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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 cósmica⁶ 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 altas⁹ 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).

Índice

História

Aristóteles, considerado um dos maiores filósofos naturais da Grécia Antiga

Ver artigo principal: História da física

Antiguidade pré-clássica

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

Ver também: física islâmica medieval

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

Galileu Galilei

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

Ver também: História do eletromagnetismo e História da termodinâmica

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 leis⁴⁸ 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

Ver também: História da mecânica quântica

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 fotoelétrico⁶¹ 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 campo⁶⁸ 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

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, considerada a obra científica mais influente 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 térmicas⁵⁰ 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 demonstrou 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, subdivididos 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.⁷³ ⁸⁹ 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

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

Física clássica

Mecânica clássica

Ver artigos principais: Mecânica clássica, Mecânica de Lagrange e Mecânica hamiltoniana

Animação mostrando um objeto em rotação intermitente. As flechas representam os vetores força, momento linear, posição, momento angular e torque. A mecânica clássica preocupa-se com a descrição do movimento e suas causas

A mecânica clássica descreve o movimento de objetos macroscópicos, desde projéteis a partes de máquinas, além de corpos celestes, como espaçonaves, planetas, estrelas e galáxias. A mecânica clássica em si também é muito ampla e várias especializações são derivadas dela. Referente aos conceitos abordados, pode ser dividida em Cinemática, que estuda os movimentos sem se preocupar com suas causas, a Estática, que aborda sistemas sob ação de forças que se equilibram, e a Dinâmica, que estuda o movimento considerando suas causas, em outras palavras, aborda sistemas sob ação de forças que não se equilibram.⁹⁹
Surgiu durante a revolução científica, juntamente com a consolidação da física como ciência moderna. Galileu Galilei pode ser considerado o marco inicial da mecânica clássica,⁹³ mas sua consolidação definitiva veio com a publicação dos Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, de Isaac Newton, considerada a obra científica mais influente de todos os tempos.⁴⁷ Entretanto, em certos sistemas, a mecânica de Newton passa a ser pouco eficiente para ser usado na resolução de problemas. No final do século XVIII e durante o século XIX a mecânica foi reformulada por Joseph-Louis Lagrange e William Rowan Hamilton, para que abarcasse a resolução analítica de um maior número de problemas com um ferramental matemático mais refinado.¹⁰⁰ ¹⁰¹
A mecânica não se limita à análise de partículas discretas, mas estuda também meios contínuos. O momento de inércia de um disco rígido com centro de rotação coincidente com o seu próprio centro é diferente de uma partícula isolada que orbita um centro de rotação qualquer.¹⁰² A mecânica de meios contínuos é a mecânica que aborda o estudo dos materiais de massa contínua, em oposição de materiais de partículas discretas ou isoladas. A mecânica dos fluidos e a Dinâmica de corpo rígido são exemplos de divisões da mecânica de meios contínuos.¹⁰³
É considerada a divisão base da física, pois as outras divisões são derivadas dela. Seu escopo continua sendo o estudo dos entes fundamentais da física: espaço, tempo, matéria e energia. De suas relações e consequências, surgem outros conceitos, como as leis de Newton, posição, dimensão, invariância de Galileu, velocidade, aceleração, força, torque, momento linear, momento angular, energia mecânica, trabalho, potência, massa, inércia, momento de inércia, referencial, entre outros.¹⁰⁴

Ondulatória

Ver artigos principais: Oscilação e Onda

Padrão de franjas observado em um anteparo causada pela interferência de dois feixes de laser. A interferência da luz, assim como em qualquer outra onda, é um fenômeno estudado pela ondulatória

A ondulatória, na física clássica, estuda as características e as propriedades das ondas e seus movimentos e relações. A onda consiste-se de perturbações, pulsos ou oscilações ocorridas em um determinado meio, que pode ser material ou não. Transporta energia cinética da fonte para o meio, sendo incapaz de transportar matéria.¹⁰⁵
Seu estudo clássico também iniciou-se com Galileu Galilei e Isaac Newton inclui seu estudo em seu Principia Mathematica ao analisar a mecânica dos fluidos, a mecânica dos corpos que não possuem rigidez ou volume próprios.¹⁰⁶ A acústica é a parte da Ondulatória que estuda especificamente a propagação das ondas sonoras pelo ar.¹⁰⁷ A luz foi considerada um fenômeno ondulatório a partir da experiência da dupla fenda de Thomas Young.¹⁰⁸ Seus conceitos principais são ondas (transversais e longitudinais) comprimento de onda, oscilação, amplitude, frequência, fase, reflexão, refração, difração, interferência, polarização, efeito Doppler, entre outros.¹⁰⁹

Termodinâmica

Ver artigos principais: Termologia, Termodinâmica, Teoria cinética e Física estatística

Transferência de calor através da convecção.

Precedendo a termodinâmica pode-se encontrar a Termologia, que é basicamente o estudo do calor, ou seja, o estudo da energia térmica em trânsito, que se diferencia de temperatura, que é o grau de agitação das moléculas. Porém, os conceitos mais arraigados desta área encontram-se na termodinâmica, que estuda as relações entre o calor trocado e o trabalho realizado.¹¹⁰
Máquinas térmicas tinham sido inventadas e aperfeiçoadas ao longo dos séculos XVII, XVIII e XIX. No entanto, a atenção científica sobreveio apenas em meados do século XIX com Sadi Carnot. Seus estudos foram aprimorados ao longo daquele século por James Prescott Joule, Lord Kelvin e Rudolf Clausius.¹¹¹ Seus princípios ajudaram no estabelecimento da teoria cinética e no consequente desenvolvimento da física estatística.¹¹² Seus principais conceitos são calor, temperatura, pressão, volume, energia térmica, entalpia, entropia, capacidade térmica, calor específico, entre outros.¹¹³ A Termodinâmica se aplica a uma ampla variedade de tópicos em ciência e engenharia, tais como motores, transições de fase, reações químicas, fenômenos de transporte, e mesmo buracos negros. Os resultados dos cálculos termodinâmicos são essenciais para outros campos da física e da química, engenharia química, engenharia aeroespacial, engenharia mecânica, biologia celular, engenharia biomédica, e ciência e materiais úteis em outros campos como a economia¹¹⁴ ¹¹⁵

Lord Kelvin Considerado o pioneiro da Termodinâmica.

Inicialmente, a termodinâmica dos motores térmicos se preocupou principalmente nas propriedades térmicas de seus "materiais de trabalho", tais como vapor. Esta preocupação foi então ligada ao estudo da transferência de energia em processos químicos, por exemplo um estudo, publicado em 1840, por calores de reacções químicas de Germain Hess, que não foi inicialmente explicitado estabelece a relação entre as trocas de energia pelo calor e trabalho. A Química termodinâmica estuda o papel da entropia em reações químicas. Grande parte do conteúdo empírico da termodinâmica está contido em quatro leis. A primeira lei assegura a existência de uma quantidade chamada de a energia interna do sistema, o que é distinguível da energia cinética do movimento de grandes quantidades do sistema e da sua energia potencial em relação ao seu ambiente. A primeira lei distingue as transferências de energia entre sistemas fechados como calor e trabalho.¹¹⁶ ¹¹⁷ A segunda lei se refere a duas grandezas chamadas de temperatura e entropia. Entropia expressa as limitações resultantes do que é conhecido como irreversibilidade, sobre a quantidade de trabalho termodinâmico que pode ser entregue a um sistema externo, por um processo termodinâmico.¹¹⁸ Temperatura, cujas propriedades são também parcialmente descritas pela lei zero da termodinâmica, quantifica a direção do fluxo de energia na forma de calor entre dois sistemas em contato térmico e quantifica as noções de senso comum de "quente" e "frio".

Eletromagnetismo

Ver artigos principais: eletricidade, magnetismo, óptica e eletromagnetismo

Uma lâmpada de plasma, constituída por um bulbo com gás à pressão baixa. O grande potencial elétrico aplicado ao eletrodo em seu centro excita o gás em seu torno, que passa ao estado de plasma e passa a ser eletricidade. Esses conceitos são abordados pelo eletromagnetismo

O eletromagnetismo é basicamente a unificação da eletricidade, que é o estudo das cargas elétricas, estáticas ou em movimento, com o magnetismo, que é basicamente o estudo dos ímãs. A luz é uma radiação eletromagnética, e seu campo de estudo, a óptica, também faz parte do eletromagnetismo.¹¹⁹ ¹²⁰ ¹²¹
William Gilbert foi o pioneiro no estudo do magnetismo e da eletrostática,⁵⁷ parte da eletricidade que aborda o estudo das propriedades físicas das cargas elétricas estacionárias, em oposição à eletrodinâmica, que estuda a relação da força eletromagnética entre cargas e correntes elétricas. Otto von Guericke, Benjamin Franklin e Alessandro Volta contribuíram para o desenvolvimento desta área, mas Hans Christian Ørsted foi o primeiro a perceber, em 1820, a ligação entre o magnetismo e eletricidade, até então áreas independentes e sem conexões. Michael Faraday descobriu a indução eletromagnética⁵⁸ e James Clerk Maxwell unificou as descrições matemáticas da eletricidade e magnetismo em um grupo de quatro equações, conhecidas como Equações de Maxwell.⁵⁹
Seus principais conceitos são capacitância, carga elétrica, corrente elétrica, condutividade elétrica, campo elétrico, permissividade elétrica, potencial elétrico, resistência elétrica, indução eletromagnética, radiação eletromagnética, campo magnético, fluxo magnético, monopolo magnético, permeabilidade magnética, entre outros.¹²²
Embora a maior parte da física clássica esteja englobada na mecânica clássica, Ondulatória, termodinâmica e eletromagnetismo, outras especializações também podem ser consideradas clássicas, pois não utilizam a princípio conceitos modernos, ou seja, conceitos que recorrem à relatividade ou a física quântica, embora não estejam delimitados exclusivamente dentro das concepções clássicas. Destaca-se a teoria do caos nesta área.¹²³

