FISÍCA MODERNA

Albert Einstein

Niels bohr

Max Planck

No final do século XIX, as teorias clássicas da física estavam firmemente estabelecidas. Restavam aos físicos realizar medidas mais precisas para as constantes universais e aplicar o conhecimento obtido em tecnologias vindouras.[61] Os "fenômenos rebeldes" consistiam um problema, embora fosse "uma questão de tempo" adequá-las às teorias vigentes. Entretanto, tais "fenômenos rebeldes" se tornaram um imenso desafio para física no final do Século XIX e no início do Século XX.[61]
Entre os "fenômenos rebeldes", destacavam-se a radiação de corpo negro,[61][62] o efeito fotoelétrico[61][63] e o espectro de raias dos elementos.[61][64] Max Planck, em 1900, em uma tentativa de dar suporte matemático à radiação de corpo negro, propôs a tese de que havia uma limitação energética na vibração dos osciladores causadores da radiação; um oscilador não poderia vibrar com qualquer energia, mas apenas com algumas energias "demarcadas", ou seja, discretas, sendo que seus valores seriam múltiplos de números naturais. As regiões discretas de energia ficaram conhecidas como quanta de energia. A energia desses quanta seria dada pelo produto de um número natural pela frequência e por uma constante universal, que ficou conhecida como a constante de Planck.[61]
Em 1905, Albert Einstein publica cinco artigos no periódico alemão Annalen der Physik, onde apresenta ao mundo todo o início da relatividade e da mecânica quântica. Alcançando o mesmo resultado para a constante de Planck, Einstein explicou também o efeito fotoelétrico e deu argumentações físicas para a existência dos quanta de energia. Postulou também que a velocidade da luz é constante em qualquer referencial inercial.[65] Dez anos mais tarde, Einstein publicou a sua teoria da relatividade geral, estendendo a relatividade para referenciais não-inerciais e para a gravitação.[65]
Em 1924, Louis de Broglie propõe a dualidade onda-partícula para o elétron,[66] e dois anos mais tarde, Erwin Schrödinger publica a sua equação, que é a base da mecânica quântica moderna.[67] No ano seguinte, Werner Heisenberg defende que não se pode mensurar a posição e a velocidade de uma partícula subatômica ao mesmo tempo, estabelecendo o Princípio da Incerteza.[67] No final da década de 40, Richard Feynman desenvolveu a eletrodinâmica quântica, uma das teorias mais precisas já inventadas pelo homem atualmente. Feynman desenvolveu uma das primeiras teorias quânticas de campo[68] e com a idealização e descoberta dos quarks, a cromodinâmica quântica foi elaborada.[69] A eletrodinâmica e a cromodinâmica quântica são as bases de um conjunto de teorias quânticas de campo chamada de modelo padrão, que descreve três das quatro forças fundamentais da Natureza.[70]
Entretanto, o Modelo Padrão não é capaz de descrever a gravitação, alvo de estudos desde o início da ciência moderna, quando Galileu realizou o experimento da queda livre. A gravitação ainda não tem um suporte teórico-experimental enraizado pela física moderna sobre a sua verdadeira causa.[71] A relatividade geral de Einstein entra em conflito com a mecânica quântica e constitui um dos maiores desafios para os Físicos Teóricos e Experimentais atualmente.[72]
[editar]Escopo e objetivos



