Física

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Física (do grego antigo: φύσις physis "natureza") é a ciência que estuda a natureza e seus fenômenos em seus aspectos mais gerais. Analisa suas relações e propriedades, além de descrever e explicar a maior parte de suas consequências. Busca a compreensão científica dos comportamentos naturais e gerais do mundo em nosso torno, desde as partículas elementares até o universo como um todo.[1][2] Com o amparo do método científico e da lógica, e tendo a matemática como linguagem natural, esta ciência descreve a natureza através de modelos científicos. É considerada a ciência fundamental, sinônimo de ciência natural: as ciências naturais, como a química e a biologia, têm raízes na física. Sua presença no cotidiano é muito ampla, sendo praticamente impossível uma completíssima descrição dos fenômenos físicos em nossa volta. A aplicação da física para o benefício humano contribuiu de uma forma inestimável para o desenvolvimento de toda a tecnologia moderna, desde o automóvel até os computadores quânticos.[nota 1]

Historicamente, a afirmação da física como ciência moderna está intimamente ligada ao desenvolvimento da mecânica, que tem como pilares principais de estudo a energia mecânica e os momentos linear e angular, suas conservações e variações. Desde o fim da Idade Média havia a necessidade de se entender a mecânica, e os conhecimentos da época, sobretudo aristotélicos, já não eram mais suficientes. Galileu centrou seus estudos dos projéteis, dos pêndulos e nos movimentos dos planetas, e Isaac Newton elaborou mais tarde os princípios fundamentais da dinâmica ao publicar suas leis e a gravitação universal em seu livro Principia, que se tornou a obra científica mais influente de todos os tempos. A termodinâmica, que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume em escala macroscópica, teve sua origem na invenção das máquinas térmicas durante o século XVIII. Seus estudos levaram à generalização do conceito de energia. A ligação da eletricidade, que estuda cargas elétricas, com o magnetismo, que é o estudo das propriedades relacionadas aos ímãs, foi percebida apenas no início do século XIX por Hans Christian Ørsted. As descrições físicas e matemáticas da eletricidade e magnetismo foram unificadas por James Clerk Maxwell, 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. No início do século XX, a incapacidade da descrição e explicação de certos fenômenos observados, como o efeito fotoelétrico, levantou a necessidade de abrir novos horizontes para a física. Albert Einstein publicou a teoria da relatividade geral em 1915, afirmando a constância da velocidade da luz e suas consequências até então imagináveis. A teoria da relatividade de Einstein leva a um dos princípios de conservação mais importantes da física, a relação entre massa e energia, expressa pela famosa equação E=mc². A relatividade geral também unifica os conceitos de espaço e tempo: a gravidade é apenas uma consequência da deformação do espaço-tempo causado pela presença de massa. Max Planck, ao estudar a radiação de corpo negro, foi forçado a concluir que a energia está dividida em "pacotes", conhecidos como quanta. Einstein demonstrou fisicamente as ideias de Planck, fixando as primeiras raízes da mecânica quântica. O desenvolvimento da teoria quântica de campos trouxe uma nova visão da mecânica das forças fundamentais. O surgimento da eletro e cromodinâmica quântica e a posterior unificação do eletromagnetismo com a força fraca a altas energias são a base do modelo padrão, a principal teoria de partículas subatômicas e capaz de descrever a maioria dos fenômenos da escala microscópica que afetam as principais áreas da física.

A física é uma ciência significativa e influente e suas evoluções são frequentemente traduzidas no desenvolvimento de novas tecnologias. O avanço nos conhecimentos em eletromagnetismo permitiu o desenvolvimento de tecnologias que certamente influenciam o cotidiano da sociedade moderna: o domínio da energia elétrica permitiu o desenvolvimento e construção dos aparelhos elétricos; o domínio sobre as radiações eletromagnéticas e o controle refinado das correntes elétricas permitiu o surgimento da eletrônica e o consequente desenvolvimento das telecomunicações globais e da informática, que são indissociáveis da definição de sociedade civilizada contemporânea. O desenvolvimento dos conhecimentos em termodinâmica permitiu que o transporte deixasse de ser dependente da força animal ou humana graças ao advento dos motores térmicos, que também impulsionou toda uma Revolução Industrial. Nada disso seria possível, entretanto, sem o desenvolvimento da mecânica, que tem suas raízes ligadas ao próprio desenvolvimento da física. Porém, como qualquer outra ciência, a física não é estática. Físicos ainda trabalham para conseguir resolver problemas de ordem teórica, como a catástrofe do vácuo,[3] gravitação quântica, termodinâmica de buracos negros,[4] dimensões suplementares,[5] flecha do tempo, inflação cósmica[6] e o mecanismo de Higgs, que prevê a existência do bóson de Higgs, a única partícula ainda não descoberta do modelo padrão que explicaria a massa das partículas subatômicas.[7] Ainda existem fenômenos observados empiricamente e experimentalmente que ainda carecem de explicações científicas, como a possível existência da matéria escura,[8] raios cósmicos com energias teoricamente muito altas[9] e até mesmo observações cotidianas como a turbulência. Para tal, equipamentos sofisticadíssimos foram construídos, como o Large Hadron Collider, o maior acelerador de partículas já construído do mundo, situado na Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN).