Física estatística

Gráfico representando o movimento browniano em três dimensões

A física estatística tem por objetivo o estudo dos sistemas constituídos por "incontáveis" partículas, tão numerosas que se torna impraticável a sua descrição através da consideração de cada uma das suas partículas isoladamente. Tais sistemas não são raros e uma simples amostra de gás confinado em uma garrafa seria um exemplo. As ferramentas para solução dessa questão residem nos conceitos de probabilidade e de estatística.¹²⁴
Surge, então, um problema filosófico em relação ao questionamento sobre a exata definição de probabilidade. Alguns filósofos sugerem que a probabilidade seja a medida da "ignorância" sobre um número real.¹²⁵ Entretanto, esta definição é bastante subjetiva e não explica o sentido de probabilidade usada pela física estatística ou pela mecânica quântica. Em termos físicos, a probabilidade ganha um sentido mais concreto. A probabilidade é uma propriedade intrínseca a alguns processos físicos e não depende do "nível de conhecimento" do físico experimental. Um átomo pode decair radioativamente sob certa probabilidade entre 0 e 1 e isso não depende da quantidade de "ignorância" do observador. Isso é fundamental para a própria existência da física estatística, que é a teoria dos processos físicos probabilísticos.¹²⁶
Dentro dos processos probabilísticos está arraigada a noção de entropia, conceito fundamental também em termodinâmica. Ludwig Boltzmann propôs que a direção da "flecha do tempo" é determinada pela entropia.¹²⁷ Desde então, os filósofos debatem contra e a favor da tese de Boltzmann. Para alguns, a entropia, em termodinâmica, não pode ser generalizada para eventos universais.⁷³ É necessário que haja determinismo estrito e pontual, inconcebível dentro da mecânica quântica; a direção do tempo determinado pela entropia não passaria de um ponto de vista metafísico.¹²⁸ Entretanto, outros afirmam que é absolutamente possível conciliar as duas teorias e que a direção do tempo é realmente determinada pela entropia.¹²⁸ A segunda corrente de ideias está grandemente relacionada ao relacionalismo de Gottfried Wilhelm Leibniz, onde o tempo existiria apenas se existissem objetos e eventos em constante complexidade, que pode ser traduzida como a própria entropia.¹²⁹

Física moderna

Ver artigo principal: Física moderna

No final do século XIX, permeava no pensamento científico a satisfação de que todos os fenômenos naturais poderiam ser descritos pela ciência já desenvolvida até então. Restava apenas a conquista de uma maior precisão do valor das constantes universais e da resolução de alguns "pequenos" problemas. Estes se tornaram uma grande dor de cabeça com o passar dos anos, pois continuariam insolúveis.⁶¹ Entre estes fenômenos "problemas" destacam-se a radiação de corpo negro e a catástrofe do ultravioleta, o espectro de raias dos elementos e o efeito fotoelétrico.⁶² ⁶³ ⁶⁴ As contribuições iniciais de Max Planck e sobretudo Albert Einstein abriram novos campos para a explicação destes fenômenos e abriram margens para descobertas e ponderações até então inimagináveis.⁶¹ ⁶⁵

Relatividade

Ver artigos principais: Relatividade restrita e Relatividade geral

Em 1905, Albert Einstein publicou os fundamentos da relatividade restrita, afirmando constância da velocidade da luz em qualquer referencial inercial e postulando que as leis da física são as mesmas para qualquer referencial. Isso implica efeitos e consequências que não são previstas pela mecânica clássica, como a dilatação do tempo e a contração do comprimento. Dez anos mais tarde Einstein publica a teoria da relatividade geral, que generaliza, através da equações de campo de Einstein, os efeitos descritos pela relatividade restrita para referenciais não-inerciais. Também engloba a mais completa descrição da gravidade disponível atualmente, sendo esta meramente um efeito da curvatura do espaço-tempo provocada pela presença de grande quantidade de massa.⁹⁵

Mecânica quântica

Ver artigos principais: mecânica quântica e Teoria quântica de campos

Amplitude de probabilidade correspondente às funções de onda de um elétron em um átomo de hidrogênio

Max Planck, em 1900, durante seus estudos sobre radiação de corpo negro, apresentou uma descrição matemática do fenômeno que coincidia com os resultados experimentais. Esta descrição tentava fugir da descrição clássica, que levava ao que foi conhecido como catástrofe do ultravioleta. Nesta descrição, Planck argumentou que a distribuição energética era discreta, não contínua, como na descrição clássica. Cinco anos mais tarde, Einstein apresentou argumentações físicas para os resultados de Planck, elucidando também o efeito fotoelétrico. Planck e Einstein fundamentaram os princípios da mecânica quântica, que é basicamente a física das dimensões subatômicas. Seu desenvolvimento foi impulsionado, entre outros, por Niels Bohr, Louis de Broglie, Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger.⁹⁶
A teoria mais precisa elaborada pela ciência é a eletrodinâmica quântica de Richard Feynman, onde é utilizado as noções da mecânica quântica para a descrição e explicação de campos eletromagnéticos. Feynman elaborou uma das primeiras e a mais famosa teoria quântica de campos e foi sucedido pela elaboração da cromodinâmica quântica, a teoria quântica do campo da força forte, que levou à previsão e a posterior descoberta dos quarks. Após a fusão das descrições da força fraca com o eletromagnetismo em altas energias, três das quatro forças fundamentais são descritas por teorias quânticas de campos. Entretanto, a gravidade ainda não é descrita por nenhuma teoria quântica de campos corroborada experimentalmente.¹³⁰
A física moderna não está limitada apenas à relatividade e à mecânica quântica. Destacam-se também a física das partículas elementares, que estuda as propriedades das partículas elementares que constituem a matéria; a física nuclear, que estuda as propriedades dos núcleos atômicos; a física atômica e molecular, que estuda as propriedades físicas da associação dos núcleos e elétrons; a física da matéria condensada, que aborda o entendimento do comportamento da matéria composta por um grande número de átomos; e a física do plasma, que estuda as propriedades da matéria que exibe um grau de agitação térmica suficiente para que elétrons e núcleos consigam se manter separados (plasma).¹³¹ A óptica, que é uma área da física ligada ao eletromagnetismo, também tem pilares na Mecânica quântica, pois a luz visível, uma faixa de toda a radiação eletromagnética, exibe propriedades duais: comporta-se como ora como partícula ora como onda.¹³¹ As disciplinas físicas da astronomia, como a astrofísica, utilizam grandemente a mecânica clássica em seus estudos, mas a relatividade geral encontra a sua maior aplicação nesta cadeira, especialmente na cosmologia.¹³²

Física nuclear

Ver artigo principal: Física Nuclear

A Física Nuclear começou no fim do século passado, a começar pela descoberta dos raios X, pelo alemão Wilhelm Roentgen. No ano seguinte, em 1896, com uma questão que se debateu à volta dos raios X. Na Academia Francesa de Ciências, o grande matemático Henri Poincaré sugeriu que se analisasse a relação dos fenómenos de fluorescência com a radiação X. Se o tubo de raios X ficava fluorescente, talvez outros materiais com a mesma propriedade fossem capazes de emitir a mesma radiação misteriosa. Um físico e académico francês - Henri Becquerel - cujo pai tinha sido também académico- tentou avaliar da correcção da conjectura de Poincaré. Um sal de urânio era conhecido por ficar fluorescente sob a acção da luz solar. Tratava-se agora de saber se era também emissor de raios X. Quis o acaso que ele tivesse deixado o sal de urânio dentro de uma gaveta juntamente com uma chapa fotográfica. Aconteceu então que a amostra, mesmo não exposta aos raios solares, impressionou a chapa fotográfica. Em questões de acaso, não basta ser alvo dele, sendo necessário recebê-lo dignamente: Becquerel deduziu logo que havia uma nova radiação, proveniente do urânio, ainda mais misteriosa que os raios X, e, com tal conclusão, mereceu o Prémio Nobel de 1903.¹³³
A pré-história da Física Nuclear ficou marcada, além de Becquerel, por duas outras personagens principais, que com ele por várias vezes privaram: o casal Pierre e Marie Curie. Pierre Curie fez nome na Física antes da sua esposa, que é hoje talvez mais conhecida do grande público. Tinha trabalhado em piezoelectricidade e em magnetismo, antes de se virar para a radioactividade. A origem da radioactividade natural residia nos elementos químicos urânio, tório, polónio e rádio. Se o urânio e o tório já eram conhecidos antes, o polónio e o rádio foram reconhecidos e baptizados pelos Curie (a síntese do rádio foi completada em 1898) .Em 1903, o casal Curie recebeu, em conjunto com Becquerel, o Prémio Nobel da Física e, em 1911, Madame Curie recebia o seu segundo Prémio Nobel, desta vez da Química. Em finais de 1910 realizava-se num laboratório de Manchester a descoberta do núcleo. Esse resultado, embora obtido na prática pelas interpostas pessoas de Geiger e Marsden (o primeiro assistente e o segundo estudante), foi obra do Professor Ernest Rutherford, um neo-zelandês grande e truculento, que tinha trabalhado antes na Universidade de Cambridge, na Inglaterra, e depois na Universidade de McGill, no Canadá. Quando descobriu o núcleo, Rutherford já tinha nome feito na física dos fenómenos radioactivos, tendo recebido o Prémio Nobel da Química em 1908.¹³⁴
Em particular, contribuiu decisivamente para o esclarecimento da natureza da radioactividade. 1932 foi o "annus mirabilis" da Física Nuclear: nesse ano foi construído o primeiro acelerador circular (por Ernest Lawrence, em Berkeley, Califórnia), foi realizada a primeira reacção nuclear num acelerador (por John Cockcroft e Ernest Walton, em Cambridge). A história da fissão do núcleo atômico vai de 1935 a 1945. Enrico Fermi, um professor que de Roma atravessou o Atlântico para se estabelecer em Chicago e um dos espíritos mais brilhantes na Física, foi o intérprete principal dos desenvolvimentos da Física Nuclear. Uma vez descoberto o neutrão, Fermi começou por efectuar numerosas experiências de bombardeamento de outros núcleos por neutrões, desencadeando assim várias reacções nucleares. Ganhou o Prémio Nobel da Física de 1938. Usando ainda colisão de neutrões, os alemães Otto Hahn e Fritz Strassman descobriram em 1938 a cisão do urânio, num laboratório em Berlim. O urânio 235, quando bombardeado com neutrões, dava origem a núcleos de crípton e bário, muito mais leves que o urânio, e libertava neutrões.¹³⁵

O Modelo Padrão de Partículas

O modelo padrão de partículas elementares com bósons intermediadores na coluna da direita.