Fotografia estroboscópica de uma bola de basquete. A energia mecânica da bola ora está sob a forma de energia potencial gravitacional, energia cinética ou energia potencial elástica. A cada quique da bola parte da energia é dissipada na forma de energia térmica e energia sonora
A física estuda a natureza e seus fenômenos em seus aspectos mais essenciais e gerais.[73] Analisa suas relações e propriedades, além de descrever e explicar a maior parte de suas consequências, mas não a sua totalidade, pois a física não é um objeto pronto e acabado, mas sim uma ciência que busca obter respostas para os inúmeros problemas em aberto.[74] Tem como pilares fundamentais o estudo da matéria, energia, espaço e tempo, e deriva destes entes fundamentais e de suas propriedades e relações todo o vasto escopo da física.[75]
Nesta busca por respostas e generalizações, a física tem o apoio do método científico, um conjunto de técnicas e procedimentos com o objetivo de tornar científico o conhecimento produzido, que deve ser validado, corroborado e verificável experimentalmente.[76] Nesse processo há também o apoio da lógica, que permeia o conhecimento produzido e em produção como um conjunto de regras de raciocínio comum a todos e permite que o conhecimento esteja disponível a todos que queiram compreendê-lo e utilizá-lo, validando-o desta forma. O uso da lógica implica o uso de sua linguagem e escrita, a matemática. As regularidades encontradas no conhecimento e fundamentadas pela lógica devem ser expressadas matematicamente, pois os argumentos que as sustentam devem ser corroborados por outros que também utilizam a mesma lógica para a compreensão do conhecimento.[77]
O escopo da física não se restringe às dimensões, pois tudo o que está contido no Universo é seu objeto de estudo, desde as partículas elementares que constroem a matéria até as estrelas, galáxias e o próprio Universo como um todo.[73] Porém, está ciência não é exclusiva na abordagem dos fenômenos naturais, pois suas especificidades e complexidades requerem uma maior atenção de estudo. Os fenômenos mais restritos são geralmente estudados por outras ciências naturais, como a química e a biologia. A física, porém, é conhecida como a ciência fundamental por buscar a essência primordial da natureza e muitas vezes torna-se sinônimo da própria ciência natural. [78]


Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, considerado a obra científica mais influentes de toda a história
Constrói modelos científicos que descrevem o funcionamento da natureza e permitem compreender e prever com a precisão requerida os comportamentos e fenômenos naturais. Porém, tais modelos não conseguem descrever e explicar a natureza em toda sua complexidade, fato inerente aos limites do conhecimento humano.[73] Por ser uma ciência com um escopo tão amplo, costuma-se dividi-la em áreas mais restritas. Tais divisões são históricas e muitas vezes uma área desenvolve-se historicamente de forma independente, como a astronomia.[79][80] Historicamente, a afirmação da física como ciência moderna está intimamente ligada ao desenvolvimento da mecânica clássica, pois desde o advento do Renascimento havia a necessidade de se entender os fenômenos físicos relacionados aos movimentos e forças, e os conhecimentos da época, sobretudo aristotélicos, já não eram mais suficientes. Este panorama começou a ser superado com os estudos de Galileu Galilei e finalizado com a publicação científica mais influente de todas as épocas, o Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, de Isaac Newton.[47] A termodinâmica teve sua origem na invenção das máquinas térmicas[50] e sua consolidação veio com a formulação de seus princípios e a generalização do conceito de energia.[81] A ligação da eletricidade com o magnetismo foi percebida apenas no início do século XIX por Hans Christian Ørsted.[58] As descrições físicas e matemáticas da eletricidade e magnetismo foram unificadas por James Clerk Maxwell,[59] e a partir de então estas duas áreas, juntamente com a óptica, passaram a ser tratadas como visões diferentes do mesmo fenômeno físico, o eletromagnetismo.[59] O início do século XX marca a fronteira entre a física clássica e a física moderna, com as profundas alterações do entendimento científico da época.[82] A incapacidade da descrição e explicação de certos fenômenos observados levantou a necessidade de abrir novos horizontes para a física.[82] Albert Einstein publicou a teoria da relatividade geral em 1915 afirmando a constância da velocidade da luz e suas consequências até então imagináveis. Max Planck, ao estudar a radiação de corpo negro, foi forçado a concluir que a energia está dividida em "pacotes", conhecidos como quanta. Einstein demostrou fisicamente as ideias de Planck, fixando as primeiras raízes da mecânica quântica, a física que descreve e explica fenômenos de dimensões subatômicas.[65] Mesmo estes campos de atuação são muito amplos e são, por sua vez, subdividios em áreas mais restritas.[79][83]


