Una Introducción al estudio de la física

En el siguiente artículo intento mostrar una idea general a lo que es la física, obviamente quedaré corto en este propósito, pero pienso que podría a ayudar a los jóvenes bachilleres
que quieran comenzar una carrera en el campo de las ciencias físicas, especialmente en la licenciatura de física. Para esto me he apoyado en el libro del laureado físico Richard Phillips Feynman Física Vol.1. Mecánica, radiación y calor y también algunos apuntes dispersos que tenía en algunas hojas y cuaderno. Espero que esto ayude a motivar y oriente en cierta medida a los estudiantes interesados en realizar una carrera en física.

Para ser un físico de verdad hay que estudiar mucho, actualmente la carrera en la licenciatura de física en la Universidad del Zulia, y en muchas otras universidades del país y del mundo, incluyendo los Estados Unidos, dura cuatro años, pero esto no es suficiente, será necesario hacer una maestría y luego hacer un doctorado y al menos un posdoctorado.

Hay veces que los estudiantes se preguntan que por qué no se enseñan los principios y leyes básicas de la física para luego aplicarlas a los fenómenos que queremos estudiar, algo así como hace la geometría euclídea y otras ramas de la matemática, aquí se dan los axiomas, teoremas, postulados y lemas y luego con base en ellos se realizan las deducciones de interés. Es lamentable, pero no, no podemos hacer eso, el motivo es que no conocemos todas las leyes de la física, es más, a medida que se descubren más cosas, la ignorancia de la física aumenta, hay un océano de cosas que no sabemos y que aparecen de vez en cuando provocando que surjan más y más preguntas. Aunado a todo esto, debemos saber que el planteamiento correcto de las leyes de la física contiene ideas complejas que requieren de una matemática avanzada para poder describirla y entenderla.

Por todo lo anteriormente expuesto es necesario que se deba estudiar muchísima matemática, física y prácticas de laboratorio, además tendrá que entrenar su mente para tener un pensamiento crítico donde piense y repiense sobre lo que estudia y analiza, algo así como filosofar sobre problemas profundos que de seguro lo retarán en su larga carrera hacia el verdadero conocimiento. De tal manera que esto se debe hacer poco a poco, por partes y de manera correcta.

Tal y como lo menciona Feynman en su libro: “El principio de la ciencia, casi la definición, es la siguiente: La comprobación de todo conocimiento es el experimento. El experimento es el único juez de la verdad científica”. Debido a la situación social, económica y política de nuestro país, la educación se ha deteriorado enormemente en todos los niveles, la formación en matemática es extremadamente deficiente, al igual que en otras como física y química y no quiero entrar en detalles al respecto. Lo cierto es que usted que está leyendo esta exposición (o al menos eso es lo que yo pienso), deberá de alguna u otra forma subsanar todas esas deficiencias en un tiempo muy breve, siendo realistas, no va a poder hacerlo, pero debe al menos solventar todas las que pueda y a medida que avanza en la carrera, lo cual es mi deseo, iría cubriendo todas aquellas lagunas que siguen en su formación. Un físico más que un docente es un científico y eso debe tenerlo muy claro el estudiante ahora y siempre.

Física básica

Todo lo se estudia en física se presenta de diferentes maneras y con una variedad de atributos muchas veces extraños a nuestra intuición. Por ejemplo, imagine que está en la playa de Caimare Chico, en el golfo de Venezuela, allí podemos observar el agua
del mar, escuchar y sentir el viento contra nosotros, ver las nubes, el sol, el cielo azul, la arena. Allí en ese ecosistema también hay animales, algas, hambre, enfermedad y obviamente está usted, el observador de la playa con sus sentimientos y pensamientos.