História

Ver artigo principal: História da física

Antiguidade pré-clássica

Aristóteles, considerado um dos maiores filósofos naturais da Grécia Antiga

As pessoas, desde a Antiguidade, estavam conscientes da regularidade da Natureza.[10] Desde tempos remotos sabia-se que o ciclo lunar era de aproximadamente 28 dias, e que os objetos, na ausência de suporte, caíam.[11] Inicialmente, tentaram explicar tais regularidades usando a metafísica e a mitologia; tais regularidades eram obras de deuses e deusas, que controlavam o mundo ao seu bel prazer.[12] Entretanto, a física, conhecida desde a antiguidade até o século XVIII como filosofia natural, iniciou-se como uma tentativa de se obter explicações racionais para os fenômenos naturais, evitando-se sobremaneira as infiltrações religiosas ou mágicas.[13]

Povos de diferentes partes da Terra começaram a desenvolver ciência, sempre em torno da filosofia natural, em épocas e com ênfases diferentes.[13] Os Indianos já refletiam sobre questões físicas desde o terceiro milênio antes de Cristo.[14] Entre o nono e o sexto século a.C. os filósofos indianos já defendiam o heliocentrismo e o atomismo.[14] No quarto século a.C., os chineses já haviam enunciado o que é conhecido hoje como a Primeira lei de Newton.[15] No primeiro século a.C. os povos maias já haviam elaborado a noção de zero, antes mesmo dos europeus.[16]

Grécia Antiga

As primeiras tentativas ocidentais de prover uma explicação racional para os fenômenos naturais vieram com os gregos.[17] Tales de Mileto foi historicamente o primeiro filósofo ocidental a recusar explicações sobrenaturais, religiosas ou mitológicas para os fenômenos naturais, defendendo que todo evento físico tem uma causa natural.[18] Pitágoras e seus seguidores acreditavam que o mundo, assim como o sistema numérico inteiro, era dividido em elementos finitos, concebendo, assim, as noções de atomismo.[19] Demócrito de Abdera, Leucipo de Mileto e Epicuro, entre o quinto e o terceiro séculos a.C., impulsionaram a filosofia do atomismo, onde propuseram que toda matéria seria constituída de pequenos átomos indivisíveis.[20] Aristarco de Samos foi um dos primeiros defensores do heliocentrismo,[21] embora na Grécia Antiga prevalecesse o paradigma geocentrista. A experiência, assim como todo trabalho braçal, na Grécia Antiga, eram ignorados, pois as explicações sobre o mundo físico eram baseadas em um pequeno número de princípios filosóficos.[22] Arquimedes, entretanto, prezava a experiência: os fundamentos da estática e da hidrostática têm suas origens em Arquimedes. Os princípios do conceito de empuxo foram primeiramente formulados por ele. Tal conceito ficou conhecido como o princípio de Arquimedes.[23]

Aristóteles é considerado um dos principais filósofos naturais da Grécia Antiga. Para ele e seguindo a ideia de Empédocles, o Universo era formado de quatro elementos básicos: o ar, a terra, a água e o fogo, além de um quinto elemento, o éter, elemento perfeito, que preencheria o restante do Universo para além da órbita da Lua. Para Aristóteles, era inconcebível a noção de vácuo e infinito. Cada elemento teria lugar próprio dentro do Universo, sendo que a terra tenderia a permanecer no centro do Universo e o fogo tenderia a fugir dele.[24] No seu livro, física, Aristóteles diz que a causa do movimento é a força atuante; assim que cessa a força, cessa o movimento. A continuação do movimento após a perda de contato com o causador do movimento seria a "tendência" do ar em preencher o vazio que um projétil deixa em seu rastro. Este "preenchimento" resultaria em uma força que impulsionaria o projétil para frente, mas tal efeito não seria perpétuo, findando em algum instante.[25]

Para explicar o movimento planetário, Eudoxo de Cnido, no quarto século a.C., elaborou as primeiras observações quantitativas para montar um modelo matemático dos movimentos planetários. Eudoxo desenvolveu um sistema de esferas concêntricas, sendo que cada esfera carrega um planeta.[26] Este sistema foi se sofisticando ao longo dos séculos, com a crença dos gregos em um sistema geocêntrico.[26] Todas as anomalias observadas, como a regressão aparente dos planetas e até mesmo a precessão do eixo da Terra, descoberta por Hiparco, foi explicada através do aumento da complexidade do sistema de esferas geocêntricas.[27] Ptolomeu, no século II a.C. havia elaborado um sistema esférico dos planetas com mais de 80 esferas e epiciclos e seu trabalho, resumido em uma coleção de 13 livros que ficaram conhecidos como Almagesto, foi utilizado amplamente pelos árabes e europeus até a alta Idade Média.[27]

Idade Média e filosofia natural Islâmica

Estudos de Roger Bacon sobre óptica, no final do século XIV.

