A física é uma das ciências naturais mais antigas conhecidas pelo homem. Neste
artigo será explorado o início do que é conhecido hoje como física, uma breve
revisão histórica de alguns dos filósofos naturais, cientistas — da ciência — seu desenvolvimento e sua trajetória desde seu início, até os dias mais
atuais.
Índice
Physis: Uma Breve História da Física
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| Imagem de Guilherme Faura, "Physis: Uma Breve História da Física". Background: Unsplash @pawel_czerwinski |
Tempos primitivos e escuros
Mitologia
Os gregos antigos costumavam ter uma narrativa mística para eventos
cotidianos. Como ainda não conseguiam explicar de forma racional os fenômenos
naturais, logo, divindades eram nomeadas para os diferentes eventos, lendas
eram criadas e rumores eram falados em discursos públicos. Em consequência,
uma mitologia completa foi formada com o tempo, a mitologia grega. Os eventos
mencionados variavam desde tempestades, diferentes fases da lua, o dia, a
noite, as marés, até colheitas boas ou ruins.
Filósofos pré-socráticos e a enigmática Physis
Com o surgimento dos filósofos naturais, houve um progresso, visto que a
mitologia começou a não ser mais usada como fonte principal da explicação do
universo e a razão passou a ser mais valorizada como método fundamental para
descrever os fenômenos naturais.
Os filósofos naturais eram estudiosos da "Physis" — que do grego
antigo significa "natureza". Não havia, ainda, uma separação categórica de o
que era química, física, matemática ou biologia, sendo assim a filosofia
natural o estudo da natureza como um todo. Cada filósofo natural
pré-socrático estudava e acreditava em um arché, um único elemento que
deveria estar presente em todas as coisas materiais existentes do universo.
Tales de Mileto
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Tales de Mileto |
Tales de Mileto (624 — 546 A.E.C), considerado por muitos o primeiro filosofo ocidental da Grécia antiga, tinha
como arché a água. Para ele, a água estaria presente em tudo, não somente na
forma líquida, mas em qualquer forma. Tales observou que a agricultura
necessitava de água, que os falecidos ressecavam, que a natureza contem seiva,
portanto concluiu que tudo ao redor precisava de água como parte fundamental.
Pitágoras de Samos
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| Pitágoras de Samos |
Pitágoras de Samos (570 — 495 A.E.C.), matemático grego conhecido até hoje pelo seu famoso
teorema. Tinha como arché os números. Pitágoras observou que a matemática
estava presente em todos os lugares da natureza, consequentemente concluiu que
os números e suas propriedades seriam os elementos que estariam presentes em
todo o universo. Então, para ele, as mesmas regras que existiam para a
matemática, também valiam para a realidade.
Demócrito
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| Demócrito |
Demócrito (460 — 370 A.E.C.), filósofo pré-socrático, de todos os outros, para alguns autores foi
possivelmente quem mais chegou perto de encontrar o elemento que estaria
presente em todo o universo: o átomo. Para Demócrito, tudo que existe seria
composto por elementos indivisíveis chamados de átomos.
Nos dias atuais, é de conhecimento de que os átomos são formados por elétrons,
prótons e nêutrons. Com o passar do tempo, pesquisadores perceberam, através
de experimentos, que os elétrons possuíam uma massa inferior as massas dos
prótons e nêutrons. Consequentemente gerou a suspeita de que as três
partículas fundamentais fossem compostas por outras. Os átomos são formados
por entidades ainda mais elementares; partículas subatômicas como os
quarks, léptons e bósons. Desse modo, foi concluído que os átomos são
divisíveis. No entanto, a ideia da teoria atômica — defendida por Demócrito — é uma
das bases fundamentais introdutórias para o avanço da ciência moderna.
A revolução científica
Havia um problema. Por mais que muito progresso tenha sido feito, estudado
e debatido entre os estudiosos, ainda não existia uma definição exata da
ciência. Não existia uma metodologia científica e faltavam ainda ferramentas
matemáticas vitais para que a ciência moderna como é conhecida hoje,
existisse.
Galileu Galilei
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| Galileu Galilei, 15 de fevereiro de 1564 — Florença, 8 de janeiro de 1642. |
Galilei (15 de fevereiro de 1564 — 8 de janeiro de 1642), um físico e matemático italiano, foi essencial na revolução
científica. Não somente por suas invenções e descobertas, mas também por sua
forte personalidade e filosofia, na qual criticava a tradição e a autoridade — na época defendida principalmente pela doutrina aristotélica. De acordo
com Galileu, fazer ciência era comprovar através da experiência.