Lâmpada de filamento de carbono, aquecido pela passagem de corrente elétrica (efeito Joule)
Os fenômenos naturais apresentam quase sempre naturezas mais complexas e implicam, portanto, em investigações mais específicas. Surge, então, a necessidade de outras ciências naturais. Tais ciências têm necessariamente a física como ponto de partida, mas o estudo completo das complexidades físicas envolvidas nestes fenômenos torna-se inviável se estas forem abordadas apenas pela física.[84] Por exemplo, a química se dedica ao estudo da matéria e suas mudanças,[85] enquanto a biologia estuda os seres vivos.[86] Para que o estudo de áreas mais específicas fossem aprofundadas, várias ciências mais especializadas se separaram da física com o decorrer dos séculos, para formar campos de estudos autônomos com conhecimentos e metodologias próprios.[87] Embora a física esteja particularmente preocupada com os aspectos da natureza que possam ser entendidos fundamentalmente na forma de leis ou princípios elementares,[73] o advento destas novas ciências não removeu da física o seu objetivo original: entender e explicar a estrutura da natureza e seus fenômenos mesmo em escala de maior complexidade.[73] A teoria da termodinâmica e o consequente desenvolvimento da física estatística é um notório exemplo disto, e conceitos como o de temperatura são indissociáveis ao estudo de qualquer sistema natural, seja complexo ou não.
Um dos principais escopos da física é o estudo das quatro forças fundamentais.[88] Dentro do cotidiano, apenas duas das quatro forças fundamentais são influentes: o eletromagnetismo, que rege praticamente todas as forças que conhecemos e seus respectivos trabalhos, e a gravidade, que age como uma simples força conservativa na superfície terrestre, sendo vertical e apontada para baixo. As forças nucleares forte e fraca praticamente não estão presentes em nosso cotidiano, embora sejam fundamentais para a constituição do próprio Universo.[89][73] O estudo das quatro forças fundamentais constitui a maior aproximação fundamental para o entendimento da Natureza e de seus fenômenos que a ciência oferece.[73]


Feixes de laser
As divisões clássicas da física foram baseadas em classes gerais de fenômenos naturais para os quais uma determinada metodologia da física aplica-se de forma comum. Estas divisões ainda são atuais e tendem a ser usadas cotidianamente.[79] O ensino de física a nível secundário geralmente inicia-se com o estudo da mecânica clássica, seguindo para termodinâmica e para o eletromagnetismo, embora áreas como a cosmologia, a óptica e a física moderna também sejam tratadas.[75] Por outro lado, as divisões ou ramos da física moderna são feitas em acordo com os tipos particulares de estruturas da natureza com qual cada ramo está preocupado.[90] Costuma-se também dividir a física em aplicada e pura. Enquanto a física pura busca produzir conhecimentos sobre os princípios mais fundamentais da natureza sem a intenção de produzir conhecimentos práticos imediatos,[91] a física aplicada busca dar resposta a problemas práticos.[91] As engenharias se aproximam da física aplicada quando buscam resolver problemas de ordem prática, como na aeronáutica, computação, automação, mineralogia, eletrônica, fotônica, acústica, biofísica, topografia, geociências, resistência dos materiais, telecomunicações, hidráulica, metalurgia, entre outras. Entretanto, as fronteiras entre física pura e aplicada podem não ser claras.[91] Enquanto a biofísica se preocupa em produzir conhecimentos de como o olho humano reconhece e codifica a luz visível, tentando produzir sensores que possam substituir a retina para aqueles que não são mais ou nunca foram capazes de enxergar, produz conhecimentos sobre os comportamentos físicos e biológicos de nanopartículas sem ainda ter, entretanto, alguma utilidade prática.
A física se preocupa com o estudo da matéria, energia, espaço e tempo, buscando sempre uma maior precisão e uma maior profundidade no entendimento dos elementos e princípios fundamentais. Também tem, contudo, o objetivo de construir uma teoria unificada expressada em linguagem matemática precisa e corroborada experimentalmente de forma universal, que apresente uma estrutura e um comportamento que permitam que seus modelos científicos sejam capazes de descrever e prever os fenômenos naturais na maneira mais compreensiva e detalhada possível, sejam estes quais forem.[73][91] Em sintonia com este objetivo, a física está caracterizada por uma instrumentação e medições altamente precisas.[92] Outras ciências naturais estão preocupadas em descrever e relatar os fenômenos em seus conceitos peculiares restritos às suas próprias disciplinas, mas a física sempre busca entender o mesmo fenômeno como uma manifestação especial de uma estrutura uniforme e superior da natureza como um todo.[73]
[editar]Divisões



