Anex:Conceptes físics fonamentals

Els conceptes físics fonamentals són aquells que apareixen en tota teoria física de la matèria, i per tant són conceptes que apareixen en teories físiques molt diferents que van des de la mecànica clàssica a la teoria quàntica de camps passant per la teoria de la relativitat i la mecànica quàntica no-relativista. El caràcter fonamental d'estos conceptes es reflectix precisament en que estan presents en tota teoria física que descriga raonablement la matèria, en independència dels supòsits i simplificació introduïdes.

En general un concepte físic és interpretable solament en virtut de la teoria física a on apareix. Aixina la descripció clàssica d'un gas o un decorregut recorre al concepte de mig continu aun cuando en realitat la matèria està formada per àtoms discrets, això no impedix que el concepte de mig continu en el context d'aplicació de la mecànica de decorreguts o la mecànica de sòlits deformables no siga útil. Igualment la mecànica newtoniana tracta el camp gravitatorio com un camp de forces, pero per una atra part la teoria de la relativitat general considera que no existixen genuinamente forces gravitatorias sino que els fenomens gravitatorios són una manifestació de la curvatura de l'espai-temps.

Si s'examina una llista llarga de conceptes físics ràpidament s'aprecia que molts d'ells solament tenen sentit o són definibles en tot rigor en el context d'una teoria concreta i per tant no són conceptes fonamentals que deguen aparéixer en qualsevol descripció física de l'univers. No obstant, un conjunt reduït de conceptes físics apareixen tant en la descripció de la física clàssica, com en la descripció de la física relativista i la de la mecànica quàntica. Estos conceptes físics que semblen necessaris en qualsevol teoria física suficientment àmplia són els cridats conceptes físics fonamentals, una llista no exhaustiva dels mateixos podria ser: espai, temps, energia, massa, càrrega elèctrica, etc.

Magnituts fonamentals de la física

Una magnitut física fonamental és aquella que apareix en la caracterisació d'un sistema físic en independència de la teoria física general elegida. Els sistemes físics presenten canvis a lo llarc del temps i tenen localisació en l'espai. que els sistemes físics presenten eixes característiques de localisació en l'espai i evolució en el temps se'ls poden assignar magnituts físiques relacionades en simetria associades a la geometria de l'espai i el temps, estes són:

• Energia, l'energia total d'un sistema pot definir-se a partir de l'objecte fonamental que descriu dit sistema el lagrangiano. Quan les equacions de moviment que es poden derivar a partir de dit lagrangiano són idèntiques per a qualsevol instant de temps considerat, llavors l'energia total permaneix constant i pot establir-se una llei de conservació de l'energia para dit sistema.
• Energia cinètica, casi tots els sistemes físics consten de parts aislables o localisades que interactuen entre elles, l'energia cinètica és una magnitut associada al moviment de cada una d'estes parts. Normalment l'energia cinètica no és una magnitut conservada o fixa perque en la seua evolució temporal els sistemes poden sofrir canvis que fan que l'energia menys l'energia cinètica (energia d'interacció) no permaneixca constant. L'energia cinètica és una magnitut important tant en la mecànica clàssica, com la mecànica relativista, com en la mecànica quàntica no relativista.

Si es considera l'acció de grups de simetria sobre un espai-temps poden definir-se algunes magnituts fonamentals més com:

• Moment angular, està associada a rotacions, quan el sistema presenta invariancia baix transformacions de rotació llavors pot definir-se una llei de conservació del moment angular, associada al fet de que certa magnitut permaneix invariable a lo llarc de l'evolució del sistema.
• Momentum, està associada a translacions, quan el sistema presenta invariancia baix translacions llavors pot definir-se una llei de conservació del momentum, associada al fet de que certa magnitut permaneix invariable a lo llarc de l'evolució del sistema.

Atres dos propietats importants són:

• Massa, encara que en mecànica clàssica li la tracta com una magnitut conservada, la seua conservació és només aproximada, i en el restant de teories físiques, només la massa de les partícules fonamentals sembla tindre una significació física important, de fet, totes les partícules del mateix tipo sempre tenen la mateixa massa, lo que es reflectix que el lagrangiano que descriu dites partícules conté un terme associat a eixa massa sempre de la mateixa forma.
• Càrrega elèctrica, en tots els sistemes físics coneguts és una magnitut conservada, associada a certa simetria interna, no associada, per tant, a relacions purament geomètriques de l'espai-temps.