Suas descobertas e invenções evoluíram principalmente os estudos da Física
Mecânica, o movimento dos corpos, refutando Aristóteles e o geocentrismo,
paralelamente reforçando o heliocentrismo de Nicolau Copérnico. Suas invenções
e descobertas notáveis foram: o relógio de pêndulo, o binóculo, o telescópio
astronômico, a balança hidrostática, o compasso geométrico, uma régua
calculadora, o relevo da Lua, a composição estelar da Via Láctea, os Satélites
de Júpiter e as fases de Vênus.
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| Telescópio de Galileu Galilei. Museu Galileo, Florença. (Museo Galileo). |
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A Lua estudada por Galileu Galilei. Biblioteca Nacional Central, Florença. (Biblioteca Nazionale Centrale). |
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| "Galileo perante o Santo Ofício", século XIX, por Joseph-Nicolas Robert-Fleury. |
Com o impacto de suas descobertas contradizerem com as tradições da época, foi
acusado, pelas autoridades, de ser inimigo da fé, por estar tentando
reinterpretar a Bíblia, o que foi visto como uma violação do Concílio de
Trento e parecia perigosamente com o protestantismo. Foi julgado pelo tribunal
do santo ofício, a Inquisição. Ele reconheceu diante dos inquisidores que
estava "errado", para poder terminar suas pesquisas.
Carta ao pe. Vincentio Reinieri (c. 1633)
"Após a publicação dos meus diálogos, fui convocado a Roma pela Congregação
do Santo Ofício, onde, chegando a 10 de fevereiro de 1633, fui submetido à
infinita clemência daquele tribunal, e do Soberano Pontífice, Urbano o
Oitavo; que, não obstante, me considerou merecedora de sua estima."
-pp. 145–146
"Certamente estou interessado em um tribunal no qual, por ter usado minha
razão, fui considerado pouco menos que um herege. Quem sabe se os homens me
reduzirão da profissão de filósofo à de historiador da Inquisição! Mas eles
se comportam comigo para que eu possa me tornar o ignorante e o tolo da
Itália ..."
-p. 244
"Fui obrigado a retratar, como bom católico, essa minha opinião; e como
punição meu diálogo foi proibido; e depois de cinco meses sendo expulso de
Roma..."
-p. 251-253
O conjunto de sua forte personalidade, filosofia, invenções e descobertas,
deixaram um legado que levou uma melhor unificação de um sistema de estudo
científico: o método científico.
O método científico
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| Fluxograma do método científico |
A função primária do método científico é ser uma ferramenta padronizada da
ciência para que os pesquisadores consigam novos conhecimentos, corrijam ou
evoluam conhecimentos anteriormente existentes.
Os estudiosos principais para a criação e unificação de um método científico
que fosse baseado no empirismo, ou seja, na experiência, foram Ibn Al-Haitham — árabe especialista em óptica; Roger Bacon — médico da Idade Média; Galileu
Galilei — físico e matemático italiano; René Descartes — filósofo e matemático
francês e Isaac Newton — físico e matemático inglês que por sua vez aprimorou
a metodologia adicionando seu próprio método investigativo.
Usualmente, o método científico apresenta as seguintes etapas: observação,
formulação, hipótese, experimentação, interpretação e conclusão. Durante a
observação é observado um evento, matéria ou fenômeno; na formulação são
feitos questionamentos e definição do problema; na hipótese são feitas
tentativas de explicar e responder os questionamentos feitos durante a
formulação do estudo; na experimentação feitos experimentos que comprovem as
hipóteses; na interpretação os dados experimentais são coletados, medidos,
organizados e interpretados; por fim, há a conclusão, onde o cientista ou
pesquisador chega a uma explicação imparcial baseada nos resultados da
interpretação dos dados experimentais visando ter uma descrição do fenômeno,
matéria ou evento.
Há a necessidade que o pesquisador seja de fato imparcial em sua conclusão e
teoria, visto que caso tenha uma opinião ou ideologia prévia sobre o assunto,
sua conclusão pode acabar não descrevendo de fato o elemento de estudo e
possuindo um viés tendencioso e não-científico, desse modo, não descrevendo a
realidade.
Isaac Newton
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Isaac Newton, 4 de janeiro de 1643 — Kensington, 31 de março de 1727. |
Isaac Newton (4 de janeiro de 1643 — 31 de março de 1727) foi um físico, matemático e alquimista inglês, nascido no dia 4
de janeiro de 1643. Em uma pesquisa promovida pela Royal Society — sociedade
científica inglesa que Newton fez parte — Newton foi considerado o cientista
que causou maior impacto na história da ciência e foi figura-chave na
revolução científica. Muitos estudiosos o consideram como o cientista mais
genial de sua época pelo seu legado. Não é a toa que Albert Einstein
possuía retratos de Michael Faraday, Isaac Newton e James Maxwell na parede de
seu apartamento em Berlim e mais tarde em sua casa americana.
