El propósito de la física es proporcionar un entendimiento del mundo material mediante el desarrollo de teorías que surgen de observaciones experimentales. Una teoría física, por lo general expresada de manera matemática, describe cómo funciona un sistema físico. La teoría establece ciertas predicciones respecto al sistema físico que pueden ser verificadas después. Si las predicciones que se producen corresponden fielmente a lo que se observa en la realidad, entonces se establece la teoría, aunque permanezca provisional. Actualmente ninguna teoría ha proporcionado una descripción completa de todo fenómeno físico, incluso dentro de una determinada subdisciplina de la física. Cada teoría es una obra de mejoramiento.

Las leyes fundamentales de la física incluyen cantidades físicas como fuerza, velocidad, volumen y aceleración, las cuales se describen en términos de cantidades básicas. En mecánica, son convención las tres cantidades longitud (L), masa (M) y tiempo (T); las otras cantidades físicas pueden ser estructuradas a partir de estas tres.

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Estándares de longitud, masa y tiempo

Para reportar el resultado de una medida de cierta cantidad física, debe definirse una unidad para la cantidad. Si, por ejemplo, se define la unidad básica de longitud que sea 1.0 metro y alguna persona que está familiarizada con el sistema de medida reporta que una pared es de 2.0 metros de alto, entonces la altura de la pared es dos veces la unidad básica de longitud. De la misma manera, si la unidad básica de la masa se define como 1.0 kilogramo y se dice que una persona tiene una masa de 75 kilogramos, entonces la persona tiene una masa 75 veces más grande que la unidad básica de masa.

En 1960 una comisión internacional coincidió en un sistema patrón de unidades para las cantidades básicas de la ciencia, denominado SI (Sistema Internacional). Sus unidades de longitud, masa y tiempo son el metro, kilogramo y segundo, respectivamente.

Longitud

El metro, símbolo m, es la unidad SI de longitud. Se define al fijar el valor numérico de la velocidad de la luz en el vacío, c, en 299 \ 792 \ 458, cuando se expresa en la unidad m \ s^{-1}, donde el segundo se define en función de la frecuencia del \Delta \nu_{Cs}.

Masa

El kilogramo, símbolo kg, es la unidad SI de masa. Se define al fijar el valor numérico de la constante de Planck, h, en 6,626 \ 070 \ 15 \times 10^{-34}, cuando se expresa en la unidad J \ s, igual a kg \ m^2 \ s^{-1}, donde el metro y el segundo se definen en función de c y \Delta \nu_{Cs}.

Tiempo

El segundo, símbolo s, es la unidad SI de tiempo. Se define al fijar el valor numérico de la frecuencia de la transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio 133, \Delta \nu_{Cs}, en 9 \ 192 \ 631 \ 770, cuando se expresa en la unidad Hz, igual a s^{-1}.

Longitud (m)
Distancia de la Tierra a las galaxias normales conocidas más alejadas4 \times 10^{25}
Distancia de la Tierra a la estrella más cercana (Próxima Centauri)4 \times 10^{16}
Un año luz9 \times 10^{15}
Radio orbital promedio de la Tierra alrededor del Sol2 \times 10^{11}
Distancia promedio de la Tierra hacia la Luna4 \times 10^8
Radio promedio de la Tierra6 \times 10^6
Altitud representativa de satélites orbitando la Tierra2 \times 10^5
Longitud de un campo de fútbol9 \times 10^1
Tamaño de las partículas de polvo más pequeñas1 \times 10^{-4}
Diámetro del átomo de hidrógeno1 \times 10^{-10}
Diámetro del núcleo atómico1 \times 10^{-14}
Diámetro del protón1 \times 10^{-15}
Tabla 1. Valores de longitudes observadas
Masa (kg)
Universo observable1 \times 10^{52}
Vía Láctea7 \times 10^{41}
Sol2 \times 10^{30}
Tierra6 \times 10^{24}
Luna7 \times 10^{22}
Tiburón1 \times 10^2
Humano7 \times 10^1
Rana1 \times 10^{-1}
Mosquito1 \times 10^{-5}
Bacteria1 \times 10^{-15}
Átomo de hidrógeno2 \times 10^{-27}
Electrón9 \times 10^{-31}
Tabla 2. Valores de masas

Valores aproximados de longitud, masa e intervalos de tiempo

Los valores aproximados de algunas longitudes, masas e intervalos de tiempo se mencionan en las tablas 1, 2 y 3, respectivamente. Observe la amplia escala de valores. Estudie estas tablas para tener una idea de un kilogramo de masa, un intervalo de tiempo de 10^{10} segundos (un siglo es casi 3 \times 10^9 segundos) o dos metros de longitud (la altura aproximada de un pivot en el equipo de baloncesto). En el apéndice A revise la notación en potencias de 10, tal como la expresión del número 50 \ 000 en la forma 5 \times 10^4.

Intervalo de tiempo (s)
Edad del Universo5 \times 10^{17}
Edad de la Tierra1 \times 10^{17}
Edad de estudiante universitario6 \times 10^8
Un año3 \times 10^7
Un día9 \times 10^4
Periodo de la órbita de la ISS5 \times 10^4
Tiempo que tarda la luz del Sol en llegar a la Tierra5 \times 10^2
Tiempo en recorrer 100 m por un atleta1 \times 10^1
Tiempo entre pulsos normales del corazón8 \times 10^{-1}
Periodo de ondas audibles1 \times 10^{-3}
Periodo de ondas de radio representativas1 \times 10^{-6}
Periodo de vibración del átomo en un sólido1 \times 10^{-13}
Periodo de ondas de luz visible2 \times 10^{-15}
Duración de una colisión nuclear1 \times 10^{-22}
Tiempo necesario para que la luz viaje a través de un protón3 \times 10^{-24}
Tabla 3. Valores de intervalos de tiempo
PotenciaPrefijoAbreviatura
10^{-18}ato-a
10^{-15}femto-f
10^{-12}pico-p
10^{-9}nano-n
10^{-6}micro-\mu
10^{-3}mili-m
10^{-2}centi-c
10^{-1}deci-d
10^1deca-da
10^3kilo-k
10^6mega-M
10^9giga-G
10^{12}tera-T
10^{15}peta-P
10^{18}exa-E
Tabla 4. Prefijos
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