O Modelo Padrão da física de partículas é uma teoria sobre a força eletromagnética, fracas e fortes interações nucleares, que medeiam a dinâmica das partículas subatômicas conhecidas. Desenvolvido ao longo do médio e final do século 20, o modelo padrão é realmente "uma tapeçaria tecida por muitas mãos", por vezes impulsionados por novas descobertas experimentais, às vezes por avanços teóricos. Foi um esforço de colaboração no sentido mais amplo, abrangendo continentes e décadas.
O primeiro passo para o Modelo Padrão foi de Sheldon Glashow Lee com a descoberta em 1960 de uma maneira de combinar o eletromagnético e interação fraca. Em 1967 Abdus Salam incorporou o mecanismo de Higgs na teoria eletrofraca de Glashow, dando-lhe sua forma moderna.¹³⁶
O mecanismo de Higgs é acreditado para dar origem a massa de todas as partículas elementares no modelo padrão. Isto inclui as massas do bósons W e Z, e as massas do férmion s, ou seja, o quark e lépton s. A teoria da interação forte, a que muitos contribuíram, adquiriu sua forma moderna em torno de 1973-74 com contribuições de vários físicos mais em especial Hideki Yukawa, quando experimentos confirmaram que os hádrons eram compostos de quarks fracionários carregados.
Atualmente, a matéria e a energia são melhor compreendidas em termos da cinemática e interações das partículas elementares. A física tem reduzido as leis que regem o comportamento e a interação de todas as formas conhecidas de matéria e energia a um pequeno conjunto de leis fundamentais e teorias. Um dos principais objetivos da física é encontrar o "terreno comum" que uniria todas essas teorias em uma teoria integrada de tudo, do que todas as outras leis conhecidas seriam casos especiais, e de que o comportamento de toda a matéria e energia poderia ser derivado (pelo menos em princípio).¹³⁷

Bóson de Higgs

Ver artigo principal: Bóson de Higgs

As interações entre o bosão e campo de Higgs com as partículas elementares do modelo padrão.

O bóson de Higgs ou partícula de Higgs é uma partícula elementar prevista no modelo padrão da física de partículas. A existência do bóson de Higgs tem profunda importância na física de partículas, comprovando a existência do hipotético campo de Higgs, de vários mecanismos propostos para a quebra de simetria eletrofraca, e os meios pelos quais as partículas elementares adquirem massa. A explicação principal é que existe um campo de energia que envolve todo o cosmos(universo) em todos os lugares, e que explicaria como as partículas adquirem massa ao interagir com este campo. O campo de Higgs também explicaria o porquê de certas partículas como o top quark ganharem tanta massa mais que as outras como o fóton. Segundo a teoria do físico Peter Higgs partículas quase sem massa como fótons interagem menos com este campo explicando assim o porquê de terem esta propriedade, já partículas como o top quark ganham mais massa porque interagem mais com o campo de Higgs.

Física pura e física aplicada

Ver artigo principal: Física aplicada

A exploração espacial é possível graças à aplicação da física em novas tecnologias

A física pura está preocupada com a obtenção do conhecimento básico e preciso, sem se preocupar com pesquisas que tenham utilidade prática imediata. Almeja a obtenção de conhecimentos para a resolução de problemas de caráter mais geral, embora não tenha um objetivo bem delineado. Busca atender demandas exigidas pela própria comunidade científica, como a necessidade de se propor novas teorias para problemas que são insolúveis para a teoria vigente.¹³⁸ Em 1916, Albert Einstein propôs o modelo de emissão estimulada, onde a colisão de um átomo excitado com um fóton de mesma energia provova a emissão de um fóton idêntico ao primeiro, que se propaga na mesma direção e sincroniza sua onda com a do estimulador, somando sua intensidade e aumentando, dessa forma, a intensidade da luz emitida. Este conceito é a base do funcionamento do laser, que viria a ser inventado apenas em 1960.¹³⁹
A física aplicada é o termo geral para pesquisas em física com objetivo de uso particular. Está associada à engenharia. Um físico aplicado, que pode ser ou não um engenheiro, está projetando algo em particular usando a física ou conduzindo uma pesquisa física com o objetivo de desenvolver novas tecnologias ou de resolver problemas.¹⁴⁰ Ela geralmente difere da engenharia em que um físico aplicado pode não estar projetando algo em particular, mas está usando a física ou a realização de pesquisas da física com o objetivo de desenvolver novas tecnologias ou resolver um problema de engenharia. Esta abordagem é semelhante ao da matemática aplicada. Em outras palavras, física aplicada está enraizada nas verdades fundamentais e conceitos básicos das ciências físicas, mas está preocupado com a utilização desses princípios científicos em dispositivos práticos e sistemas.¹⁴¹
A abordagem é semelhante à abordagem da matemática aplicada. Os físicos aplicados também podem estar interessados no uso da física para pesquisas científicas no desenvolvimento tecnológico ou em aplicações práticas, que podem não estar relacionados à própria engenharia. Os cientistas que trabalham em um acelerador de partículas buscam desenvolver detectores de partículas mais eficazes para permitir um maior progresso da física teórica,¹⁴⁰ ¹⁴² mas podem estar trabalhando na miniaturização de circuitos eletrônicos para que a própria tecnologia avance.
A física é muito usada na engenharia.¹⁴⁰ A estática, uma subdisciplina da mecânica, é muito usada na engenharia civil.¹⁴³ A física também pode ser utilizada na interdisciplinaridade em outras ciências, inclusive utilizando seus métodos em ciências não-naturais.⁹⁸

O Engenheiro Nikola Tesla usou conceitos da engenharia elétrica para dar impulso à segunda revolução industrial

Ao contrário de disciplinas tradicionais de engenharia, ciência da engenharia / física não é necessariamente restrita a um determinado ramo da ciência ou física. Em vez disso, engenharia, ciência / física destina-se a fornecer uma base mais completa na física aplicada para uma especialidade selecionada, como a óptica, a física quântica, ciência dos materiais, Mecânica Aplicada, nanotecnologia, microfabricação, engenharia mecânica, engenharia elétrica, biofísica, teoria de controle, aerodinâmica, energia, física do estado sólido, etc.
É a disciplina dedicada à criação e otimização de soluções de engenharia através de um melhor entendimento e aplicação integrada de matemática, princípios científicos, estatísticos e de engenharia. A disciplina também preenche a lacuna entre a ciência teórica e prática da engenharia com ênfase em pesquisa e desenvolvimento, design e análise.
Engenharia física ou graus de ciência de engenharia são respeitados graus académicos conferidos em muitos países. É notável que em muitas línguas o termo para "física" de engenharia seria diretamente traduzido para o português como "física técnica". Em alguns países, tanto o que seria traduzido como "engenharia física" e que seria traduzido como "física técnicas" são disciplinas que levam à formação acadêmica, com o ex-especialista em pesquisa de energia nuclear, e esta mais perto da Engenharia Física.
A Física aplicada também pode estar interessada no uso da física para a pesquisa científica. Por exemplo, o campo da física de aceleradores pode contribuir para a investigação na física teórica de partículas, permitindo concepção e construção de aceleradores de alta energia como o LHC.

Física teórica e física experimental

Ver artigo principal: Física teórica e Física experimental

Grande Colisor de Hádrons (LHC). No interior dos tubos, partículas se movem a velocidades ultrarrelativísticas

Uma teoria física é um modelo de eventos físicos, uma aproximação construída por humanos para descrever a Natureza.¹⁴⁴ É endossado segundo a concordância de suas predições com as observações empíricas.¹⁴⁵ Uma teoria física também é endossada pela sua habilidade de realizar novas previsões que podem ser verificadas através de novas observações.¹⁴⁵ Uma teoria física difere de um teorema matemático; ambos são baseados em axiomas ou postulados, mas aplicabilidade matemática não é baseada com a concordância de resultados experimentais.¹⁴⁶ Uma teoria física envolve uma ou mais relações entre as várias grandezas físicas.¹⁴⁷ Em certas ocasiões, a visão provida por sistemas matemáticos puros podem prover pistas de como um sistema físico deve ser modelado.¹⁴⁸
Os avanços teóricos existem quando velhos paradigmas são postos de lado;¹⁴⁹ a mecânica Newtoniana foi suplantada pela mecânica relativística, mas a mecânica Newtoniana é um de seus casos particulares.¹⁵⁰ O conjunto de teorias físicas, dentro de um paradigma, é aceito quando é capaz de realizar previsões corretas, embasados pela experimentação, suplantando outro velho conjunto de teorias físicas que já não é capaz de descrever os novos fenômenos observados.¹⁴⁹ O método científico existe para testar as consequências de uma teoria física.¹⁵¹
A física experimental está preocupada com a aquisição de dados, seus métodos e conceitualizações detalhados, além da realização de experimentos laboratoriais, em contraste com os experimentos mentais. Está preocupada em obter conhecimentos da Natureza,¹⁵² em contraste com a física teórica, que está preocupada em entender como a Natureza se comporta.¹⁵² Apesar da física experimental e a física teórica terem objetivos distintos, a física experimental depende da física teórica. A maioria dos experimentos elaborados pela física experimental têm o propósito de confirmar ou contradizer as conclusões feitas pela física teórica, que, por sua vez, não pode evoluir sem o conhecimento produzido pela física experimental.¹⁵³ Experimentos podem ser formulados para fornecerem fatos completamente novos sobre sistemas nunca estudados ou modelados, mas mesmo nestes casos não se pode negar que o ponto de partida é diretamente influenciado pelas teorias e conhecimentos até a corrente data já produzidos.

