Ciencias físicas

La física (del latín physica, y este del griego antiguo φυσικός physikós «natural, relativo a la naturaleza»)^[6]​ es la ciencia natural que estudia la naturaleza de los componentes y fenómenos más fundamentales del Universo como lo son la energía, la materia, la fuerza, el movimiento, el espacio-tiempo, las magnitudes físicas, las propiedades físicas y las interacciones fundamentales.^[7]​^[8]​^[9]​

El alcance de la física es extraordinariamente amplio y puede incluir estudios tan diversos como la mecánica cuántica, la física teórica o la óptica.^[10]​ La física moderna se orienta a una especialización creciente, donde las investigaciones y los grupos de investigación, tienden a enfocar áreas particulares más que a ser universalistas, como lo fueron Albert Einstein o Lev Landau, que trabajaron en una multiplicidad de áreas.^[11]​^[12]​^[13]​

La física es tal vez la más antigua de todas las disciplinas académicas, ya que la astronomía es una de sus subdisciplinas, y tanto ésta como la aplicación de las matemáticas al estudio de la naturaleza, también comenzó hace más de dos mil años con los primeros trabajos de filósofos griegos.^[14]​^[15]​^[16]​ En los últimos dos milenios, la física fue considerada parte de lo que ahora llamamos filosofía, química y ciertas ramas de las matemáticas y la biología, pero durante la revolución científica en el siglo XVII se convirtió en una ciencia moderna, única por derecho propio.^[17]​^[18]​ Sin embargo, en la actualidad la interdisciplinariedad, especialmente en algunas esferas de la física, química y matemática, han dado lugar tanto a avances, como a ramas difusas, como la química cuántica, por lo que los límites de la física con otras ramas de la ciencia tienden a ser cada vez más difíciles de distinguir, y hacia la unidad de la ciencia.^[19]​^[20]​^[21]​^[22]​^[23]​^[24]​^[25]​^[26]​ La formulación de las teorías sobre las leyes que gobiernan el Universo, como se indicaba, ha sido un objetivo central de la física desde tiempos remotos, con la filosofía griega, y antecedentes de aplicación del método científico como los de Arquímedes, y, actualmente, la filosofía del empleo sistemático de experimentos cuantitativos de observación y prueba como fuente de verificación. La clave del desarrollo histórico de la física incluye hitos como la ley de la gravitación universal y la mecánica clásica de Newton, la comprensión de la naturaleza de la electricidad y su relación con el magnetismo de Faraday , la teoría de la relatividad especial y teoría de la relatividad general de Einstein, el desarrollo de la termodinámica con James Prescott Joule y Sadi Carnot y el modelo de la mecánica cuántica a los niveles de la física atómica y subatómica con Louis-Victor de Broglie, Heisenberg y Erwin Schrödinger.^[27]​

Esta disciplina incentiva competencias, métodos y una cultura científica que permitan comprender nuestro mundo físico, para luego actuar sobre él, incluso hubo intentos para aplicar conceptos de las nuevas teorías emergentes de principios del siglo XX a la observación e investigación de la realidad.^[28]​ Sus procesos cognitivos se han convertido en protagonistas del saber y hacer científico y tecnológico general, ayudando a conocer, teorizar, experimentar y evaluar actos dentro de diversos sistemas, clarificando causa y efecto en numerosos fenómenos, mediante el empleo del método científico y principalmente de la metodología experimental y positivista, con un amplio auge a partir del trabajo conjunto entre diversas ramas, y, especialmente, entre la física y la tecnología (cuando se ha logrado).^[17]​^[19]​^[20]​^[29]​^[30]​

De esta manera, se puede considerar con cierta seguridad y carácter de verdad, que la física contribuye a la ciencia, a la conservación y preservación de recursos, y al desarrollo y el avance tecnológico, social y cultural, facilitando la toma de conciencia y la participación efectiva y sostenida de la sociedad en la resolución de sus propios problemas.^[17]​^[31]​^[32]​^[33]​

Como toda ciencia, la Física busca que sus conclusiones puedan ser verificables y replicables mediante experimentos, es decir, se vale del método científico para poder establecer relaciones de causalidad (fundamentalmente en este caso) y también correlaciones, permitiendo demostrar sus teorías y explicar las observaciones. De este modo se pretende que pueda realizar predicciones de experimentos futuros basados en observaciones previas. Sin embargo, dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico con relación a otras ciencias, se la puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos, al tratar de explicar las leyes fundamentales de la naturaleza.^[34]​^[35]​^[36]​

Se puede afirmar, pues, que la física no es solo una ciencia teórica; es también una ciencia experimental,^[34]​ y, en su intento de describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, ha llegado a límites impensables: el conocimiento actual abarca desde la descripción de partículas fundamentales microscópicas^[37]​^[38]​ hasta el nacimiento de las estrellas en el universo^[39]​^[40]​^[41]​ e incluso el poder conocer con una gran probabilidad lo que aconteció en los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo,^[42]​^[43]​^[44]​por citar unos pocos campos.

