Física (dogrego antigo: φύσιςphysis "natureza") é aciência que estuda anatureza e seusfenômenos em seus aspectos gerais. Analisa suas relações epropriedades, além de descrever e explicar a maior parte de suas consequências. Busca a compreensão científica dos comportamentosnaturais e gerais do mundo em nosso entorno, desde aspartículas elementares até ouniverso como um todo.[1][2] Com o amparo dométodo científico e dalógica, e tendo amatemática como linguagem natural, esta ciência descreve a natureza por meio demodelos científicos. É considerada a ciência fundamental, sinônimo deciência natural: as ciências naturais, como aquímica e abiologia, têm raízes na física. Sua presença no cotidiano é muito ampla, sendo praticamente impossível uma completíssima descrição dosfenômenos físicos em nossa volta. A aplicação da física para o benefício humano contribuiu de uma forma inestimável para o desenvolvimento de toda atecnologia moderna, desde oautomóvel até oscomputadores quânticos.[nota 1]
Historicamente, a afirmação da física como ciência moderna está intimamente ligada ao desenvolvimento damecânica, que tem como pilares principais de estudo aenergia mecânica e os momentoslinear eangular, suas conservações e variações. Desde o fim daIdade Média havia a necessidade de se entender a mecânica, e os conhecimentos da época, sobretudoaristotélicos, já não eram mais suficientes.Galileu centrou seus estudos nosprojéteis,pêndulos e movimentos dos planetas;Isaac Newton, mais tarde, elaborou os princípios fundamentais dadinâmica ao publicarsuas leis e agravitação universal em seu livroPrincipia, que se tornou a obra científica mais influente de todos os tempos. Atermodinâmica, que estuda as causas e os efeitos de mudanças natemperatura,pressão evolume emescala macroscópica, teve sua origem na invenção dasmáquinas térmicas durante oséculo XVIII. Seus estudos levaram à generalização do conceito deenergia. A ligação daeletricidade, que estudacargas elétricas, com omagnetismo, que é o estudo das propriedades relacionadas aosímãs, foi percebida apenas no início do século XIX porHans Christian Ørsted. As descrições físicas e matemáticas da eletricidade e magnetismo foram unificadas porJames Clerk Maxwell. A partir de então, estas duas áreas, juntamente com aóptica, passaram a ser tratadas como visões diferentes do mesmo fenômeno físico, oeletromagnetismo. No início do século XX, a incapacidade da descrição e explicação de certos fenômenos observados, como oefeito fotoelétrico, levantou a necessidade de abrir novos horizontes para a física.Albert Einstein publicou a teoria darelatividade geral em 1915, propondo a constância davelocidade da luz e suas consequências até então inimagináveis. A teoria da relatividade de Einstein leva a um dos princípios de conservação mais importantes da física, a relação entremassa eenergia, geralmente expressa pela famosa equaçãoE=mc². A relatividade geral também unifica os conceitos de espaço e tempo: agravidade é apenas uma consequência da deformação doespaço-tempo causado pela presença de massa.Max Planck, ao estudar aradiação de corpo negro, foi forçado a concluir que aenergia está dividida em "pacotes", conhecidos comoquanta. Einstein demonstrou fisicamente as ideias de Planck, fixando as primeiras raízes damecânica quântica. O desenvolvimento dateoria quântica de campos trouxe uma nova visão da mecânica dasforças fundamentais. O surgimento daeletro ecromodinâmica quânticas e a posterior unificação do eletromagnetismo com aforça fraca a altas energias são a base domodelo padrão, a principal teoria de partículas subatômicas, capaz de descrever a maioria dos fenômenos da escala microscópica que afetam as principais áreas da física.
Aristóteles, considerado um dos maiores filósofos naturais da Grécia Antiga.
