período revolucionario para la Física, del que surgiría lo que se conoce como Física moderna. Los dos pilares de la Física moderna son la teoría cuántica y la relatividad especial y general. La teoría cuántica aparece en el año 1900, cuando Max Planck inventa el concepto de cuanto de energía para obtener la ley de radiación de un cuerpo negro. En 1905 Einstein aplicó el concepto de cuanto o mínima cantidad de energía que puede intercambiarse para explicar el efecto fotoeléctrico. En el mismo año Einstein presentó la teoría de la relatividad especial basada en dos principios básicos: la equivalencia de las leyes físicas entre sistemas de referencia no acelerados (sistemas de referencia inerciales) y la constancia de la velocidad de la luz para todos los observadores inerciales. Tanto el concepto de cuanto como el de la constancia de la velocidad de la luz fueron ideas que rompían con la tradición física anterior y que en aquella época resultaban contrarias a la lógica. En la termodinámica, que tan exitosamente había sido desarrollada el siglo anterior se admitía que la energía se podía intercambiar de manera continua. Por su parte, la constancia de la velocidad de la luz hacía erróneas las transformaciones de Galileo entre sistemas de referencia inerciales en las que se había basado la Mecánica desde el siglo XVII. Sin embargo, ambas teorías serían confirmadas por los experimentos y al mediar el siglo formarían parte de la ortodoxia científica. La teoría de la relatividad especial fue aceptada con bastante rapidez, pues explicaba resultados experimentales ya obtenidos En 1915 Einstein, seguido de cerca por Poincaré y Hilbert propuso la relatividad general y tan pronto como en 1919 Eddington la confirmó experimentalmente mediante la medida de la desviación de la luz por el campo gravitatorio solar. Algo más despacio se desarrolló la Mecánica Cuántica. En 1913 Bohr propuso un modelo cuántico de átomo, en 1922 Compton explicó las colisones entre fotones y electrones y en 1925 de Broglie fue el primero en asociar una onda a una partícula (el electrón) para explicar los radios de las órbitas de los electrones en el modelo atómico de Bohr. En 1925 Heisenberg formuló la Mecánica Cuántica usando operadores matriciales y en 1925 Schrödinger formuló la Mecánica cuántica usando ecuaciones de onda. Con la presentación de estos dos formalismos la Mecánica cuántica adoptó su forma actual.
Durante el resto del siglo XX buena parte de los trabajos en Física estuvieron relacionados con extender el ámbito de aplicación de ambas teorías y con la persecución de una descripción unificada de las interacciones fundamentales siguiendo la propuesta presentada por Einstein. De esta forma surgieron nuevas disciplinas como la Física de Altas energías, la Física Atómica y Nuclear, la Física del Estado Sólido, la Astrofísica o la Cosmología. En 1967 la Físca de Altas energías consiguió la descripción unificada del electromagnetismo y la interacción nuclear débil (Steven Weinberg y Abdul Salam) y poco más tarde el modelo de quarks para la interacción nuclear fuerte. A partir de entonces se presentaron diversas teorías para unificar estas tres interacciones, aunque la validez de ninguna de ellas ha sido aceptada de manera generalizada. La Física del estado sólido surgió durante los años 30 como una aplicación particular de la mecánica cuántica y una vez que a principios de los años 60 las máquinas de cálculo se hacen accesibles de forma generalizada para la investigación se convirtió en una de las disciplinas más importantes de la Física en la segunda mitad del siglo XX, quizá la más importante para la investigación industrial.
Texto: Miguel Ángel Sánchez Quintanilla