Entonces el observador, que es una persona inteligente, comienza a hacerse preguntas tales como ¿es la arena diferente a las rocas?, ¿no será que la arena son una gran cantidad de rocas de tamaño diminuto?, ¿será la tierra misma una gran roca al igual que todos los planetas y sus satélites que los circundan?, ¿será posible que si entendemos las rocas podremos entender a todos los planetas y satélites del universo?, ¿es el viento la salpicadura del aire simular a la salpicadura del agua?, ¿en qué se parece un movimiento a otro?,¿en qué se parece un sonido a otro?, ¿cuántos colores diferentes existen?, ¿que es el calor?, ¿qué es el frío?, y así sucesivamente pueden surgir en la mente inquieta del observador miles y miles de presuntas y se puede atrever a analizar poco a poco todas las cosas y enlazar algunas que parecían disímiles, todo esto lo hace con la esperanza de reducir al mínimo la cantidad de cosas diferentes con el fin último de comprenderlas mejor.

Los físicos, al igual que todo científico, usan algo llamado Método Científico, el cual consiste en términos generales en lo siguiente:

Como dijimos anteriormente, es necesario que tengamos un pensamiento crítico, es decir, debemos hacernos preguntas relacionadas con lo que estamos tratando de entender, en este caso podemos preguntarnos ¿qué queremos decir cuando decimos que comprendemos algo?

Para entender mejor lo que queremos decir, hagamos una analogía con el juego de ajedrez, en este caso solo podemos observar en juego el cual es jugado por la naturaleza. Supongamos también que no conocemos las reglas del juego. Entonces sí observamos pacientemente y con atención podríamos ocasionalmente darnos cuenta de algunas reglas, sin embargo, aun si conociéramos todas las reglas del juego, no necesariamente estaríamos en condiciones de saber por qué razón se hace un movimiento particular en el juego, ya que es demasiado complicado para nuestra limitada inteligencia. En el ajedrez, por ejemplo, podemos saber todas las reglas del mismo, sin embargo, es a veces difícil tomar la mejor decisión en una jugada al mover una pieza, y más aún saber por qué nuestro contrincante mueve una pieza de una forma determinada que nos parecerá desconcertante. Pues así más o menos es la naturaleza, de hecho, es muchísimo más complicada que eso.

Hoy en día no tenemos todas las reglas del juego y lo que podemos explicar con las reglas que conocemos es muy limitado, debemos entonces tartar de entender las cosas básicas con esas reglas que conocemos. ¿Cómo podemos saber si esas reglas que conocemos son realmente correctas?, para responder a esta pregunta existen tres formas:

1. Existen situaciones en que la naturaleza se las arregla (o quizá somos nosotros los que la arreglamos) para ser simple y tener una cantidad de partes tan pequeña que nos permite predecir con muchísima exactitud lo que va a suceder y de esta manera
   podemos comprobar como funcionan nuestras reglas.

2. Podemos tener un conjunto de reglas menos específicas derivadas de otras. Por ejemplo, sí, volveos al juego de ajedrez, por ejemplo, el movimiento del alfil, sabemos que siempre es en diagonal, y que siempre estará en un cuadro blanco, esto sucede y lo entendemos sin necesidad de saber todos los detalles del movimiento del alfil; podemos comprobar siempre que esta pieza estará en un cuadro blanco, por consiguiente debe estar allí durante largo tiempo, pero repentinamente un día nos encontramos con la sorpresa de que el bendito alfil está en un cuadro negro, en este caso lo que sucedió fue que dicha pieza fue capturada por un peón que llegó a ser coronado y se convirtió en un alfil sobre un cuadro negro. Precisamente así suceden las cosas en el mundo de la física, es decir, por mucho tiempo podemos tener una regla que rige algo, y esta es una regla excelente, incluso cuando no podemos apreciar detalles, y luego esta regla no funciona y conseguimos otra más general que la anterior.