As pessoas, desde aAntiguidade, estavam conscientes da regularidade daNatureza.[10] Desde tempos remotos sabia-se que ociclo lunar era de aproximadamente 28 dias, e que os objetos, na ausência de suporte, caíam.[11] Inicialmente, tentaram explicar tais regularidades usando ametafísica e amitologia; 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 comofilosofia natural, iniciou-se como uma tentativa de se obter explicações racionais para osfenômenos naturais, evitando-se sobremaneira as infiltrações religiosas ou mágicas.[13]
Povos de diferentes partes daTerra começaram a desenvolverciência, 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 oheliocentrismo e oatomismo.[14] No quarto século a.C., os chineses já haviam enunciado o que é conhecido hoje como aPrimeira lei de Newton.[15] No primeiro século a.C. ospovos maias já haviam elaborado a noção dezero, 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 deatomismo.[19]Demócrito de Abdera,Leucipo de Mileto eEpicuro, 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 doheliocentrismo,[21] embora na Grécia Antiga prevalecesse o paradigmageocentrista. Aexperiência, 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 daestática e dahidrostática têm suas origens em Arquimedes. Os princípios do conceito deempuxo 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 deEmpédocles, o Universo era formado de quatro elementos básicos: oar, aterra, aágua e ofogo, além de um quinto elemento, oéter, elemento perfeito, que preencheria o restante do Universo para além da órbita da Lua. Para Aristóteles, era inconcebível a noção devácuo einfinito. 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 umprojétil 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 ummodelo matemático dos movimentos planetários. Eudoxo desenvolveu um sistema deesferas 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 sistemageocêntrico.[26] Todas as anomalias observadas, como a regressão aparente dos planetas e até mesmo aprecessão do eixo da Terra, descoberta porHiparco, 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 eepiciclos e seu trabalho, resumido em uma coleção de 13 livros que ficaram conhecidos comoAlmagesto, foi utilizado amplamente pelos árabes e europeus até aAlta Idade Média.[27]
Com a queda doImpério Romano, no século IV d.C., a maior parte da filosofia natural grega, assim como toda aeducação 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 oOriente Médio e para oEgito. 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 daálgebra que hoje conhecemos.[31] Oastrolábio, presumidamente inventado por Ptolomeu, foi aperfeiçoado pelospersas.[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 olatim.[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 primeirasuniversidades medievais posteriormente.[34] As universidades deCambridge eOxford foram fundadas no século XIII.[35] Apesar de oferecerem ainda um ensinoescolástico,[28] tais universidades começaram a dar suporte para os primeiros desenvolvimentos científicos.[36]
Guilherme de Ockham foi um dos mais importantes filósofos naturais daIdade Média. Rejeitou a explicação aristotélica do movimento e a teoria doimpetus, desenvolvida ainda na Grécia Antiga e retomada porJean 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 doimpetus, 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
Orenascimento foi a época do redescobrimento do conhecimento na Europa.[38] Vários acontecimentos revolucionaram a forma de pensar da sociedade europeia. Em 1543,Nicolau Copérnico publicaDe revolutionibus orbium coelestium, apresentando um modelo matemático completo de um sistemaheliocêntrico.[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 aqueda livre, apenas estava descrevendo-o. Galileu também foi o primeiro a conceber o conceito deinércia na Europa e foi o fundador da física como conhecemos hoje ao empregar amatemática na descrição de fenômenos naturais, que eram endossados pelaexperimentação. A sua contribuição para o desenvolvimento dotelescópio contribuiu para a gradual consolidação doheliocentrismo, com a descoberta dossatélites galileanos.[40]