Filosofia

Ver artigo principal: Filosofia da física

A visão mecanicista de René Descartes, onde a natureza não passa de "peças de uma máquina" que pode ser compreendida através de sua "desmontagem" influenciou a ciência até o século XX, onde a complexidade a probabilidade começaram a ganhar espaço

Tendo em consideração que a física sempre esteve associada à filosofia natural desde a antiguidade até o século XVIII, a filosofia da física pode ser considerada a mais antiga disciplina filosófica da história.⁸⁴ A reflexão humana sobre o mundo físico precedeu historicamente a reflexão sobre a natureza de nossos próprios pensamentos e nossas interações sociais com outros seres humanos.¹²⁹ No entanto, filosofia da física, como disciplina moderna, surge durante o Renascimento e começa a ser aprofundada durante o Iluminismo, tendo um caráter mais epistemológico com o avançar dos séculos.¹⁵⁴
A filosofia natural é debatida desde a antiguidade pré-clássica. As primeiras reflexões vieram sobre discussões de ordem prática acerca da mecânica, óptica e astronomia. Babilônicos e egípcios eram capazes de prever eclipses solares e lunares. Porém, os debates acerca do mundo natural estavam sempre associados a geometria. Os gregos foram os primeiros a desenvolver uma filosofia natural sem pretensões práticas. Tales de Mileto é às vezes referido como "pai da ciência", pois recusou-se aceitar explicações sobrenaturais, mitológicas e religiosas para os fenômenos naturais. Leucipo de Mileto e posteriormente Demócrito de Abdera desenvolveram o atomismo, onde tudo o que há na natureza é formado por átomos indivisíveis e eternos. Para Aristóteles, as mudanças na natureza podem ser explicadas através de quatro causas: a causa material, aquilo do qual é feita alguma coisa; a causa formal, a coisa em si e o que lhe dá a forma; a causa eficiente, aquilo que dá origem ao processo em que a coisa surge; e a causa final, aquilo para o qual a coisa é feita. Aristóteles foi pioneiro em construir uma teoria altamente coerente e elaborada para a explicação do mundo natural, com base filosófica bem muito bem fundamentada, registrada em seu livro Física. Para ele, os elementos naturais buscavam seu lugar próprio no Universo: a terra buscaria seu centro, onde a Terra está situada, enquanto o fogo tenderia a fugir. Aristóteles também relacionou o movimento como algo provocado por uma força. Embora Aristarco de Samos tenha defendido o heliocentrismo, o auge da astronomia grega vem com o geocentrista, Ptolomeu que aperfeiçoou e complexificou a mecânica celeste grega baseada em esferas e epiciclos para englobar todos os movimentos dos astros observados, incluindo a precessão dos equinócios.
Na visão de vários cientistas atuais, as considerações filosóficas sobre a ciência e a física não influenciam diretamente suas atividades ou métodos de trabalho como cientistas no dia-a-dia,^{nota 2} mas a filosofia da física envolve uma combinação de assuntos conceituais, metodológicos, epistemológicos e até mesmo metafísicos.¹²⁹ ¹⁵⁵ Os filósofos da física colaboram juntamente com os físicos para entenderem os conceitos que empregam em suas pesquisas.¹⁵⁶ Um dos primeiros estudos modernos da filosofia da física foi a reflexão sobre os componentes mais fundamentais do Universo.⁸⁴ O Renascimento abalou profundamente as bases filosóficas medievais, fazendo que o ser humano voltasse para si próprio e a busca para uma nova postura diante do mundo precisava de verdades diferentes e de outros modos de reflexão. René Descartes recusava o pensamento tradicionalista medieval e concebia que o pensador tinha por objetivo construir um sistema filosófico semelhante à matemática.¹⁵⁷ Surgia o paradigma cartesiano, com um método de investigação do mundo que rejeitava qualquer conhecimento baseado na sensibilidade, apresentando como critério verídico sua argumentação de que todas as coisas que concebemos são verdadeiras e, portanto, não passíveis de serem contestadas.¹⁵⁷
Emerge deste pensamento, dessa mentalidade reducionista e mecanicista do Universo levou o ser humano a uma visão fragmentada da verdade, tendo como consequência a quebra da ciência nas várias especialidades, o determinismo científico,¹⁵⁷ onde tudo que existe não passa de partículas e que os movimentos dessas partículas são para sempre determinados quando se mensuram as posições e as velocidades de todas as partículas no momento atual. Em outras palavras, conhecendo-se as posições de todas as partículas do Universo e as suas respectivas velocidades em um dado instante, poder-se-ia conhecer com exatidão todo o passado e o futuro, fosse qual fosse o instante desejado.¹⁵⁸ Esta forma de pensar liga-se diretamente ao reducionismo. Segundo essa linha de pensamento, é possível escrever leis básicas que descrevem completamente o comportamento do Universo. Nestes termos, todo o conhecimento pode ser reduzido a essas leis básicas. Por exemplo, tem-se que todos os fenômenos químicos possam ser deduzidos da mecânica quântica se o número de cálculos envolvidos for viável. O principal objetivo da física seria então encontrar essas leis básicas que regem o Universo. O reducionismo coloca a física na posição de ciência a mais básica de todas pois, a partir dela, seria possível, em princípio, chegar-se ao mesmo conhecimento produzido em todas as outras.¹⁵⁹ Isso não implica o descarte das demais, pois essas tratariam com as suas próprias metodologias os fenômenos naturais mais complexos, consolidando-se em áreas que, por questões práticas, estariam fora do alcance da física.

Diagrama do Sistema Solar heliocêntrico imaginado por Johannes Kepler. O sistema solar seria inicialmente para Kepler perfeito como os sólidos de Platão. Anos mais tarde Kepler concluiu que as órbitas planetárias deveriam ser elípticas, contrariando o seu próprio pensamento inicial

A crise científica no início do século XX, causada pelos seus próprios progressos, abalou o paradigma reducionista-mecanicista cartesiano. O surgimento da relatividade e da mecânica quântica e outras áreas da física moderna redefiniu conceitos como ordem, posição, tempo, espaço, momento, continuidade e separabilidade, referencial e localidade.¹⁵⁷ Os métodos reducionistas já não são compatíveis com novas formas da lógica e a complexidade surge em primeiro plano. O caos, a complexidade, a probabilidade e a incerteza passaram a integrar uma nova forma da percepção da realidade.¹⁵⁷
Com a física em posição de ciência mais fundamental, certas questões metafísicas, como especulações sobre o tempo, a existência e as origens do Universo, entre outras, deveriam ser enviadas à física para se obter respostas segundo os moldes dessa ciência. Nestes termos, seja qual for a resposta que a física apresente para conceitos como tempo, causa e ação, ou mesmo identidade, estas deveriam ser consideradas em princípio corretas.¹⁶⁰ Entretanto, se as noções tradicionais metafísicas entrarem em confronto com uma física bem enraizada, então essas noções metafísicas deixariam de ter significado ou dever-se-ia questionar a validade dos conhecimentos sobre o mundo físico providos pela física. Para isso, filósofos da física têm se esforçado para investigar qualquer confronto possível entre a metafísica e a física.¹²⁹
A física tem sido considerada historicamente o modelo de ciência para todas as outras ciências, naturais ou não, tanto por filósofos quanto por cientistas.¹⁶¹ Por exemplo, a Sociologia, ainda nos seus primórdios com Auguste Comte, na primeira metade do século XIX, era chamada de física Social.¹⁶² ¹⁶³ Dentro da construção do senso comum, a física detém os melhores métodos que a ciência pode conceber.¹²⁹ Mas também é argumentável que a física tem os seus próprios métodos, diferentes daqueles de outras ciências, e particularmente aplicáveis à própria disciplina e incomparáveis a outras. Mesmo dentro da física, os métodos podem variar e serem incomparáveis.¹⁶⁴
Esta ciência ocupa uma posição privilegiada dentre as ciências, já que lida com os mais arraigados conceitos cotidianos. O próprio conceito de cotidiano já foi várias vezes abalado com as mudanças de paradigma da física. Por exemplo, a revolução copernicana, trazendo o heliocentrismo ao primeiro plano, quebrando o paradigma geocentrista defendido pela Igreja Católica na Idade Média, a unificação da física dos Céus e da Terra com a gravitação universal de Newton, a unificação dos conhecimentos de eletricidade e magnetismo por Maxwell. As viagens no tempo e os buracos negros começaram a ganhar espaço dentro do imaginário a partir da relatividade geral de Albert Einstein.¹²⁹ ¹⁶⁵

Física, lógica e matemática

Ver artigos principais: Lógica e Matemática

Representação de vetores em coordenadas cartesianas, cilíndricas e esféricas. A física utiliza a linguagem matemática para se expressar