Alguns autores destacam a ideia de que Newton era um aluno mediano, até que
uma cena de sua vida mudou isso: uma briga com um colega de escola fez com que
ele decidisse ser o melhor aluno da classe e de todo o prédio escolar.
Curiosamente, seu período mais produtivo foi entre 1665 e 1667, tempo em que
sua universidade ficou fechada devido a epidemia da peste bubônica, que matou
um décimo da população na Inglaterra. Newton teve que voltar para sua casa e
nessa fase fez algumas das descobertas mais importantes para a ciência.
Embora seja lenda a história de que uma maçã tenha realmente caído em sua
cabeça, a observação da queda de uma maçã de uma árvore realmente o levou a
pensar na causa da queda. Partindo desse questionamento, Newton começou o
desenvolvimento da Teoria de Gravitação Universal explicando que toda
partícula de matéria atrai outras partículas, portanto não seria somente a
Terra que puxaria a maçã para baixo, mas a maçã também puxaria a Terra. Dessa
maneira, observou que a mesma teoria poderia explicar o Sol atraindo a Terra,
a Terra atraindo a Lua e percebera um padrão no movimento dos corpos celestes.
$$ F = G{\frac{m_1 m_2}{d^2}} $$
$$ F = \text{força gravitacional} $$
$$ G = \text{constante gravitacional} $$
$$ m_1 = \text{massa do primeiro objeto} $$
$$ m_2 = \text{massa do segundo objeto} $$
$$ d = \text{distância entre as massas} $$
Com essa pesquisa inicial, Newton foi mais fundo e fez mais contribuições com
a física mecânica clássica. Formulou as famosas "Leis de movimento" ou também
conhecidas como "Leis de Newton"; três leis fundamentais que explicariam de
forma clara o conceito de forças e movimentos. Traduzidas de suas formas
originais de sua obra conhecida como "Principia", são elas:
1ª lei de Newton (ou Lei da Inercia):
"Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em
uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças
aplicadas sobre ele.".
2ª lei de Newton (ou Principio Fundamental da Dinâmica):
"A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida e é
produzida na direção de linha reta na qual aquela força é aplicada.".
3ª lei de Newton (ou Lei da Ação e Reação):
"A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: as ações
mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em
sentidos opostos.".
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| Princípios Matemáticos de Filosofia Natural, Isaac Newton. |
Em 1687 publicou seu livro
"Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" — "Princípios Matemáticos
de Filosofia Natural" — também conhecido somente como "Principia", onde
documentou e explicou suas descobertas e contribuições com a física mecânica
clássica a partir dos princípios matemáticos mais simples possíveis. Principia
pode ser considerado o primeiro livro de física teórica, no sentido moderno.
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Estudos de óptica de Isaac Newton. |
Newton também fez contribuições seminais para a óptica e compartilha crédito
com Gottfried Wilhelm Leibniz pelo desenvolvimento do cálculo infinitesimal.
Também construiu o primeiro telescópio refletor prático — um novo tipo de
telescópio e também desenvolveu uma teoria sofisticada da cor com base na
observação de que um prisma decompõe a luz branca nas cores do espectro
visível. O trabalho de Newton sobre a luz foi coletado em seu livro altamente
influente Opticks, publicado pela primeira vez em 1704.
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Opticks, Isaac Newton. |
Ele também definiu uma lei empírica do resfriamento, fez o primeiro cálculo
teórico da velocidade do som e introduziu a noção de um fluido newtoniano.
Além de seu trabalho sobre cálculo, como matemático Newton contribuiu para o
estudo de séries de potências, generalizou o teorema binomial a expoentes não-inteiros, desenvolveu um método para aproximar as raízes de uma função e
classificou a maioria das curvas do plano cúbico.
A Ciência moderna
O método científico já estava bem definido e sendo seguido por estudiosos, o
cálculo diferencial e integral também já havia sido desenvolvido e muitas
sociedades acadêmicas estavam contribuindo para o conhecimento — como a Royal
Society, portanto os próximos cientistas teriam muitas ferramentas necessárias
em suas mãos para evoluir a ciência, a produtividade seria ainda maior, assim,
iniciava-se a ciência moderna.
James Clerk Maxwell
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James Clerk Maxwell, 13 de junho de 1831 — Cambridge, 5 de novembro de
1879. |
James Clerk Maxwell (13 de junho de 1831 — 5 de novembro de 1879) é lembrado como o cientista do século XIX a ter mais
influência sobre a física do século XX e um dos responsáveis por contribuições
básicas nos modelos naturais, sendo considerado uma ponte entre a matemática e a
física.