Os métodos científicos de Galileu já eram uma derivação da nova forma de filosofia que vinha sendo desenvolvida porFrancis Bacon eRené Descartes, formulando as bases dométodo científico, que vinha sendo ensaiado desde a "era dourada" da filosofia natural Islâmica. Segundo Bacon, a ciência éexperimental, qualitativa eindutiva. Rejeita assunçõesa priori e se houver uma quantidade suficiente deobservações, 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 purarazão com lógica matemática. Sua abordagem era analítica; os problemas deveriam ser "partidos" e rearranjados logicamente. Os fenômenos podem serreduzidos 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 purarazão com lógica matemática. Em outras palavras, a busca pela verdade está baseada apenas na razão. Desse paradigma osdogmas religiosos, ospreconceitos sociais, ascensuras políticas e os aspectos fornecidos pelossentidos 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 oracionalismo e oempirismo, e destas surgiriam odeterminismo, oreducionismo e omecanicismo.[43]
Desenvolvimento da mecânica, termodinâmica e eletromagnetismo
Após Galileu,Isaac Newton foi um dos cientistas mais importantes para o desenvolvimento damecânica clássica.[44] Suastrês 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 livroPhilosophiae Naturalis Principia Mathematica, considerado a publicação mais influente de toda a história,[47] descreveu a universalidade de suas leis[48] e concluiu a primeira grande unificação da História da física, já iniciada por Galileu, ao unir Céus e Terra sob as mesmas leis físicas, agravitação universal.[49]
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 geramagnetismo 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 docampo 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 eelétrico.[58]James Clerk Maxwell unificou as teorias elétricas e magnéticas de Ampère, Faraday e deGauss, resultando no nascimento dateoria eletromagnética, resumindo matematicamente o trabalho experimental de seus antecessores em quatro equações, conhecidas como asEquações de Maxwell.[59] Maxwell propôs a existência deondas eletromagnéticas, e sugeriu que a própria luz seria um exemplo de onda eletromagnética.[59] A existência de tais ondas foi comprovada porHeinrich Hertz, em 1888, e a constatação da luz como onda eletromagnética completou outra grande unificação da física, fundindo a eletricidade, o magnetismo e aóptica dentro da teoria eletromagnética.[60]
No final do século XIX, as teorias clássicas da física estavam firmemente estabelecidas. Restavam aos físicos realizar medidas mais precisas para asconstantes 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 aradiação de corpo negro,[61][62] oefeito fotoelétrico[61][63] e oespectro 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 dososciladores 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 denúmeros naturais. As regiões discretas de energia ficaram conhecidas comoquanta de energia. A energia dessesquanta seria dada pelo produto de um número natural pelafrequência e por uma constante universal, que ficou conhecida como aconstante de Planck.[61]
Entretanto, o Modelo Padrão não é capaz de descrever agravitação, alvo de estudos desde o início da ciência moderna, quando Galileu realizou o experimento daqueda livre. A gravitação ainda não tem um suporte teórico-experimental enraizado pela física moderna sobre a sua verdadeira causa.[71] Arelatividade geral de Einstein entra em conflito com a mecânica quântica e constitui um dos maiores desafios para os Físicos Teóricos e Experimentais atualmente.[72]
A física estuda anatureza e seusfenômenos 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 umaciência que busca obter respostas para os inúmerosproblemas em aberto.[74] Tem como pilares fundamentais o estudo damatéria,energia,espaço etempo, 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 dométodo 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 dalógica, 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, amatemática. 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 noUniverso é seu objeto de estudo, desde aspartículas elementares que constroem a matéria até asestrelas,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 outrasciências naturais, como aquímica e abiologia. A física, porém, é conhecida como a ciência fundamental por buscar a essência primordial danatureza e muitas vezes torna-se sinônimo da própria ciência natural.[78]