Un ejemplo de lo anterior son las leyes del movimiento de Newton, todo funciona bien hasta que un objeto llega a moverse a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, 3x108 m s−1, entonces estas leyes no funcionan y debemos encontrar una ley más general, para este caso, la teoría especial de la relatividad de Albert Einstein. Sobre la base de esto podemos decir que en la física básica, los fenómenos más interesantes se encuentran en esas partes que son nuevas, es decir, esas donde las reglas no funcionan, y de esta manera tenemos que descubrir reglas nuevas.

3 Hay otra forma de entender y descubrir las reglas del juego es una que es bastante osada y algo tosca, esta es, conseguir las reglas de “foma aproximada”, esta manera de hallar reglas es la más poderosa que hay. Aunque no podamos saber por qué Pedro
mueve una pieza en particular de una manera determinada, si podemos saber que está jugando sus piezas alrededor de un rey para evitar que sea capturado, ya que es lo más probable y sensato en las circunstancias en que se observan los movimientos.

De una manera similar podemos comprender ciertos comportamientos de la naturaleza, sin necesidad de ser capaces de ver que hacen las demás piezas en términos de nuestra comprensión del juego.
Al principio los fenómenos de la naturaleza se clasificaron en clases, tales como, el calor,la electricidad, la mecánica, el magnetismo, los fenómenos químicos, la luz o la óptica, los rayos X, la física nuclear, la gravitación, los fenómenos mesónicos(relacionados con una partícula llamada mesón), y otros más. Sin embargo, los físicos lo que queremos es ver la naturaleza como un todo con diferentes aspectos de un conjunto único de fenómenos. Este es el problema con el que han batallado los físicos teóricos, desde hace muchos años, amalgamar u unir todas las leyes de la naturaleza en una teoría del todo, sin embargo, hasta los mementos solo se ha podido hacer con algunos campos de la física, como unir la mecánica con el calor, resulta que cuando los átomos están en movimiento producen calor y mientras más movimiento haya más calor habrá en el sistema que componen los átomos, de tal manera, que los efectos térmicos se pueden explicar totalmente con las leyes del moviendo, es decir con la mecánica de las leyes de Newton.

Otra unión colosal fue la de la electricidad, el magnetismo y la luz, las cuales son diferentes aspectos de una misma cosa llamada campos electromagnéticos. De igual manera, los fenómenos químicos se podían explicar con la física del átomo que conforma las moléculas. podemos citar también la unión de la teoría especial de la relatividad y la mecánica cuántica. Hoy en día hay una búsqueda frenética por unir la mecánica cuántica con la gravitación.

¿Será posible algún día unificar todo en una sola teoría y descubrir que la naturaleza representa aspectos diferentes de algo único?, la respuesta a esta pregunta nadie la sabe,todo lo que sabemos es que si seguimos observando, analizando y estudiando incesantemente y con ahínco podemos encontrar algunas partes que se pueden amalgamar una con otras, pero también conseguimos que otras no se pueden enlazar, no se pueden unir, pero seguimos, seguimos y seguimos tratando de armar este fabuloso, interesante y misterioso mundo de la naturaleza, que parece muchas veces esconder sus secretos, algunos han sido descubiertos, pero otros permanecen allí, ocultos y sin resolver.

De tal manera querido lector y nuevo estudiante de física, lo que deseo yo con este curso de física general 1 es poder saber hasta donde se ha avanzado en este proceso de unificación y cuál es la situación que se presenta actualmente en la comprensión de los problemas fundamentales y hacer esto con un conjunto reducido de principio y leyes. Sean bienvenidos a este mundo del conocimiento que lo llenará de emociones y satisfacciones, pero también de decepciones y fracasos. Deben siempre recordar que la física es como la vida, y si usted quiere ser un físico de verdad, debe comprometerse con usted mismo a caminar este sendero lleno de obstáculos y pendientes muy empinadas.

Recuerde también algo muy importante, y es que debe disfrutar el camino al máximo, ya la meta llegará, pero vea y sienta ese camino que lo llevará al éxito, es decir, a convertirse en un verdadero físico.