Uma de suas contribuições para a física, possivelmente a principal, foi unir a
eletricidade, o magnetismo e a óptica, assim, dando uma forma final a teoria
do eletromagnetismo com as famosas "equações de Maxwell" baseada no trabalho
anterior de Michael Faraday, que assim, puderam calcular a velocidade da luz.
Seu conceito de que a luz seria uma forma de radiação eletromagnética ajudaria
também mais tarde Albert Einstein a chegar a teoria da relatividade.
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| Piada famosa que pode ser encontrada em camisetas de física; Equações de Maxwell a respeito de campos eletromagnéticos e luz. |
Antes de seu trabalho sobre eletromagnetismo, a compreensão que se tinha de
eletricidade e magnetismo era que se tratava de partículas que exerciam forças
umas sobre as outras. Ele demonstrou que, ao contrario, ambos deviam ser
vistos como campos existentes no espaço, conforme descritos por suas equações
e os princípios enunciados por elas. Portanto, demonstrando que efeitos
elétricos e magnéticos são diferentes manifestações de uma mesma força
eletromagnética, ou também chamado de eletromagnetismo. Foi uma maneira
totalmente nova de encarar a natureza das forças.
Seu trabalho em eletromagnetismo foi a base da futura teoria da relatividade
restrita de Einstein e o seu trabalho em teoria cinética de gases, fundamental
ao desenvolvimento posterior da mecânica quântica. Maxwell também foi o
primeiro cientista a tirar uma fotografia colorida permanente, em 1861.
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| Primeira fotografia colorida permanente, 1861, James Clerk Maxwell. |
Em seus últimos anos de vida, no ano de 1870 publicou o livro "A teoria do
calor", que dá forma final à termodinâmica moderna e em 1871 inventou o
conceito de "Demônio de Maxwell", para demonstrar que a segunda lei da
termodinâmica — que diz que a entropia nunca decresce, tem um carácter
estatístico. Ainda neste ano, aceita monitorar o novo Laboratório Cavendish,
em Cambridge. Ele mesmo supervisionou a construção do edifício e a compra de
todos os aparelhos científicos.
Em 1873, Maxwell publicou o "Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo", livro
que continha todas as suas ideias sobre este tema e que reúne todo o trabalho
que foi fazendo ao longo dos anos. Ele estava preparando uma revisão
abrangente deste tratado, com as suas novas descobertas neste tema, quando
morreu em Cambridge prematuramente de cancro do abdômen.
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| Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo, James Clerk Maxwell. |
Albert Einstein
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Albert Einstein, fotografia colorizada. (Ulm, 14 de março de 1879 —
Princeton, 18 de abril de 1955). |
Próximo ao final do século XIX, depois das equações de Maxwell, da mecânica
clássica de Newton, dos avanços da matemática infinitesimal, do
desenvolvimento da termodinâmica e do aprimoramento da teoria eletromagnética, muitos cientistas achavam estar próximo de uma descrição completa do
universo. No entanto, a situação era diferente, ainda faltava muito, era
necessário revisar conceitos mais fundamentais como a própria luz, tempo e
gravidade, que até então eram descritas pela física clássica.
Era imaginado que o espaço sideral era preenchido por um meio contínuo chamado "éter",
meio onde raios luminosos e sinais de rádio se manifestavam, assim como o som
se manifesta como ondas de pressão no ar. Para essa hipótese se tornar uma
teoria completa, faltavam medições cautelosas e rigorosas sobre o éter, logo,
foi construído o laboratório chamado de Jefferson Lab, na Universidade de
Harvard, que não usava nenhum prego de ferro em sua arquitetura, para que não
houvessem interferências magnéticas nas futuras delicadas medições. Contudo,
os projetistas esqueceram de que os tijolos avermelhados com os quais o
laboratório — e a maior parte de Harvard foram construídos — contém grandes
quantidades de ferro. Ainda no final do mesmo século, começaram a surgir
divergências da ideia de um "éter onipresente". Uma série de experimentos
foram incapazes de sustentarem essa ideia.
Albert Einstein, um físico teórico alemão, nascido em 14 de março de
1879, após se formar no Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, passou
quase dois anos frustrantes procurando um cargo de professor, mas acabou no
Instituto Federal Suíço de Propriedade Intelectual — o escritório de patentes
da Suíça — onde começou a trabalhar em 16 de junho de 1902 como examinador
assistente. Na maior parte do tempo no trabalho, analisava patentes
relacionadas a transmissão de sinais elétricos e sincronização eletromecânica
do tempo, dois problemas técnicos que aparecem visivelmente nos experimentos
mentais que o levaram as suas conclusões radicais sobre a natureza da luz e da
conexão fundamental sobre o espaço e tempo.