Constróimodelos 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 aastronomia.[79][80] Historicamente, a afirmação da física como ciência moderna está intimamente ligada ao desenvolvimento damecânica clássica, pois desde o advento doRenascimento havia a necessidade de se entender os fenômenos físicos relacionados aosmovimentos eforças, e os conhecimentos da época, sobretudoaristotélicos, já não eram mais suficientes. Este panorama começou a ser superado com os estudos deGalileu Galilei e finalizado com a publicação científica mais influente de todas as épocas, oPhilosophiae Naturalis Principia Mathematica, deIsaac Newton.[47] Atermodinâmica teve sua origem na invenção dasmáquinas térmicas[50] e sua consolidação veio com a formulação deseus princípios e a generalização do conceito deenergia.[81] A ligação daeletricidade com omagnetismo foi percebida apenas no início do século XIX porHans Christian Ørsted.[58] As descrições físicas e matemáticas da eletricidade e magnetismo foram unificadas porJames Clerk Maxwell,[59] e a partir de então estas duas áreas, juntamente com aóptica, passaram a ser tratadas como visões diferentes do mesmo fenômeno físico, oeletromagnetismo.[59] O início do século XX marca a fronteira entre a física clássica e afísica 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 darelatividade geral em 1915 afirmando a constância davelocidade da luz e suas consequências até então imagináveis.Max Planck, ao estudar aradiação de corpo negro, foi forçado a concluir que aenergia está dividida em "pacotes", conhecidos comoquanta. Einstein demonstrou fisicamente as ideias de Planck, fixando as primeiras raízes damecânica quântica, a física que descreve e explica fenômenos de dimensões subatômicas.[65] Mesmo estes campos de atuação são muito amplos e são, por sua vez, subdividios em áreas mais restritas.[79][83]
Lâmpada de filamento de carbono, aquecido pela passagem de corrente elétrica (efeito Joule).
Os fenômenos naturais apresentam quase sempre naturezas mais complexas e implicam, portanto, em investigações mais específicas. Surge, então, a necessidade de outrasciências 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, aquímica se dedica ao estudo damatéria e suas mudanças,[85] enquanto abiologia estuda osseres 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 deleis 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] Ateoria datermodinâmica e o consequente desenvolvimento dafísica estatística é um notório exemplo disto, e conceitos como o detemperatura são indissociáveis ao estudo de qualquer sistema natural, seja complexo ou não.
Um dos principais escopos da física é o estudo das quatroforças fundamentais.[88] Dentro do cotidiano, apenas duas das quatro forças fundamentais são influentes: oeletromagnetismo, que rege praticamente todas asforças que conhecemos e seus respectivos trabalhos, e agravidade, que age como uma simplesforça conservativa na superfície terrestre, sendo vertical e apontada para baixo. As forças nuclearesforte efraca 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]
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 damecânica clássica, seguindo paratermodinâmica e para oeletromagnetismo, embora áreas como acosmologia, aóptica e afísica 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 afísica pura busca produzir conhecimentos sobre os princípios mais fundamentais da natureza sem a intenção de produzir conhecimentos práticos imediatos,[91] afísica aplicada busca dar resposta a problemas práticos.[91] Asengenharias se aproximam da física aplicada quando buscam resolver problemas de ordem prática, como naaeronáutica,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 oolho humano reconhece e codifica aluz visível, tentando produzir sensores que possam substituir aretina para aqueles que não são mais ou nunca foram capazes de enxergar, produz conhecimentos sobre os comportamentos físicos e biológicos denanopartículas sem ainda ter, entretanto, alguma utilidade prática.
A física se preocupa com o estudo damatéria,energia,espaço etempo, buscando sempre uma maior precisão e uma maior profundidade no entendimento dos elementos e princípios fundamentais. Também tem, contudo, o objetivo de construir umateoria unificada expressada em linguagem matemática precisa e corroboradaexperimentalmente de forma universal, que apresente uma estrutura e um comportamento que permitam que seusmodelos científicos sejam capazes de descrever e prever os fenômenos naturais na maneira mais compreensiva e detalhada possível, sejam estes quais forem.[73][92] Em sintonia com este objetivo, a física está caracterizada por uma instrumentação e medições altamente precisas.[93] 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
Umtransferidor de plástico observado por uma lente quepolariza 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 umaradiação eletromagnética, é abordado pelaóptica.