Com a queda do Império Romano, no século IV d.C., a maior parte da filosofia natural grega, assim como toda a educação em geral, perde importância.[28] Esta época ficou conhecida como a "idade das trevas" para a evolução do conhecimento natural.[29] Entretanto, o conhecimento natural dos gregos não foi totalmente perdido, migrou para o Oriente Médio e para o Egito. Os árabes, que já viviam naquela região, traduziram a literatura grega para o árabe. Assim, os árabes não só adquiriram o conhecimento grego, mas também o refinaram.[30] Al-Khwarizmi é considerado o fundador da álgebra que hoje conhecemos.[31] O astrolábio, presumidamente inventado por Ptolomeu, foi aperfeiçoado pelos persas.[32]

No século XI, após a reconquista espanhola sobre os árabes, boa parte dos textos gregos que os árabes possuíam começou a ser traduzido para o latim.[33] Assim, a Europa medieval voltou a apreciar a filosofia natural após longos séculos de escuridão.[33] Uma vez traduzidos, todos os documentos foram estudados primeiramente por escolas estabelecidas juntamente a igrejas e catedrais.[33] Tais escolas transformaram-se nas primeiras universidades medievais posteriormente.[34] As universidades de Cambridge e Oxford foram fundadas no século XIII.[35] Apesar de oferecerem ainda um ensino escolástico,[28] tais universidades começaram a dar suporte para os primeiros desenvolvimentos científicos.[36]

Guilherme de Ockham foi um dos mais importantes filósofos naturais da Idade Média. Rejeitou a explicação aristotélica do movimento e a teoria do impetus, desenvolvida ainda na Grécia Antiga e retomada por Jean Buridan. Ockham afirmava que um objeto em movimento, após ter perdido contato com o seu lançador, já não é "portador" de qualquer força, segundo a teoria do impetus, pois não se pode mais distinguir o objeto em movimento: o objeto em movimento pode ser o projétil, sob a perspectiva do lançador, ou o próprio lançador, sob o ponto de vista do projétil.[37] A "Navalha de Ockham" diz que a explicação para qualquer fenômeno deve assumir apenas as premissas estritamente necessárias à explicação deste e eliminar todas as que não causariam qualquer diferença aparente nas predições da hipótese ou teoria.[37]

Renascimento, revolução científica e desenvolvimento do método científico

Ver artigo principal: Revolução científica

O renascimento foi a época do redescobrimento do conhecimento na Europa.[38] Vários acontecimentos revolucionaram a forma de pensar da sociedade europeia. Em 1543, Nicolau Copérnico publica De revolutionibus orbium coelestium, apresentando um modelo matemático completo de um sistema heliocêntrico.[39] Galileu Galilei é considerado o fundador da ciência moderna. Segundo Galileu, o cientista não tem o papel de explicar porque os fenômenos acontecem na Natureza, apenas pode descrevê-los.[40] Em uma de suas obras, Galileu não afirmou que estava explicando a queda livre, apenas estava descrevendo-o. Galileu também foi o primeiro a conceber o conceito de inércia na Europa e foi o fundador da física como conhecemos hoje ao empregar a matemática na descrição de fenômenos naturais, que eram endossados pela experimentação. A sua contribuição para o desenvolvimento do telescópio contribuiu para a gradual consolidação do heliocentrismo, com a descoberta dos satélites galileanos.[40]

Os métodos científicos de Galileu já eram uma derivação da nova forma de filosofia que vinha sendo desenvolvida por Francis Bacon e René Descartes, formulando as bases do método científico, que vinha sendo ensaiado desde a "era dourada" da filosofia natural Islâmica. Segundo Bacon, a ciência é experimental, qualitativa e indutiva. Rejeita assunções a priori e se houver uma quantidade suficiente de observações, estas seriam usadas para se induzir ou generalizar os princípios fundamentais envolvidos.[41]