Em 1905, Einstein publicou uma série de artigos acadêmicos revolucionários,
tão revolucionários que o ano ficou conhecido por "Annus Mirabilis" ("Ano
Miraculoso"). Os artigos foram publicados no "Annalen der Physik" — um dos mais
conhecidos e antigos periódicos sobre física — em 1905. Na época, nem todos
eles foram devidamente valorizados por desafiarem conceitos já pensados antes.
Hoje em dia, em homenagem a data, o dia do físico é marcado em dezenove de
maio (19/05), fazendo referência ao Ano Miraculoso de Albert Einstein.
Em um artigo escrito em junho de 1905, Einstein observou que, se o observador
não pudesse detectar se estava ou não se deslocando através do espaço, o
conceito de éter seria supérfluo, obsoleto e desnecessário. Albert imaginou
que as leis da ciência deveriam parecer as mesmas para todos os observadores
se movendo livremente. Deste modo, todos deveriam calcular a mesma velocidade
para a luz, não importando a rapidez com que se movessem. A velocidade da luz
independe do movimento do observador e é a mesma em todas as direções.
Em consequência, foi também necessário repensar o conceito de tempo. Até então
era um consenso de que o tempo era uma grandeza absoluta, universal e
independente. Mas para Einstein o tempo teria que ser relativo, cada pessoa
teria seu próprio tempo. Os tempos de dois observadores iriam corresponder se
eles estivessem em repouso em relação ao outro, mas não se estivessem se
movendo.
Isso foi confirmado por uma série de experimentos, incluindo o notável
experimento em que dois relógios atômicos foram colocados em aviões voando em
direções opostas ao redor do planeta e ao regressarem, mostraram tempos
ligeiramente diferentes. O tempo para os passageiros do avião voando em
direção a leste foi menor do que os que estavam no avião voando para oeste.
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| Ilustração do espaço-tempo, imagem de Mysid, "Spacetime". |
A teoria da relatividade, apesar de simples e ter convencido muitos estudiosos,
gerou uma grande oposição. Einstein jogara por terra dois conceitos fortes da
ciência do século XIX: o repouso absoluto, representado pelo éter e o tempo
absoluto ou universal, que seria medido por todos os relógios. Nas palavras de
Einstein:
"A velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores em
referenciais inerciais e não depende da velocidade da fonte que está
emitindo a luz, tampouco do observador que a está medindo. A luz não
requer qualquer meio (como o éter) para se propagar. De fato, a existência
do éter é mesmo contraditória com o conjunto dos fatos e com as leis da
mecânica."
"...existem sistemas cartesianos de coordenadas — os chamados sistemas de
inércia — relativamente aos quais as leis da mecânica (mais geralmente as
leis da física) se apresentam com a forma mais simples. Podemos assim
admitir a validade da seguinte proposição: se K é um sistema de inércia,
qualquer outro sistema K' em movimento de translação uniforme relativamente
a K, é também um sistema de inércia."
Outros cientistas, especialmente Henri Poincaré e Hendrik Lorentz, tinham
teorizado partes da relatividade especial. No entanto, Einstein foi o primeiro
a reunir toda a teoria em conjunto e perceber o que era uma lei universal da
natureza, não uma invenção de movimento no éter, como Poincaré e Lorentz
tinham pensado. Originalmente, a comunidade científica ignorou os artigos do
Ano Miraculoso na época. Isso começou a mudar depois que recebeu a atenção de
Max Planck, o fundador da teoria quântica, um dos físicos mais influentes de
sua geração e o único físico que notou os trabalhos. Ambos viriam a se
conhecer em uma palestra internacional na Conferencia de Solvay, após Planck
gradualmente confirmar sua teoria.
Uma das obras de Albert era o desenvolvimento da teoria da relatividade
especial. O mesmo percebeu, no entanto, que o princípio da relatividade também
poderia ser estendido para campos gravitacionais — ao perceber a relação entre
tempo, espaço e gravidade — e com a sua posterior teoria da gravitação, de
1916. Publicou um artigo sobre a teoria da relatividade geral. Assim, gerando
uma grande nova área de estudo da física, antes quase inexistente.
Hoje, a teoria da relatividade é completamente aceita pela comunidade
científica e suas previsões já foram verificadas em incontáveis aplicações e
experimentos.
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| Equivalência massa-energia. Imagem de Guilherme Faura, "A Equação Mais Famosa do Mundo". |
Devido a teoria, notou-se uma relação entre massa e energia, que levou a
famosa equação:
$$ E = mc^2 $$
$$ E = \text{energia} $$
$$ m = \text{massa} $$
$$ c = \text{velocidade da luz no vácuo} $$
Essa, talvez, sendo a equação mais famosa e reconhecível da física até os dias
de hoje.