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 arevolução científica está grandemente associada ao início damecânica clássica.[94]
Existem várias formas de dividir esta ciência tão ampla. Considera-se o início da física clássica e independente os estudos deGalileu Galilei.[94] O paradigma de René Descartes, uma visão mecanicista daciência onde o mundo natural é uma máquina 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,[95] quando o entendimento científico foi modificado profundamente pelo advento dos fundamentos darelatividade e damecânica quântica, em um mundo onde otempo pode se dilatar e as partículas elementares não são mais pontuais e locais e comportam ora comoonda, ora comopartícula.[96][97] Esta época delimita a fronteira entre a física clássica e afísica moderna.[98]
As divisões clássicas da física, antes do início doséculo 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: osmovimentos eforças são objeto de estudo da mecânica, a curiosidade acerca docalor e suas propriedades criou um plano de fundo para o surgimento datermodinâmica. Aeletricidade, omagnetismo e aóptica 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, oeletromagnetismo.
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 qualquerreferencial e a constância davelocidade da luz, são a base darelatividade. Amecânica quântica é a física das dimensões subatômicas.
Ainda existem numerosas divisões interdisciplinares da física. Tem um papel crucial dentro daciência dos materiais ao fornecer subsídios para o estudo de relações, estruturas, performance, formas de caracterização e processamento dos materiais. Abiofísica surge quando abiologia necessita resolver problemas que pertencem ao escopo da física. Da mesma forma afísica médica surge quando amedicina necessita da física para resolver problemas, especialmente notáveis emradiologia. Destacam-se ainda ametalurgia, que necessita da física, especialmente da mecânica, na produção de produtos metálicos; ageofísica, que busca o compreensão da estrutura, composição e dinâmica do planetaTerra sob a ótica da física; afísico-química, quando aquímica necessita de conceitos físicos, como omovimento,energia,força,tempo,termodinâmica,mecânica quântica efísica estatística, para a resolução de problemas; afísica matemática, quando a física requer a utilização da metodologia damatemática para a aplicação de problemas físicos; e ameteorologia física, a área dameteorologia 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.[99]
Animação mostrando um objeto em rotação intermitente. As flechas representam os vetoresforça,momento linear,posição,momento angular etorque. A mecânica clássica preocupa-se com a descrição do movimento e suas causas.
A mecânica clássica descreve o movimento de objetosmacroscópicos, desdeprojéteis a partes demáquinas, além decorpos celestes, comoespaçonaves,planetas,estrelas egaláxias. A mecânica clássica em si também é muito ampla e várias especializações são derivadas dela. Referente aos conceitos abordados, pode ser dividida emCinemática, que estuda osmovimentos sem se preocupar com suas causas, aEstática, que aborda sistemas sob ação deforças que se equilibram, e aDinâmica, que estuda o movimento considerando suas causas, em outras palavras, aborda sistemas sob ação de forças que não se equilibram.[100]
Surgiu durante arevolução científica, juntamente com a consolidação da física como ciência moderna.Galileu Galilei pode ser considerado o marco inicial da mecânica clássica,[94] mas sua consolidação definitiva veio com a publicação dosPhilosophiae Naturalis Principia Mathematica, deIsaac 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 doséculo XVIII e durante oséculo XIX a mecânica foi reformulada porJoseph-Louis Lagrange eWilliam Rowan Hamilton, para que abarcasse a resolução analítica de um maior número de problemas com um ferramental matemático mais refinado.[101][102]
A mecânica não se limita à análise de partículas discretas, mas estuda também meios contínuos. Omomento 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.[103] Amecânica de meios contínuos é a mecânica que aborda o estudo dos materiais de massa contínua, em oposição de materiais de partículas discretas ou isoladas. Amecânica dos fluidos e aDinâmica de corpo rígido são exemplos de divisões da mecânica de meios contínuos.[104]
Padrão de franjas observado em um anteparo causada peladifração de um feixe de laser. A difração da luz, assim como em qualquer outrofenômeno ondulatório, são estudados pela ondulatória.