René Descartes propôs uma lógica diferente: em vez de se iniciar as observações com fatos "crus", Descartes acreditava que os princípios básicos que regem a Natureza podiam ser obtidos por uma combinação da pura razão com lógica matemática. Sua abordagem era analítica; os problemas deveriam ser "partidos" e rearranjados logicamente. Os fenômenos podem ser reduzidos e analisados aos seus componentes fundamentais. Se os componentes fundamentais fossem entendidos, o fenômeno também seria.[41] A congruência entre os pensamentos de Bacon e de Descartes, mesmo que entrassem em conflito em certas discussões, dominou as investigações científicas nos três séculos seguintes.[42]

A filosofia cartesiana, ou cartesianismo, rejeita toda e qualquer autoridade na obtenção do conhecimento. Os princípios básicos que regem a Natureza podiam ser obtidos por uma combinação da pura razão com lógica matemática. Em outras palavras, a busca pela verdade está baseada apenas na razão. Desse paradigma os dogmas religiosos, os preconceitos sociais, as censuras políticas e os aspectos fornecidos pelos sentidos são excluídos. A matemática passou a ser o modelo e a linguagem de todo conhecimento relacionado à ciência. Várias correntes de pensamento surgiram da filosofia cartesiana, como o racionalismo e o empirismo, e destas surgiriam o determinismo, o reducionismo e o mecanicismo.[43]

Desenvolvimento da mecânica, termodinâmica e eletromagnetismo

Após Galileu, Isaac Newton foi um dos cientistas mais importantes para o desenvolvimento da mecânica clássica.[44] Suas três leis serviram de base para toda a mecânica até o início do século XX.[45] Sua mecânica tornou-se modelo para a construção de teorias científicas futuras.[46] Em seu livro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, considerado a publicação mais influente de toda a história,[47] descreveu a universalidade de suas leis[48] e concluiu a primeira grande unificação da História da física, já iniciada por Galileu, ao unir Céus e Terra sob as mesmas leis físicas, a gravitação universal.[49]

A invenção da máquina a vapor, aprimorada por Thomas Newcomen e James Watt, levou a um grande interesse científico no estudo do calor.[50] O francês Sadi Carnot, já no século XIX, formulou as bases para o entendimento de máquinas térmicas.[51] Joseph Black começou a quantificar o calor através da medida da capacidade térmica das substâncias.[52] James Prescott Joule estabeleceu uma equivalência numérica entre trabalho e calor e mostrou que o calor produzido por uma corrente elétrica I em um condutor de resistência R era dado por I²R, conhecido atualmente como Lei de Joule.[53] Os trabalhos de Joule estabeleceram o princípio da conservação da energia,[53] que se tornou a base para a primeira lei da termodinâmica, formulada por Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin).[54] Clausius também formulou o conceito de entropia, que é a base para a segunda lei da termodinâmica.[55] Assim como a mecânica Newtoniana se apoia em três leis fundamentais, as quatro leis da termodinâmica apoiam todo o conhecimento nesta área.

As forças magnética e elétrica já eram conhecidas desde a antiguidade.[56] Entretanto, o estudo científico da eletricidade e do magnetismo foi iniciado no século XVII por William Gilbert, em seu livro De Magnete.[57] Otto von Guericke produziu o primeiro gerador eletrostático.[58] Pieter van Musschenbroek construiu a primeira garrafa de Leiden, que acumula cargas elétricas.[58] Alessandro Volta construiu a primeira pilha voltaica, que podia fornecer uma corrente elétrica contínua.[58]

Benjamin Franklin foi um dos primeiros a propor que os relâmpagos eram uma forma de eletricidade. Também propôs que as cargas elétricas eram divididas em dois tipos, negativa e positiva, com cargas elétricas idênticas se repelindo e cargas contrárias se atraindo.[58] Hans Christian Ørsted argumentou que a corrente elétrica gera magnetismo em torno do fio condutor.[58] André-Marie Ampère forneceu os primeiros apoios matemáticos para o magnetismo em função da corrente elétrica.[58] Michael Faraday postulou que o inverso também era válido, sendo que a variação do campo magnético induz a geração de corrente elétrica. Faraday elaborou um modelo qualitativo de como as forças elétrica e magnética agem.[58] Também elaborou os conceitos de campos magnético e elétrico.[58] James Clerk Maxwell unificou as teorias elétricas e magnéticas de Ampère, Faraday e de Gauss, resultando no nascimento da teoria eletromagnética, resumindo matematicamente o trabalho experimental de seus antecessores em quatro equações, conhecidas como as Equações de Maxwell.[59] Maxwell propôs a existência de ondas eletromagnéticas, e sugeriu que a própria luz seria um exemplo de onda eletromagnética.[59] A existência de tais ondas foi comprovada por Heinrich Hertz, em 1888, e a constatação da luz como onda eletromagnética completou outra grande unificação da física, fundindo a eletricidade, o magnetismo e a óptica dentro da teoria eletromagnética.[60]

Física moderna

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]

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