Física Quântica
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| Max Planck (Kiel, 23 de abril de 1858 — Göttingen, 4 de outubro de 1947) |
A física quântica — também chamada de Mecânica Quântica — é o ramo da física que
lida com a escala microscópica ou escala atômica e seus eventos, ou seja,
grosseiramente falando, tudo que acontece fora da escala macroscópica, tais
como: moléculas, átomos, partículas, elétrons, prótons, nêutrons e
partículas subatômicas ainda menores. Mas alguns de seus efeitos não são
observáveis somente em tal escala.
A física quântica moderna como conhecemos é dita ter surgido formalmente em
1920, mas já era estudada pelo cientista alemão Max Planck — considerado pai
da física quântica por muitos autores, desde 1900. E a partir do conhecido
problema do corpo negro, surgiu a física quântica, um marco histórico.
Nos finais do século XIX, uma das dificuldades da física resumia-se na
interpretação das leis relacionadas a emissão de radiação por parte dos
corpos negros. Os físicos não conseguiam explicar o espectro de radiação
emitido pelos chamados corpos negros através da teoria eletromagnética e
termodinâmica — ambas sendo as teses científicas mais comprovadas e aceitas
até então.
Com a existência deste problema anterior e alguns outros, houve a
necessidade de uma nova área inteira: a Física Quântica.
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| Gráfico sobre radiação de corpo negro. Fotografia por: Darth Kule. |
Corpos negros são objetos ideais ou superfícies hipotéticas que absorvem
toda radiação eletromagnética que incide sobre eles. Nenhuma luz o atravessa e
nem é refletida, por isso, parecem negros para a visão humana. Na natureza,
não existem tais materiais, já que nenhum objeto consegue ter absorções e
emissões perfeitas.
Max Planck veio com a teoria de que a radiação não se propagava em um fluxo
contínuo, ou seja, a energia não seria contínua, diferente do que era dito
pela teoria eletromagnética, mas sim em porções separadas, como pacotes
indivisíveis e independentes, a menor porção de energia existente possível,
que foram chamados de quanta, plural de Quantum. Quantum do latim
significa quantidade e com a teoria de Max Planck, a área se tornou conhecida
como Física Quântica, ou Teoria Quântica.
No desenrolar do problema dos corpos negros, para que fosse descrito em
linguagem matemática, também foi desenvolvida a constante de Planck, nome dado
em homenagem ao pesquisador que passou parte considerável de sua vida
pesquisando sobre o problema.
$$ h = 6,63 \cdot 10^{-34} J \cdot s $$
Com a constante era possível obter a energia de um fóton com a seguinte
equação:
$$ E = h \cdot v $$
$$ E = \text{Energia} $$
$$ h = \text{Constante de Planck} $$
$$ v = \text{Frequência das radiações}$$ $$\text{eletromagnéticas} $$
Graças a Teoria dos Quanta produzida por Max Planck, outras pesquisas a usaram
como referência e puderam continuar com novos estudos na área. Mais tarde essa
teoria foi fundamental para o prêmio nobel conquistado por Einstein ao
descrever o Efeito Fotoelétrico.
Niels Bohr
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| Niels Bohr (Copenhaga, 7 de outubro de 1885 — Copenhaga, 18 de novembro de 1962) |
Niels Bohr (7 de outubro de 1885 — 18 de novembro de 1962) desenvolveu um modelo atômico baseando-se na teoria atômica de
Rutherford e a teoria quântica de Max Planck. Em seu modelo os níveis de
energia dos elétrons são discretos, ou seja, respeitam os fundamentos dos
quanta em órbitas estáveis em torno do núcleo atômico, essas sendo capazes de
"saltar" de um nível de energia (ou uma órbita) para outro apenas emitindo um
quantum. Isso se tornou popularmente chamado de "salto quântico".
Seus cálculos e métodos se basearam na força centrífuga gerada pelos
movimentos dos elétrons e na atração eletromagnética entre os elétrons e o
núcleo. Dessa forma, buscou verificar sua hipótese através da análise
espectral.
Bohr também acreditava que os elementos poderiam ser analisados separadamente
com propriedades contraditórias, comportando-se como uma onda ou um fluxo de
partículas. Isso traria alguma explicação e progresso para o experimento de
dupla fenda que revirava as mentes dos físicos da época.
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| Uma ilustração do "experimento de dupla fenda" em física. Imagem de NekoJaNekoJa & Johannes Kalliauer. |
Em 1922, Bohr recebeu o Prêmio Nobel de Física "pelos seus serviços na
investigação da estrutura de átomos e da radiação que emana deles". O prêmio
reconhecia seus trabalhos como um dos pioneiros no campo da mecânica quântica.