Una magnitut de caràcter estadístic sobre l'estructura del sistema és la:

• Entropía, una atra propietat estadística important que apareix en sistemes formats per un número molt gran de partícules és la entropía, que apareix tant en mecànica estadística clàssica com en mecànica estadística quàntica.

Entitats físiques

• Espai-temps. L'entitat més important en física està constituïda per les relacions geomètriques i de variació a lo llarc de l'espai i el temps de les propietats físiques mesurables. Totes eixes propietats es comprenen ben introduint una entitat abstracta coneguda com espai-temps. Les diverses teories físiques modelizan les relacions espacials i temporals de diferent manera, aixina en mecànica clàssica les relacions temporals són absolutes (vore temps absolut), per lo que en les relacions espacials i temporals són idèntiques per a qualsevol observador. En mecànica relativista, no obstant, no pot definir-se un espai i un temps únic percebut per igual per tots els observadors, sino simplement una entitat cuatridimensional més abstracta coneguda com a espai-temps. En teoria quàntica de camps depenent de l'enfocament existixen diverses maneres de concebre l'espai-temps, pero per l'inexistència d'una teoria de la gravetat quàntica adequada no existix un model genuinamente quàntic d'espai-temps. A partir del concepte d'espai-temps poden construir-se atres entitats i conceptes geomètrics derivats com: espai, temps, posició, velocitat, etc.
• Matèria. L'atra entitat física important està formada per tots aquells fenomens que es propaguen, desenrollen o tenen lloc dins de l'espai-temps, és dir, tots els fenomens físics somesos a relacions espai-temporals. Les manifestacions físiques dins de l'espai-temps es coneixen genèricament com matèria. I existixen diverses maneres de modelizar la matèria segons el tipo de problema físic.

Construccions teòriques fonamentals

El desenroll històric de la física teòrica ha dut a formular conceptes generals i a construir objectes matemàtic-formals per a l'estudi dels sistemes físics. Encara que cada teoria física diferix en la seua formulació concreta, ya que pretenen explicar fets experimentals en diferent nivell de profunditat o enfocament, existixen alguns conceptes comuns a totes les teories físiques:

• Estat físic és el conjunt de magnituts que es descriuen maximalment com és o com es comporta un sistema físic en un cert moment.
• Equació de moviment, els canvis de l'estat físic a lo llarc del temps estan governats per les equacions de moviment o lleis d'evolució temporal. Establir les lleis d'evolució temporal requerix fer algunes observacions experimentals sobre com es comporta un sistema, i teorizar sobre l'existència de certs invariantes, per a poder construir el cridat lagrangiano, a partir del com es poden derivar per mig de les equacions de Euler-Lagrange les equacions del moviment.
• Lagrangiano és l'objecte físic fonamental que permet descriure cóm es canviarà l'estat físic d'un sistema a mida que evolucione en el temps. La construcció d'un lagrangiano adequat per a un sistema físic no és trivial. Modernamente és comú postular diferents formes de lagrangianos i vore cuales són les conseqüències físiques que es deriven d'una i una atra forma, lo que permet decidir, per mig de l'observació quina lagrangianos poden descriure adequadament certs sistemes.

• Acció és un escalar, que resulta de l'integració del lagrangiano sobre una subregión d'una varietat o subvariedad invariante per a qualsevol observador. En mecànica clàssica per a problemes en un número finito de graus de llibertat esta subvariedad d'integració és unidimensional (temps), mentres que per a sistemes en un número no finito de graus de llibertat es requerix una integració sobre una regió de l'espai-temps de volum no nul. Bàsicament l'acció i el lagrangiano contenen el mateix tipo d'informació sobre un sistema físic.
• Llei de conservació, quan el lagrangiano o les equacions de moviment presenten certa propietat de simetria o invariancia baix un conjunt de transformacions, sempre pot identificar-se alguna magnitut física que permaneix invariante a lo llarc de l'evolució temporal del sistema.

Referències

• L. Landau & E. Lifshitz(1979), Curse Abreviat de Física Teòrica.
• Landau & Lifshitz: Mecànica, Ed. Reverté, Barcelona, 1991. ISBN 84-291-4081-6.
• Landau & Lifshitz, Teoria clàssica dels camps, Ed. Reverté, ISBN 84-291-4082-4.

DX O DX