A física tem o apoio da lógica, pilar central do conhecimento humano para a sua fundamentação, estruturação e expressão. Está ligada ao pensamento humano e distingue interferências e argumentos falsos e verdadeiros. É basicamente um conjunto de regras rígidas para que argumentações e conclusões pudessem ser aceitas como logicamente válidas. O uso da lógica leva a um raciocínio baseado em premissas e conclusões. Tem sido binária, pois aceita duas assunções, falso ou verdadeiro e nega a existência da simultaneidade de conclusões, como por exemplo, conclusões que ao mesmo tempo são parcialmente verdadeiras e parcialmente falsas.¹⁶⁶ Tal conclusão e suas leis da identidade (X deve ser X), da impossibilidade da contradição (X nunca é Y), e da exclusão do terceiro elemento (X deve ser X e, portanto, nunca deverá ser Y) abordam todas as possibilidades e são a base do pensamento lógico. Define as leis ideais do pensamento e estabelece as regras do pensamento correto, sendo uma arte de pensar. E como o raciocínio é a atividade intelectual que leva a todas as outras atividades humanas, define-se a lógica como a ciência do raciocínio correto. Para tanto, a lógica é necessária para tornar o pensamento humano mais eficaz e ajuda-o a justificar suas atividades recorrendo aos princípios que baseiam a sua legitimidade. A lógica é arte, ciência que nos guia ordenadamente, facilmente e sem erros, dentro dos princípios da razão.¹⁶⁷
A lógica matemática oferece ao conhecimento humano a capacidade de esclarecer e de argumentar conceitos. Em outras palavras, permite adquirir e transmitir certezas com o propósito da validação de certas afirmações partindo-se do reconhecimento da validação de outras argumentações que são geralmente mais simples. Essa capacidade de esclarecer conceitos, apresentar definições e de argumentá-los através da exibição de demonstrações são a base do raciocínio matemático e da própria matemática e que, por sua vez, oferece o suporte lógico para os conceitos físicos.¹⁶⁸
A Natureza pode ser entendida por meio de ferramentas matemáticas.¹⁶⁹ ¹⁷⁰ As noções de números e outras estruturas matemáticas não precisam da física para serem justificadas.¹⁷¹ Entretanto, novas afirmações matemáticas podem ser usadas, muito tempo mais tarde, para descrever um fenómeno físico. Os números complexos, que são uma das bases da mecânica quântica, já tinham sido pensados no século XVI.¹⁷² No entanto, a matemática é mais do que uma ferramenta da física, é a sua própria linguagem.¹⁶⁹
O próprio desenvolvimento da física está intimamente ligado com o desenvolvimento da matemática,¹⁷³ sendo a recíproca também certamente verdadeira.¹⁶⁹ Desde que os chamados "Calculatores de Merton College", no século XIV, começaram a descrever a cinemática utilizando a matemática,¹⁷⁴ passando por Johannes Kepler¹⁷⁵ e por Galileu Galilei,¹⁶⁹ esta "simbiose" ocorre. Isaac Newton necessitava de um aparato matemático para dar apoio aos seus estudos em física, e em função desta necessidade, foi um dos criadores do Cálculo, disciplina com inegável relevância na matemática e na física, juntamente com Leibniz.¹⁶⁹

Método científico e epistemologia

Ver artigos principais: Método científico e Epistemologia da ciência

Esquema representando o método científico

Os cientistas em física usam o método científico, um conjunto de técnicas e procedimentos com o objetivo de tornar científico o conhecimento produzido,⁷⁶ para validar uma teoria, usando uma aproximação metodológica para comparar as implicações da teoria com as conclusões obtidas de experimentos e observações especialmente conduzidas para testar a teoria.^{nota 3} Os experimentos e observações são feitos em princípio com propósito pré-definido, para se coletar e se comparar os dados obtidos por estes com as previsões e teses feitos por um físico teórico, assim ajudando na validade ou não de uma teoria.¹⁷⁶ ^{nota 4}
Para um cientista moderno, o método de trabalho que ele emprega geralmente apresenta-se bem definido e claro.^{nota 5} Nesta visão, o método científico apresenta passos bem delineados e objetivos. A observação e a experimentação são o ponto de partida e o mais importante teste para a formulação das leis naturais. A abstração é o primeiro passo para a compreensão de um fenômeno natural, concentrando-se em seus aspectos mais importantes. Assim que se atinge o estágio durante o desenvolvimento de conceitos e modelos, pode-se procurar através do processo indutivo, a formulação das leis fenomenológicas obtidas diretamente dos fenômenos que foram observados e apresentá-los de forma sintética possível. Decorre então a formulação de leis de teorias físicas, que deve ser capaz de reduzir numerosos fenômenos naturais em um pequeno número de leis simples, que devem ter a natureza preditiva, ou seja, a partir das leis básicas deve ser possível prever fenômenos novos que possam ser comparados com a experiência. Finalmente, determina-se o domínio de sua validade.¹⁷⁷
Entretanto, a natureza do método científico também é motivo para vários debates filosóficos. Vários filósofos apoiam a ideia da inexistência de um único método científico "inscrito em pedra",¹⁷⁸ e até mesmo a sua inexistência.¹⁷⁹ Portanto, se opõem a qualquer tentativa de estruturação do método científico, que inclui a enumeração rígida dos passos, visto frequentemente na educação de ciências.¹⁸⁰ Alguns filósofos, como Karl Popper, negam a existência do método científico elaborado; para Popper existe apenas um método universal, a tentativa e erro,¹⁷⁹ embora para os defensores do método científico moderno a tentativa e erro fazem parte de sua definição.

Karl Popper, filósofo e epistemólogo da ciência

As hipóteses integrantes de uma teoria que são suportadas por dados confiáveis, geralmente de natureza abrangente e que suportam as várias tentativas de falseabilidade, segundo Karl Popper,¹⁸¹ são chamadas de leis científicas ou leis naturais. naturalmente, todas as teorias, inclusive aquelas integradas por leis naturais, bem como estas mesmas, podem ser modificadas ou substituídas por outras mais precisas, quando uma anomalia que falsifica a teoria for encontrada.¹⁸² Entretanto, isto não é absolutamente linear. Uma teoria ou um conjunto de teorias podem ser mantidos mesmo que haja anomalias que os invalidem. Segundo Imre Lakatos, um conjunto de teorias, que é chamado por ele de "programas de pesquisa", é mantido mesmo com várias anomalias.¹⁸³ Para que o programa de pesquisa se mantenha, tais anomalias são "encaixadas" em um "cinturão protetor" de hipóteses e teses, que podem ser modificados conforme o advento das anomalias encontradas pela física experimental, embora o "núcleo central", ou seja, a tese básica do programa de pesquisa, deve ser mantida integralmente.¹⁸³ Um programa de pesquisa é superado apenas quando o cinturão protetor já não é capaz de suportar novas anomalias. Para Lakatos, a substituição de programas de pesquisa coincide com revoluções na história da ciência. Os programas de pesquisa vencedores podem englobar ou não programas de pesquisa superados.¹⁸³ A evolução dos "programas de pesquisa" de Lakatos é semelhante à tese de revoluções cientificas associadas a mudanças de paradigma, defendida por Thomas Kuhn, como base do desenvolvimento da ciência.¹⁴⁹ Os paradigmas científicos, que englobam toda uma linha de teorias científicas, métodos e valores, contém convicções científicas que não podem ser explicadas segundo as teorias existentes sobre racionalidade.¹⁸⁴
Para Kuhn, o paradigma estabelece algumas questões sobre o mundo físico. Estas são então investigadas na tentativa de se obter respostas, mas nunca conseguem responder todas as questões que propõe, pois, para Kuhn, a física e a ciência em geral não é um empreendimento para a construção de respostas. Quanto mais respostas sobre determinado fenômeno são obtidas, mais perguntas surgem, embora não seja exatamente um problema inicialmente. Para esse processo de pesquisas Kuhn chamou de ciência normal, ou seja, o período onde determinados paradigmas são aceitos e investigados.¹⁴⁹ Entretanto, as questões ou anomalias que não podem ser resolvidas com o paradigma estabelecido pode atingir níveis insuportáveis. A partir de então, inicia-se o período conhecido como "crise". Novos paradigmas tentam responder de forma mais eficaz as anomalias que o paradigma vigente não consegue mais responder. O período de crise é marcado pela cisão da comunidade científica entre o paradigma vigente e o paradigma em afloramento. Finalmente o novo paradigma ganha a preferência e substitui o antigo. Este momento Kuhn chama de "revolução científica".¹⁴⁹
As Leis de Newton, por exemplo, estão embebidas dentro da relatividade, assim como toda a mecânica Newtoniana,¹⁸⁵ e, mesmo que suas aplicabilidades não sejam mais universais, os três princípios de Newton ainda são chamados de "leis" e a mecânica newtoniana ainda é ensinada nas escolas de ensino médio de todo o mundo.¹⁸⁶

Tempo e espaço

Ver artigo principal: Filosofia do tempo

Concepção artística de um buraco negro, formando a lente gravitacional ao alterar o espaço-tempo em seu torno devido a sua imensa força gravitacional