Werner Heisenberg
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| Werner Heisenberg, imagem de Guilherme Faura. |
Werner Heisenberg (5 de dezembro de 1901 — 1 de fevereiro de 1976) desenvolveu o que é conhecido como mecânica matricial,
revolucionando a forma com que a teoria quântica era tratada até então. Em sua
hipótese, o conceito de movimento clássico não encaixaria na teoria quântica e
que os elétrons não viajavam em padrões bem definidos de órbitas. Ao
contrário, para Heisenberg, os movimentos eram incertos e não poderia ser
conhecido a posição e o momento das partículas simultaneamente. Quanto mais
precisão fosse conhecida sobre uma das variáveis, menos precisão seria
conhecida sobre a outra variável. Isso ficou conhecido como
Princípio da Incerteza. Em suas palavras:
"Ela pode ser expressa na sua forma mais simples, como se segue: nunca se
pode saber com precisão perfeita ambos destes dois factores importantes que
determinam o movimento de uma das menores partículas a sua posição e a sua
velocidade. É impossível determinar com precisão a posição e a direção e
velocidade de uma partícula no mesmo instante."
Sendo sua expressão matemática:
$$ \Delta x_{i}\Delta p_{i}\geq {\frac {\hbar }{2}} $$
$$ \Delta x_{i} = \text{Coordenada } x_{i} $$
$$ \Delta p_{i} = \text{Momento linear } p_{i} $$
$$ \hbar = \text{Constante de Planck (h)}$$ $$\text{dividida por 2π} $$
Se já não estivesse claro antes, a partir deste marco, talvez ficou mais claro
para os acadêmicos da época que a física quântica se trata de uma ciência de
natureza extremamente teórica e probabilística, ou seja, que lida com
probabilidades com graus de precisão calculáveis. Por este motivo, há muita
complexidade em experimentos de física quântica. A maioria dos físicos da
época, apesar de chocados em nunca terem visto algo parecido, não tiveram
muitos problemas em aceitar essa natureza probabilística, mas não para
Einstein. Einstein não gostava muito da ideia de incerteza, para ele a teoria
parecia incompleta, ele criticava, em suas palavras:
"Como já disse tantas vezes, Deus não joga dados com o mundo."
-Einstein and the Poet.
"A mecânica quântica é certamente grandiosa. Mas uma voz interior me diz
que ainda não é a coisa real. A teoria diz muito, mas na verdade não nos
aproxima do segredo do 'antigo'. Eu, de qualquer forma, estou convencido de
que Ele não joga dados."
-Carta para Max Born (4 de dezembro de 1926). As cartas de Born-Einstein.
Erwin Schrödinger
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| Erwin Schrödinger (Viena-Erdberg, 12 de agosto de 1887 — Viena, 4 de janeiro de 1961) |
Erwin Schrödinger (12 de agosto de 1887 — 4 de janeiro de 1961) também teve um papel revolucionário na área. O
cientista criou uma estrutura matemática para explicar o comportamento
das partículas subatômicas que poderiam ter
propriedades ondulatórias, onde, em seu método, tratava partículas como ondas
tridimensionais, cada uma com uma função de onda própria, sendo todas
administradas por uma equação diferencial fundamental, na qual ficou conhecida
como a equação de Schrödinger e suas variantes.
Equação dependente do tempo:
$$ {\displaystyle {\hat {H}}\left|\psi ({\vec {r}},t)\right\rangle =i\hbar
{\frac {\partial }{\partial t}}\left|\psi ({\vec {r}},t)\right\rangle } $$
A equação de Schrödinger não é a única forma de se fazer previsões em mecânica
quântica. Existem outras sistemáticas tais como a mecânica matricial de Werner
Heisenberg e o trajeto da integração funcional de Richard Feynman.
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| Diagrama do experimento mental do gato de Schrödinger. Imagem de Dhatfield. |
Schrödinger também como tentativa de ilustrar o
Principio da Incerteza de Heisenberg e o conceito de
Sobreposição Quântica, criou o famoso experimento mental do Gato de Schrödinger. Ele imaginou colocar um gato dentro de uma caixa com
veneno, há 50% de chance do gato comer ou não comer, mas não há como afirmar
com certeza até abrir a caixa, portanto, enquanto a caixa está fechada o
gato poderia ser considerado "vivomorto", ou seja, o estado de superposição
quântica. E se a caixa for aberta e confirmado que o gato de fato morreu,
então, de certa forma, o observador é responsável pela morte do
gato.
Outros autores...
Muitos autores notáveis também contribuíram para a física quântica, tais como
Louis de Broglie, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli,
Richard Feynman e outros.