Para poder probar sus teorías, así como por las dificultades que muchas veces entraña y las discusiones que han tenido lugar y han partido de la física teórica,^[45]​^[46]​^[47]​^[48]​^[49]​se han valido de instrumentos e ingenios diversos,^[50]​^[51]​^[52]​^[53]​^[54]​ así como de los avances matemáticos,^[36]​^[55]​^[56]​^[57]​ pero también han dado lugar y propiciado el desarrollo de nuevos avances tecnológicos. Por ejemplo, los avances en la comprensión del electromagnetismo, la física del estado sólido y la física nuclear llevaron directamente al desarrollo de nuevos productos que transformaron la sociedad actual, como la televisión, las computadoras, los electrodomésticos y las armas nucleares; los avances en termodinámica llevaron al desarrollo de la industrialización; y los avances en mecánica inspiraron el desarrollo del cálculo.^[17]​^[18]​^[57]​^[58]​

La química es la ciencia natural que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, ya sea en forma de elementos, especies, compuestos, mezclas u otras sustancias, así como los cambios que estas experimentan durante las reacciones y su relación con la energía química.^[59]​ Linus Pauling la definió como la ciencia que estudia las sustancias, su estructura (tipos y formas de acomodo de los átomos), sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias en referencia con el tiempo.^[60]​ La química, a través de una de sus ramas conocida como química supramolecular, se ocupa principalmente de las agrupaciones supratómicas, como son los gases, las moléculas, los cristales y los metales, estudiando su composición, propiedades estadísticas, transformaciones y reacciones; si bien la química general también incluye la comprensión de las propiedades e interacciones de la materia a escala atómica.

La química es llamada a menudo «ciencia central» por su papel de conexión en las otras ciencias naturales, relacionándose con la física por medio de la fisicoquímica, la biología mediante la bioquímica, la astronomía a través de la astroquímica, la geología por vía de la geoquímica, entre otras. La mayor parte de los procesos químicos se pueden estudiar directamente en el laboratorio, usando una serie de técnicas, a menudo bien establecidas, tanto de manipulación de materiales como de comprensión de los procesos subyacentes. Una aproximación alternativa es la proporcionada por las técnicas de modelado molecular, que extraen conclusiones de modelos computacionales.

La química moderna se desarrolló a partir de la alquimia, una práctica protocientífica de carácter esotérico, pero también experimental, que combinaba elementos de química, física, biología, metalurgia, farmacéutica, entre otras disciplinas. Esta fase termina con la revolución química, con el descubrimiento de los gases por Robert Boyle, la ley de conservación de la materia y la teoría de la combustión por oxígeno, postuladas por el científico francés Antoine Lavoisier.^[61]​ La sistematización se hizo patente con la creación de la tabla periódica de los elementos y la introducción de la teoría atómica, cuando los investigadores desarrollaron una comprensión fundamental de los estados de la materia, los iones, los enlaces químicos y las reacciones químicas. Desde la primera mitad del siglo XIX el desarrollo de la química lleva aparejado la aparición y expansión de una industria química de gran relevancia en la economía y la calidad de vida actuales.

Las disciplinas de la química se agrupan según la clase de materia bajo estudio o el tipo de estudio realizado. Entre estas se encuentran la química inorgánica, que estudia la materia inorgánica; la química orgánica, que estudia la materia orgánica; la bioquímica, que estudia las sustancias existentes en organismos biológicos; la fisicoquímica que comprende los aspectos estructurales y energéticos de sistemas químicos a escalas macroscópica, molecular y atómica, y la química analítica, que analiza muestras de materia y trata de entender su composición y estructura mediante diversos estudios y reacciones.