Os filósofos de física discutem os assuntos tradicionais referentes ao espaço e ao tempo com base nas teorias historicamente concebidas, desde Aristóteles à relatividade geral de Einstein.
Segundo Isaac Newton, o espaço é um ente físico separado e independente dos objetos que estão contidos no seu interior. Esse ente físico, com realidade física comparável a de uma substância, determina um referencial absoluto totalmente inercial. Newton também defende que o tempo é contínuo e infinito e existe mesmo com a ausência de objetos e eventos. Newton estabeleceu, assim, a filosofia física do Substantivalismo.¹⁸⁷ No entanto, Leibniz, um dos desenvolvedores do Cálculo ao lado do próprio Newton, argumentava que o espaço contém propriedades estritamente relacionais. Se não existissem objetos, seria impossível a definição de espaço. De modo semelhante, se não existissem objetos ou eventos, também não se poderia definir o tempo. Leibniz desenvolveu, assim, a filosofia física do Relacionalismo.¹⁸⁷ O Relacionalismo ganhou fôlego com o advento da relatividade geral, embora o Substantivalismo ainda tenha seguidores atualmente.¹²⁹
As discussões sobre a natureza do tempo e sobre simultaneidade se iniciaram com a diferença de seus significados dentro da mecânica clássica e da relatividade restrita. Dentro da teoria de Einstein, a simultaneidade deixa de ser absoluta. Os eventos que são simultâneos dentro de sistema de referências podem não sê-lo em outro.¹⁸⁸ Entretanto, o alemão e filósofo da física Adolf Grünbaum argumenta que a simultaneidade dentro da relatividade restrita é apenas fruto de uma convenção, pois a velocidade da luz na relatividade restrita é sempre a mesma, constante quando medida em qualquer referencial inercial, não importando para tal seus estados relativos de movimento; não há referências, portanto, para estabelecer uma velocidade da luz em um referencial absoluto ou específico, que, segundo a teoria de Einstein, não existe: todos os referenciais inerciais são igualmente equivalentes.¹⁸⁸ ¹⁸⁹

Buracos Negros

Ver artigo principal: Buraco Negro

Representação de um Buraco Negro

A compreensão moderna do buraco negro é baseada na Teoria da Relatividade Geral, completada em 1916 pelo físico Albert Einstein (1879-1955). O buraco negro é formado partir dos restos da explosão de uma estrela com massa dezenas de vezes superior à do Sol. Esse processo ocorre quando a estrela esgota seu combustível termonuclear interno, passando a se contrair e elevar intensamente a temperatura. O resultado é uma grande explosão (a supernova) e resíduos extremamente condensados. Caso essa massa remanescente seja superior duas ou três vezes à massa do Sol, sua densidade passa a crescer indefinidamente. O campo gravitacional criado torna-se tão forte que não deixaria nenhum tipo de radiação escapar, caracterizando o buraco negro.
A absorção de toda a radiação luminosa torna muito difícil a detecção dos buracos negros. Entretanto, essa tarefa é facilitada quando a estrela que dá origem ao buraco negro faz parte de um sistema binário (formado inicialmente por duas estrelas). Nesse caso, o buraco negro pode ser percebido pela matéria que ele extrai da outra estrela desse sistema. Ao entrar em seu campo gravitacional, essa matéria é aquecida a altíssima temperatura, dando origem a uma forte emissão de raios X antes de ser tragada e desaparecer.
Já foram encontradas evidências de mais de dez buracos negros. O primeiro, descoberto em 1972, Cygnus X-1, estaria localizado a cerca de 6 mil anos-luz da Terra. Ele seria um dos componentes de um sistema binário, integrado por uma estrela supergigante azul, catalogada como HDE 226.868.
Os buracos negros ainda representam um mistério no estudo do Universo, porém muito já se conhece sobre suas propriedades. Hoje eles são utilizados como um laboratório de pesquisa para novas teorias do Cosmos, já no século XVIII havia idéias sobre corpos celestes diferentes dos convencionais, como estrelas que, de tão compactas, não deixariam nem mesmo a luz escapar de sua força de gravidade. Estas estrelas seriam os buracos negros. Hoje sabemos que os buracos negros correspondem a fenômenos que ocorrem quando as estrelas estão morrendo. Se uma estrela possui massa aproximadamente quatro vezes a do Sol ou maior, sua atração gravitacional será tão intensa que irá superar a repulsão existente na matéria comum.
A primeira idéia sobre a possibilidade da existência de buracos negros surgiu em 1783, quando John Michell, um astrônomo inglês, propôs que poderiam existir estrelas tão densas que seriam incapazes de emitir luz, na época chamada de estrelas escuras.
Michell argumentou que se atirarmos uma partícula verticalmente para cima sua subida será retardada pela gravidade e cairá. No entanto, se a velocidade inicial for maior que um valor crítico denominado velocidade de escape, a gravidade não terá força suficiente para deter a partícula e ela escapará.
A velocidade da luz (3 . 10-5 km/s) é mais que suficiente para escapar da Terra ou do Sol, cujas velocidades de escape são aproximadamente 12 km/s e 100 km/s respectivamente.¹⁹⁰
Essas estrelas, com massa superior à do Sol e velocidade de escape superior à velocidade da luz, não poderiam ser vistas, pois qualquer feixe de luz seria puxado de volta pela força da gravidade. A ideia de Michell baseava-se na física newtoniana, onde o tempo era absoluto e independente. Einstein, em sua teoria, equaciona a gravidade com curvatura do espaço-tempo em torno de corpos maciços. Essa curvatura é de grande importância para corpos com grande massa como estrelas e planetas. A força da gravidade, nesses corpos, pode desviar a trajetória de partículas como a luz. A Teoria da Relatividade Geral também prevê que o tempo passa mais devagar em campos gravitacionais intensos.
Formação de Buracos Negros, Oppenheimer, Volkoff e Tolman propuseram, pouco antes da Segunda Guerra Mundial que as estrelas de nêutrons tem massa critica entre 1,5 e 3 massas solares. Núcleos estelares mais encorpado continuarão a se contrair até que sua gravidade fique cada vez mais forte que criará um buraco negro. Foi John Wheeler, em 1969, quem finalmente criou o termo buraco negro. Com a idéia popularizada, em 1970, cientistas americanos colocaram em órbita um novo satélite, o Uhuru que capta fontes de raios X intensos. Em diversas vezes a fonte era uma estrela de nêutrons extraindo gás de sua dupla. Signus X-1 era diferente. Seu sistema era uma estrela azul, quente, imensa e com massa de quase 30 vezes a do Sol, girando ao redor de um objeto invisível com massa de 10 sóis. O objeto invisível deve ser um buraco negro. Primeiro dos muitos que vêm sendo detectados. Apesar de não liberarem luz, os buracos negros continuam exercendo força gravitacional. Um meio de acha-los é observar os fenômenos à sua volta.
Nos sistemas de estrelas duplas, os buracos negros têm uma estrela como companheira. Ambos ficam se orbitando enquanto o buraco negro vai engolindo matéria da companheira até ela sumir.

Entropia do Buraco Negro

Stephen Hawking formulou a famosa equação que explica como os buracos negros emitem a radiação que leva seu nome

Antes de Stephen Hawking introduzir o conceito de radiação de Hawking, a questão dos buracos negros terem entropia foi evitada. No entanto, este conceito demonstra que os buracos negros podem irradiar energia, que conserva a entropia e resolve os problemas de incompatibilidade com a segunda lei da termodinâmica. Entropia, no entanto, implica, por conseguinte, calor e temperatura. A perda de energia também sugere que os buracos negros não duram para sempre, mas sim "evaporam" lentamente. Pequenos buracos negros tendem a ser mais quentes enquanto que os maiores tendem a ser mais frios. Todos os conhecidos buracos negros são tão grandes que sua temperatura é muito inferior ao da radiação cósmica de fundo, então eles estão todos ganhando energia. Eles não irão começar a perder a energia até que um desvio para o vermelho cosmológico de mais de um milhão ser atingida, em vez de mil ou mais desde a radiação de fundo ser formada.
A única maneira de satisfazer a segunda lei da termodinâmica é admitir que os buracos negros têm entropia. Se os buracos negros não tivessem entropia, seria possível violar a segunda lei, jogando a massa para o buraco negro. O aumento da entropia do buraco negro mais do que compensa a diminuição da entropia transportado pelo objecto que foi ingerido.
A partir teoremas provados por Stephen Hawking, Jacob Bekenstein conjecturou que a entropia do buraco negro foi proporcional à área do seu horizonte de eventos dividida pela área de Planck. Bekenstein sugeriu spin (½ em 2) / 4π(pi) como a constante de proporcionalidade, afirmando que se a constante não era exatamente isso, ela deveria ser muito próximo a isto. No ano seguinte, Hawking mostrou que buracos negros emitem radiação térmica Hawking correspondente a uma determinada temperatura (temperatura de Hawking).¹⁹¹ Usando a relação entre a temperatura termodinâmica, energia e entropia, Hawking foi capaz de confirmar conjecturas Bekenstein e corrigir a constante de proporcionalidade de 1/4 formulando a equação.¹⁹² :

S_{\text{BH}} = \frac{kA}{4\ell_{\mathrm{P}}^2}

Cosmologia

Ver artigo principal: Cosmologia

Imagem da Galáxia de Andrômeda

Cosmologia é a disciplina acadêmica que procura entender a origem, evolução, estrutura e destino final do Universo em geral, bem como as leis naturais que o mantém em ordem. ¹⁹³ A cosmologia moderna é dominada pela teoria do Big Bang, que reúne astronomia observacional e física de partículas. ¹⁹⁴
Embora a cosmologia seja uma palavra recente, o estudo do universo tem uma longa história envolvendo a ciência, a filosofia, esoterismo e religião. Estudos relacionados incluem cosmogonia, que incide sobre a origem do Universo, e cosmografia, que mapeia as características do Universo. Cosmologia também está ligado à astronomia.
Nos últimos tempos, física e astrofísica têm desempenhado um papel central na formação da compreensão do universo através da observação científica e experiência. O que é conhecido como cosmologia física moldada através da matemática e de observação da análise de todo o universo. É geralmente aceito que o universo começou com o Big Bang, seguido quase instantaneamente pela inflação cósmica - uma expansão do espaço a partir do qual o universo é pensado ter surgido ~ 13,7 ± 0,2 × 109 (cerca de 13,7-13.9 bilhão) anos atrás.¹⁹⁵
Cosmólogos propõem que a história do universo tem sido governado inteiramente pelas leis da física. Entre os domínios da religião e da ciência está a perspectiva filosófica da cosmologia metafísica. Este antigo campo de estudo procura tirar conclusões intuitivas sobre a natureza do universo, o homem, um criador sobrenatural, e / ou as suas relações com base na extensão de um conjunto de presunções emprestadas da experiência espiritual e / ou a observação.
Cosmologia metafísica também tem sido descrito como a colocação do homem no universo em relação a todas as outras entidades. Isto é exemplificado pela observação feita por Marco Aurélio do lugar de um homem neste relacionamento:

"Aquele que não sabe o que o mundo é não sabe onde ele está, e aquele que não sabe para que finalidade o mundo existe, não sei quem ele é, nem o que é o mundo.