Um transferidor de plástico observado por uma lente que polariza a luz. Através da luz polarizada pode-se perceber as regiões de tensão do plástico, marcadas em roxo, azul e verde. Nestas regiões o plástico está mais propenso a quebrar. O estudo da luz, que é uma radiação eletromagnética, é abordado pela óptica
O escopo muito amplo da física é abordado por vários campos de estudo que podem se diferir muito entre si. Tais divisões têm fundamentações históricas, e muitas áreas surgiram de forma independente.[79] O próprio início da física clássica, durante a revolução científica está grandemente associada ao início da mecânica clássica.[93]
Existem várias formas de dividir esta ciência tão ampla. Considera-se o início da física clássica e independente os estudos de Galileu Galilei.[93] O paradigma de René Descartes, uma visão mecanicista da ciência onde o mundo natural é uma maquina sem espiritualidade e, portanto, deve ser dominada pela inteligência humana e ser posta a seu serviço, permeou a produção e desenvolvimento científicos até o início do século XX,[94] quando o entendimento científico foi modificado profundamente pelo advento dos fundamentos da relatividade e da mecânica quântica, em um mundo onde o tempo pode se dilatar e as partículas elementares não são mais pontuais e locais e comportam ora como onda, ora como partícula.[95][96] Esta época delimita a fronteira entre a física clássica e a física moderna.[97]
As divisões clássicas da física, antes do início do século XX, foram baseadas em classes gerais de fenômenos naturais para os quais uma determinada metodologia da física aplica-se de forma comum.[79] É a forma de divisão mais tradicional, pois considera-se as propriedades dos fenômenos estudados: os movimentos e forças são objeto de estudo da mecânica, a curiosidade acerca do calor e suas propriedades criou um plano de fundo para o surgimento da termodinâmica. A eletricidade, o magnetismo e a óptica surgiram de forma independente, mas foram integradas durante meados do século XIX ao serem consideradas apenas visões diferentes de um mesmo fenômeno muito mais amplo, o eletromagnetismo.
As divisões da física moderna são feitas em acordo com os tipos particulares de estruturas da natureza com qual cada ramo está preocupado.[79] As implicações até então imagináveis de afirmações aparentemente simples, como a constância das leis da física para qualquer referencial e a constância da velocidade da luz, são a base da relatividade. A mecânica quântica é a física das dimensões subatômicas.
Ainda existem numerosas divisões interdisciplinares da física. Tem um papel crucial dentro da ciência dos materiais ao fornecer subsídios para o estudo de relações, estruturas, performance, formas de caracterização e processamento dos materiais. A biofísica surge quando a biologia necessita resolver problemas que pertencem ao escopo da física. Da mesma forma a física médica surge quando a medicina necessita da física para resolver problemas, especialmente notáveis em radiologia. Destacam-se ainda a metalurgia, que necessita da física, especialmente da mecânica, na produção de produtos metálicos; a geofísica, que busca o compreensão da estrutura, composição e dinâmica do planeta Terra sob a ótica da física; a físico-química, quando a química necessita de conceitos físicos, como o movimento, energia, força, tempo, termodinâmica, mecânica quântica e física estatística, para a resolução de problemas; a física matemática, quando a física requer a utilização da metodologia da matemática para a aplicação de problemas físicos; e a meteorologia física, a área da meteorologia que investiga os fenômenos atmosféricos do ponto de vista da física, descrevendo-os e explicando-os a partir de teorias e da análise de resultados experimentais.[98]