O abismo desconhecido do futuro
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| "The Butterfly Nebula and the star Sadr." Imagem de Unsplash @aldebarans |
Com o avanço de muitas áreas, a física, como conhecemos, é descrita por
alguns como algo que chegou até um degrau mais satisfatório de estabilidade,
onde a raça humana parece ter ferramentas teóricas e experimentais para
responder muitas coisas sobre o universo, principalmente a respeito da
macroescala. Todavia, a arrogância humana já se manifestou durante a
história muitas vezes e talvez esse breve momento de estabilidade seja uma
mera ilusão, mais uma mera ignorância humana de algo muito maior lá fora,
nas sombras da natureza, esperando para ser descoberto por um individuo que
investigará e acenderá as luzes do conhecimento. É de consciência dos
especialistas, alguns conceitos nas quais ainda não existem muitas respostas
ou que possuem inconsistências. São alguns dos tópicos notáveis debatidos
atualmente:
- Gravidade Quântica (Quantum Gravity)
- Energia Escura (Dark Energy)
- Matéria Escura (Dark Matter)
- Teoria das Cordas (String Theory)
- Assimetria Matéria-Antimatéria (matter–antimatter asymmetry)
- Teoria de Tudo (Theory of everything)
E esses são somente alguns dos problemas em que há consciência das
comunidades científicas. Ninguém sabe o que está lá fora, nas sombras da
natureza, esperando para ser descoberto.
Nota do autor: Ao pensar sobre este artigo tinha duas escolhas:
fazer um texto extremamente técnico e extenso, com muita
complexidade desnecessária de tal forma que não seria de simples
compreensão, nem para mim, nem para os leitores e que provavelmente não
seria lembrado, ou fazer um artigo, ainda que com muita informação, de
simples entendimento para que as pessoas pudessem admirar os cientistas
do passado, suas invenções, suas descobertas e cultivar mais interesse
sobre a física e a ciência. Se chegou até aqui, acredito que saiba qual
escolha fiz. Há um certo problema em fazer trabalhos dessa natureza mais
histórica: as pessoas esperam que você cubra todos os assuntos, cada
data e cada individuo envolvido. Por questões de comprimento, infelizmente não pude falar sobre toda a
história, áreas e todos os cientistas que merecem todo nosso respeito,
mas seria necessário muito mais tempo, logo, organizei um resumo
histórico do que considero fundamental e interessante na
história da física, incluindo os meus próprios heróis da
física. Por meses estive tentando domar esse artigo e agora que finalizo, tomo
consciência de que este, até o dia de hoje, é o maior trabalho e
pesquisa de natureza histórica que já fiz, aprendi muito no caminho
para a escrita deste artigo. Acho que sempre podemos achar complexidade
em questões simples se olharmos profundamente o suficiente.
Referência bibliográfica
BAIRD, C. Is there any difference between antimatter, dark matter, dark energy, and
degenerate matter? Disponível em:
<https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/07/25/is-there-any-difference-between-antimatter-dark-matter-dark-energy-and-degenerate-matter/>.
Acesso em: 17 nov. 2020.
BASSALO, J; FARIAS, R. Para Gostar de Ler a História da Física.
CHALTON, N; MACARDLE, M. A História da Ciência Para Quem Tem Pressa.
CHAUI, M. Iniciação à Filosofia.
FOGAÇA, J. Teoria de Max Planck. Brasil Escola. Disponível em:
<https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-max-planck.htm>.
Acesso em 08 de janeiro de 2021.
GOLDSMITH, D.; BARTUSIAK, M.
E = Einstein: His Life, His Thought, and His Influence on Our Culture.
HANSSON, J. The 10 Biggest Unsolved Problems in Physics.
HAWKING, S. O Universo Numa Casca de Noz.
HEISENBERG, W. Die Physik der Atomkerne.
NEWTON, I. Princípios Matemáticos de Filosofia Natural.
NEWTON, I. Óptica.
ROYAL SOCIETY. History of the Royal Society. Disponível em:
<https://royalsociety.org/about-us/history/>. Acesso em: 17 nov. 2020.
WALLIMAN, D. Map of Science. Disponível em:
<https://www.youtube.com/watch?v=ohyai6GIRZg>. Acesso em: 4 jan. 2021.
WALLIMAN, D. The Map of Physics. Disponível em:
<https://www.youtube.com/watch?v=ZihywtixUYo>. Acesso em: 4 jan. 2021.
WALLIMAN, D. The Map of Quantum Physics. Disponível em:
<https://www.youtube.com/watch?v=gAFAj3pzvAA>. Acesso em: 4 jan. 2021.
WIKIPEDIA. List of unsolved problems in physics. Disponível em:
<https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=List_of_unsolved_problems_in_physics&oldid=996706494>.
Acesso em: 10 jan. 2021.
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