— Marco Aurélio

Cosmologia física

Nicolau Copérnico propôs originalmente o sistema heliocêntrico

Cosmologia física é o ramo da física e astrofísica que lida com o estudo das origens físicas e evolução do Universo. Também inclui o estudo da natureza do universo em suas escalas muito maiores. Em sua forma mais primitiva era o que é hoje conhecido como a mecânica celeste, o estudo dos céus. Os filósofos gregos Aristarco de Samos, Aristóteles e Ptolomeu propuseram diferentes teorias cosmológicas.
Em particular, o sistema geocêntrico de Ptolomeu era a teoria aceita para explicar o movimento dos céus até que Nicolau Copérnico, e, posteriormente, Johannes Kepler e Galileu Galilei propuseram um sistema heliocêntrico, no século 16. Isto é conhecido como um dos mais famosos exemplos de ruptura epistemológica em cosmologia física.
Com Isaac Newton e sua publicação em 1687 Principia Mathematica, o problema do movimento dos céus foi finalmente resolvido. Newton forneceu um mecanismo físico para as leis de Kepler e sua lei da gravitação universal permitiu que as anomalias em sistemas anteriores, causadas pela interação gravitacional entre os planetas, fossem resolvidas. Uma diferença fundamental entre a cosmologia de Newton e aquelas anteriores era o princípio de Copérnico de que os corpos na terra obedecem às mesmas leis físicas como todos os corpos celestes. Este foi um avanço crucial na cosmologia filosófica física.
A cosmologia moderna é geralmente considerada como tendo começado em 1917 com a publicação de Albert Einstein de sua modificação final da relatividade geral no documento "Considerações cosmológicas da Teoria Geral da Relatividade", (embora este documento não estava fora amplamente disponível da Alemanha até o final da Primeira Guerra Mundial).
Em paralelo com esta abordagem dinâmica para a cosmologia, um longo debate sobre a estrutura do cosmos estava chegando ao clímax.
O astrônomo Harlow Shapley defendeu o modelo de um cosmos constituído do sistema Via Láctea numa única estrela, enquanto Heber D. Curtis defendia a ideia de que nebulosas espirais eram sistemas de estrelas em seu próprio sistema de universos insulares. Esta diferença de ideias chegou a um clímax com a organização do Grande Debate na reunião da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos, em Washington, em 26 de abril de 1920. A resolução deste debate veio com a detecção de novae (uma estrela que de repente se torna muito mais brilhante e depois, gradualmente, retorna ao seu brilho original ao longo de um período de semanas a anos) na galáxia de Andrômeda por Edwin Hubble em 1923 e 1924. Suas distâncias estabelecidas nebulosas espirais iam muito além da borda da Via Láctea e tinham suas próprias galáxias .
A Modelagem subsequente do universo exploraria a possibilidade de que a constante cosmológica - Lei de Hubble introduzida por Edwin Hubble em seu artigo de 1917 poderia resultar em um universo de expansão, de acordo com o seu valor. Assim, o modelo do Big Bang foi proposto pelo padre belga Georges Lemaître que foi posteriormente confirmado por astrônomos do mundo.

Mecânica quântica

Representação do "gato de Schrödinger", experimento mental que ilustra o entrelaçamento quântico e evidencia questões pertinentes à interpretação de Copenhagen

A evolução da mecânica quântica trouxe consigo inevitáveis considerações sobre a definição de medida e quais são as implicações de seu processo experimental. Considerações científicas e filosóficas importantes levam não só ao "Gato de Schrödinger" quanto a um debate em relação à impossibilidade de simultaneidade de medidas com precisão absoluta para determinadas grandezas na mecânica quântica.¹⁹⁶ Segundo Werner Heisenberg, em 1925, existe uma incerteza na determinação da posição de uma partícula subatômica. O produto da incerteza da posição pela incerteza de seu momento nunca será menor do que uma certa constante numérica. Não se pode, por exemplo, medir a posição e o momento de um elétron ao mesmo tempo; ao se medir a sua posição, comprometemos seu momento, e vice-versa. As relações de incerteza, à primeira vista, parecem derivar da impossibilidade inerente à natureza humana em obter tais grandezas físicas. Entretanto, Heisenberg afirmou que a incerteza é uma propriedade intrínseca à partícula; se não há meios de se definir com precisão uma grandeza física, então tal grandeza não está precisamente definida por natureza.¹⁹⁷
Isto compromete profundamente o paradigma cartesiano, a mentalidade reducionista e mecanicista do Universo, que levou o ser humano a uma visão fragmentada e demasiadamente simplória da verdade. Segundo o determinismo científico, tudo que existe não passa de partículas pontuais e seus movimentos são para sempre estritamente determinados quando se mensuram as posições e as velocidades de todas as partículas no momento atual. Não considerando a incerteza, é possível conhecer as posições de todas as partículas do Universo e as suas respectivas velocidades em um dado instante e poder-se-ia conhecer com exatidão todo o passado e o futuro, fosse qual fosse o instante desejado.¹⁹⁸ Admitindo-se a incerteza como algo intrínseco às partículas subatômicas, seria impossível saber o passado e o futuro de forma absoluta, quebrando, assim, os pilares de sustentação do reducionismo e do determinismo. A complexidade e a probabilidade deixariam de ser vistos como algo inerente à incapacidade do ser humano em estabelecer grandezas físicas estritamente precisas, mas passariam a ser conceitos válidos e incontestáveis dentro da física moderna.¹⁹⁹

Werner Heisenberg formulou originalmente o Princípio da Incerteza

Defensores do paradigma cartesiano afirmam que se o Princípio da Incerteza é válido e, portanto, não há mais possibilidades de se obter com precisão estrita a posição e a velocidade, então não há mais condições de afirmar seu estado físico momentâneo. Sem a possibilidade de conhecer seu estado físico, as experiências físicas são incapazes em mensurar qualquer grandeza física, o que põe em cheque todo o conhecimento físico e a própria física. Segundo esse pensamento, portanto, o conhecimento sobre o mundo físico não passa de um simples blefe, abrindo margem para a validação de pseudociências.²⁰⁰ Porém, esta afirmação, além de radical, é falsa. De fato, o princípio da incerteza impõe restrições às medidas estritamente precisas, mas tal incerteza é observável apenas no mundo subatômico e pode ser desprezada no mundo macroscópico.¹⁹⁷
Albert Einstein foi um dos defensores do paradigma cartesiano. Embora tenha sido um dos fundadores da mecânica quântica, não aceitava a visão de Heiseberg e a interpretação de Copenhagen, afirmando que a teoria quântica estava incompleta: a incerteza na verdade seria a falta de conhecimento sobre variáveis ocultas.²⁰¹ Segundo Einstein, "Deus não joga dados com o Universo".²⁰² Juntamente com Boris Podolsky e Nathan Rosen, publicaram um artigo, que ficou conhecido como paradoxo EPR, onde afirmavam que: 1) se em um sistema que não for perturbado onde pode-se prever com precisão o valor de uma grandeza física, então existe um elemento da realidade física correspondente a esta grandeza física e 2) dois sistemas não podem influenciar-se mutuamente quando estão grandemente distanciados, todas as interações são portanto "locais".²⁰¹ Porém, em um artigo publicado em 1964, John Stewart Bell afirmou que as possíveis "variáveis ocultas" de Einstein, Podolsky e Rosen não são compatíveis empiricamente com a mecânica quântica. Se as possíveis variáveis ocultas fossem verdadeiras, existiria uma série de desigualdades, conhecidas como as desigualdades de Bell. Se a mecânica quântica ortodoxa for verdadeira, tais desigualdades não ocorrem. A discussão sobre a existência de variáveis ocultas determinísticas e locais saiu do campo filosófico e foi passado para o campo experimental, mas tais debates ainda não cessaram.²⁰³
Deste modo, os filósofos da física encaram questões filosóficas que abordam questões mais gerais, como o paradigma cartesiano e o positivismo. Filosoficamente e historicamente, a mecânica quântica nega o determinismo estrito e pontual, apoiando-se na interpretação de Copenhagen, onde o mensuramento e o determinismo para partículas subatômicas ganham um novo sentido filosófico, não podendo ser generalizados para a física clássica, isto é, para sistemas macroscópicos de partículas, onde a visão mecanicista do mundo ainda vigora e é essencial para a manutenção dos conhecimentos físicos já alcançados.²⁰⁴ Filósofos mais moderados defendem a continuação das bases da mecânica quântica, mas defendem que as mecânicas clássica e quântica tenham ontologias totalmente independentes, isto é, as ontologias das duas mecânicas devem ser incomensuráveis.²⁰⁵ Porém, os defensores do paradigma cartesiano e do positivismo sugerem que a própria mecânica quântica encontre uma solução; alguns defendem a superação da Equação de Schrödinger, que é a base fundamental de toda a mecânica quântica moderna, para outra que consiga garantir suas posições filosóficas tanto na mecânica quântica quanto na física clássica, ou seja, a precisão e a certeza nas medidas deveriam ser válidas, seja no mundo microscópico quanto no macroscópico, negando assim a existência do Princípio da Incerteza.²⁰⁶