La astronomía (del griego άστρον [ástron] 'estrella' y νομία [nomía] 'normas', 'leyes de las estrellas')^[62]​ es la ciencia natural que estudia los cuerpos celestes del universo, incluidos las estrellas, los planetas, sus satélites naturales, los asteroides, cometas y meteoroides, la materia interestelar, las nebulosas, la materia oscura, las galaxias y demás; por lo que también estudia los fenómenos astronómicos ligados a ellos, como las supernovas, los cuásares, los púlsares, la radiación cósmica de fondo, los agujeros negros, entre otros, así como las leyes naturales que las rigen. La astronomía, asimismo, abarca el estudio del origen, desarrollo y destino final del universo en su conjunto mediante la cosmología, y se relaciona con la física a través de la astrofísica, la química con la astroquímica y la biología con la astrobiología.

Su registro y la investigación de su origen viene a partir de la información que llega de ellos a través de la radiación electromagnética o de cualquier otro medio. La mayoría de la información usada por los astrónomos es recogida por la detección remota, aunque se ha conseguido reproducir, en algunos casos, en laboratorios, la ejecución de fenómenos celestes, como, por ejemplo, la química molecular del medio interestelar. Es una de las pocas ciencias en las que los aficionados aún pueden desempeñar un papel activo, especialmente sobre el descubrimiento y seguimiento de fenómenos como curvas de luz de estrellas variables, descubrimiento de asteroides y cometas, etc...

La astronomía ha estado ligada al ser humano desde la antigüedad y todas las civilizaciones han tenido contacto con esta ciencia. Personajes como Aristóteles, Tales de Mileto, Anaxágoras, Aristarco de Samos, Hiparco de Nicea, Claudio Ptolomeo, Hipatia de Alejandría, Nicolás Copérnico, Tycho Brahe, Johannes Kepler, Galileo Galilei, Christiaan Huygens o Edmund Halley han sido algunos de sus cultivadores. La metodología científica de este campo empezó a desarrollarse a mediados del siglo XVII. Un factor clave fue la introducción del telescopio por Galileo Galilei, que permitió examinar el cielo de la noche más detalladamente. El tratamiento matemático de la Astronomía comenzó con el desarrollo de la mecánica celeste y con las leyes de gravitación por Isaac Newton, aunque ya había sido puesto en marcha por el trabajo anterior de astrónomos como Johannes Kepler. Hacia el siglo XIX, la astronomía se había desarrollado como una ciencia formal, con la introducción de instrumentos tales como el espectroscopio y la fotografía, que permitieron la continua mejora de telescopios y la creación de observatorios profesionales.^[63]​

La geología (del griego γῆ /guê/, 'Tierra', y -λογία /-loguía/, 'tratado')^[64]​^[65]​ es la ciencia natural que estudia la composición y estructura tanto interna como superficial del planeta Tierra, y los procesos por los cuales ha ido evolucionando a lo largo del tiempo geológico.^[66]​

La misma comprende un conjunto de geociencias, así conocidas actualmente desde el punto de vista de su pedagogía, desarrollo y aplicación profesional. Ofrece testimonios esenciales para comprender la tectónica de placas, la historia de la vida a través de la paleontología, y cómo fue la evolución de esta, además de los climas del pasado. En la actualidad, la geología tiene una importancia fundamental en la exploración de yacimientos minerales (minería) y de hidrocarburos (petróleo y gas natural), y la evaluación de recursos hídricos subterráneos (hidrogeología). También tiene importancia fundamental en la prevención y entendimiento de fenómenos naturales como remoción de masas, en general terremotos, tsunamis, erupciones volcánicas, entre otros. Aporta conocimientos clave en la solución de problemas de contaminación medioambiental, y provee información sobre los cambios climáticos del pasado. Juega también un rol importante en la geotecnia y la ingeniería civil.

La geología incluye ramas como la geofísica, la tectónica, la geología estructural, la estratigrafía, la geología histórica, la hidrogeología, la geomorfología, la petrología y la edafología.

Aunque la minería y las piedras preciosas han sido objeto del interés humano a lo largo de la historia de la civilización, su desarrollo científico dentro de la ciencia de la geología no ocurrió hasta el siglo XVIII. El estudio de la Tierra, en especial la paleontología, floreció en el siglo XIX, y el crecimiento de otras disciplinas, como la geofísica con la teoría de las placas tectónicas en los años 60, que tuvo un impacto sobre las ciencias de la Tierra similar a la teoría de la evolución sobre la biología.

Por extensión, se aplica al estudio del resto de los cuerpos y materia del sistema solar (astrogeología o geología planetaria).