Física experimental

Diagrama de um interferômetro como usado na Experiência de Michelson-Morley

Os filósofos da física tradicionalmente se preocupam com a natureza das teorias científicas, isto devido em grande parte ao papel central que a epistemologia da ciência teve na filosofia, principalmente após o início do século XX.²⁰⁷ Em vista do advento das teorias modernas na física, foi a partir de então que os filósofos e historiadores de física começaram a ficar mais atentos à física experimental e têm argumentado que o experimento tem seus próprios métodos e práticas, que podem se diferenciar e serem incomensuráveis dentro da diversidade do escopo da física experimental.²⁰⁸
Para Thomas Kuhn, a ciência normal é realizada dentro de um determinado paradigma científico praticamente estável, mesmo com a presença de anomalias que contrariam tal paradigma.¹⁴⁹ Analisando-se as revoluções científicas, Kuhn percebeu que estas estão associadas a mudanças de paradigma.¹⁴⁹ Um paradigma não é banido imediatamente quando a física experimental encontra uma anomalia, mas apenas quando o próprio paradigma já não mais suporta a quantidade de anomalias.¹⁴⁹ Segundo Imre Lakatos, que usa um conceito semelhante conhecido como programa de pesquisa,¹⁸³ tais mudanças de ponto de visão não ocorrem abruptamente. Consequentemente, não existem experimentos cruciais na História da física.¹⁸³ A concepção de Éter, para Lakatos, não foi abandonada abruptamente com a Experiência de Michelson-Morley, mas sim abandonada lentamente e historicamente.¹⁸³

Física e sociedade

Vista aérea da Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN), aos arredores de Genebra, Suíça.

A física e as outras ciências naturais são o motor de propulsão de numerosas instituições científicas de grande importância. Tais instituições, como a Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN) demandam não apenas imensos investimentos,²⁰⁹ mas também o mais refinado contingente humano que se pode disponibilizar.²¹⁰ Os países desenvolvidos e em desenvolvimento aplicam uma significativa parcela de seu produto interno bruto (PIB) na investigação científica em geral.²¹¹ Deste montante, uma parte importante é destinada para a física, suas divisõese e aplicações à Engenharia e à Indústria.²¹¹ Tais países também mantêm um aparelho burocrático para a administração desses investimentos.²¹² Tais aparelhos constituem-se de órgãos executivos e de assessoria especializada na condução e organização dos assuntos relacionados à pesquisa científica pura e aplicada.²¹² A criação dessa máquina pública foi resultado de uma lentíssima evolução, dependente do amadurecimento de numerosos fatores e demandas que não necessariamente estavam ligados à pesquisa científica, mas sim originados no amplo processo de substituição da cultura durante a revolução científica.²¹³
Essa evolução na física ganhou ares de uma revolução autêntica; o sistema heliocêntrico de Copérnico e a introdução do experimento como argumento para provar afirmações, tendo Galileu Galilei como pioneiro, abalaram definitivamente o paradigma aristotélico dominante no pensamento filosófico até a Idade Média.²¹⁴ A astronomia tornou-se também uma ciência moderna com a primeira grande unificação da física, quando Isaac Newton uniu a física dos Céus e da Terra sob a gravitação universal⁴⁹ e com a considerável evolução na navegação, primeiramente com a utilização do astrolábio²¹⁵ e posteriormente com a invenção de relógios mais precisos que marcaram um fim nos problemas da navegação, problema que a filosofia natural Medieval não foi capaz de encontrar uma solução.²¹⁶ A destruição do sistema filosófico e religioso herdado da cultura medieval e as conquistas práticas das grandes navegações libertaram a filosofia natural de sua posição de contemplação e especulação, e pavimentaram o caminho para uma era mais moderna em que passou a ter a ciência moderna como instrumento de transformação.²¹³
Durante o renascimento italiano, as primeiras universidades ditas modernas foram criadas. Essas universidades abriram a oportunidades para novas atividades intelectuais.²¹⁷ Embora o paradigma aristotélico ainda fosse uma herança medieval até meados do século XIX, permitiram a divulgação de obras de grandes pensadores, como Galileu Galilei.²¹⁸ As primeiras sociedades científicas são italianas, como a Accademia Nazionale dei Lincei, fundada em 1603 em Roma, e a Accademia del Cimento, fundada em Florença em 1651. Em seguida foi fundada na Inglaterra em 1662 a Royal Society e a Académie des Sciences, na França em 1666. No final do século XVIII, havia aproximadamente duzentas sociedades científicas na Europa.²¹⁹

Membros da Royal Society em 1952

Essas sociedades, ou academias, originaram-se com o intuito de dar à ciência, e sobretudo à física, um novo panorama. Segundo Robert Hooke, em 1663, ao redigir os estatutos da Royal Society, os objetivos da sociedade científica eram o aperfeiçoamento do conhecimento dos componentes da Natureza e de todos os artefatos úteis, produtos e práticas mecânicas, invenções e engenhos por meio da experimentação. Deve-se também observar a não-especulação sobre assuntos referentes a divindades, metafísica, moral, política, gramática, retórica ou lógica.²²⁰ As sociedades científicas tinham por objetivo aprimorar o conhecimento científico, mas eram organizações muito fechadas e excludentes, mantidas por seus membros, que eram pessoas de renda própria e alta posição social. Não havia remuneração ou recompensas financeiras pelo trabalho científico.²¹³ John Harrison, inventor do relógio mais preciso até então, levou praticamente toda a sua vida para reclamar o prêmio oferecido pela Royal Society para tal feito.²²¹ Essa situação continuou até a segunda metade do século XIX, quando as universidades começaram a incorporar que forma institucional a ciência. Apenas a partir dessa época o cientista pôde utilizar uma sólida estrutura para a sua formação. Antes disso, praticamente todos os cientistas eram autodidatas.²¹³
O Observatório de Paris, fundada como anexo da Académie Royale des Sciences, e o Observatório Real de Greenwich, fundada em 1675, foram as primeiras instituições dedicadas à áreas relacionadas à física e amparadas pelo poder central das respectivas nações. Suas criações dependeram intensamente do crédito científico obtido na solução de problemas de astronomia necessários ao desenvolvimento da navegação.²²² Foram também as primeiras organizações, e as únicas durante muito tempo, a oferecer uma cadeira regular a um especialista de alguma área da física.²¹³ Entretanto, nos séculos XVIII e XIX, houve a ausência grandes desenvolvimentos na organização social da física. Quase todo o desenvolvimento nesta área está confinada ao século XX, especialmente devido às Primeira e Segunda guerras mundiais, onde era necessário o desenvolvimento de armas sofisticadas que exigiam conhecimentos avançados de física, como na Aerodinâmica, física nuclear, entre outros.²²³

Pesquisas físicas atuais

Ver também: Problemas em aberto da física

Efeito Meissner, um magneto suspenso sobre um supercondutor

A pesquisa em física está progredindo continuamente em várias frentes. Na física da matéria condensada, um importante problema em aberto é a supercondutividade a alta temperatura.²²⁴ Na física aplicada, muitos experimentos de matéria condensada estão objetivando a fabricação de aparelhos e computadores magnetoeletrônicos²²⁵ e quânticos.²²⁶
Na física de partículas, as primeiras evidências experimentais de física além do modelo padrão começaram a aparecer, como a possibilidade do neutrino ter massa.²²⁷ Atualmente, os aceleradores de partículas são capazes de operar em energias da ordem de tera-elétrons-volt.²²⁸ Os físicos teóricos e experimentais, no CERN e no Fermilab, tentam encontrar o bóson de Higgs, a única partícula ainda a ser descoberta segundo o Modelo Padrão.²²⁹ Para tal, equipamentos sofisticadíssimos foram construídos, como o Large Hadron Collider, o maior acelerador de partículas já construído do mundo.²³⁰
A gravidade representa uma das mais importantes questões abertas na física moderna.⁷² As tentativas teóricas de unificar a mecânica quântica e a relatividade geral em uma única teoria da gravitação quântica, um programa de pesquisas que perdura por mais de cinquenta anos, ainda não foi resolvido.⁷² Existem modelos matemáticos que tentam conciliá-los, como a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop.⁷² Muitos fenômenos astronômicos e cosmológicos, a assimetria bariônica, a expansão acelerada do universo e o problema da maior velocidade angular das galáxias ainda carecem de descrições satisfatórias.²³¹ Embora se tenha feito progresso na mecânica quântica de altas energias e na Astrofísica, muitos fenômenos cotidianos ainda são fracamente entendidos, como a turbulência, sistemas complexos e o caos.232

Teoria da Relatividade e a Física

Teoria da Relatividade e a Física

Teoria da Relatividade e a Física

Teoria da Relatividade e a Física

segunda-feira, 3 de novembro de 2014

Efeito Meissner

Efeito Meissner

Física

Física( S2 <3)

Índice

História

Antiguidade pré-clássica

Grécia Antiga

Idade Média e filosofia natural Islâmica

Renascimento, revolução científica e desenvolvimento do método científico

Desenvolvimento da mecânica, termodinâmica e eletromagnetismo

Física moderna

Escopo e objetivos

Divisões

Física clássica

Mecânica clássica

Ondulatória

Termodinâmica

Eletromagnetismo

Física estatística

Física moderna

Relatividade

Mecânica quântica

Física nuclear

O Modelo Padrão de Partículas

Bóson de Higgs

Física pura e física aplicada

Física teórica e física experimental

Filosofia

Física, lógica e matemática

Método científico e epistemologia

Tempo e espaço

Buracos Negros

Entropia do Buraco Negro

Cosmologia

Cosmologia física

Mecânica quântica

Física experimental

Física e sociedade

Pesquisas físicas atuais