A ondulatória, na física clássica, estuda as características e as propriedades dasondas e seus movimentos e relações. A onda consiste-se de perturbações, pulsos ouoscilações ocorridas em um determinado meio, que pode ser material ou não. Transportaenergia cinética da fonte para o meio, sendo incapaz de transportarmatéria.[106]
Precedendo a termodinâmica pode-se encontrar aTermologia, que é basicamente o estudo docalor, ou seja, o estudo daenergia térmica em trânsito, que se diferencia detemperatura, que é o grau de agitação dasmoléculas. Porém, os conceitos mais arraigados desta área encontram-se na termodinâmica, que estuda as relações entre o calor trocado e otrabalho realizado.[111]
Umalâmpada de plasma, constituída por um bulbo com gás à pressão baixa. O grandepotencial elétrico aplicado ao eletrodo em seu centro excita o gás em seu torno, que passa ao estado deplasma e passa a ser eletricidade. Esses conceitos são abordados pelo eletromagnetismo
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 ateoria do caos nesta área.[119]
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 dasconstantes 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 aradiação de corpo negro e acatástrofe do ultravioleta, oespectro de raias dos elementos e oefeito fotoelétrico.[62][63][64] As contribuições iniciais deMax Planck e sobretudoAlbert Einstein abriram novos campos para a explicação destes fenômenos e abriram margens para descobertas e ponderações até então inimagináveis.[61][65]
Max Planck, em 1900, durante seus estudos sobreradiação 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 comocatástrofe 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 oefeito fotoelétrico. Planck e Einstein fundamentaram os princípios damecânica quântica, que é basicamente a física das dimensões subatômicas. Seu desenvolvimento foi impulsionado, entre outros, porNiels Bohr,Louis de Broglie,Werner Heisenberg eErwin Schrödinger.[97]
A teoria mais precisa elaborada pela ciência é aeletrodinâmica quântica deRichard Feynman, onde é utilizado as noções da mecânica quântica para a descrição e explicação decampos eletromagnéticos. Feynman elaborou uma das primeiras e a mais famosateoria quântica de campos e foi sucedido pela elaboração dacromodinâmica quântica, a teoria quântica do campo daforça forte, que levou à previsão e a posterior descoberta dosquarks. Após a fusão das descrições daforça fraca com o eletromagnetismo em altas energias, três das quatroforças fundamentais são descritas por teorias quânticas de campos. Entretanto, agravidade ainda não é descrita por nenhuma teoria quântica de campos corroborada experimentalmente.[120]
A física moderna não está limitada apenas à relatividade e à mecânica quântica. Destacam-se também afísica das partículas elementares, que estuda as propriedades daspartículas elementares que constituem a matéria; afísica nuclear, que estuda as propriedades dosnúcleos atômicos; afísica atômica e molecular, que estuda as propriedades físicas da associação dos núcleos eelétrons; afísica da matéria condensada, que aborda o entendimento do comportamento da matéria composta por um grande número de átomos; e a física doplasma, que estuda as propriedades da matéria cuja temperatura é suficientemente alta para que elétrons e núcleos consigam se manter separados.[121] Aóptica, que é uma área da física ligada ao eletromagnetismo, também tem pilares na Mecânica quântica, pois aluz visível, uma faixa de toda aradiação eletromagnética, exibe propriedades duais: comporta-se como ora como partícula ora como onda.[121] As disciplinas físicas daastronomia, como aastrofísica, utilizam grandemente a mecânica clássica em seus estudos, mas arelatividade geral encontra a sua maior aplicação nesta cadeira, especialmente nacosmologia.[122]
Aexploração espacial é possível graças à aplicação da física em novas tecnologias.
Afísica 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.[123] Em 1916,Albert Einstein propôs o modelo deemissão estimulada, onde a colisão de umátomo excitado com um fóton de mesma energia provoca 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 dolaser, que viria a ser inventado apenas em 1960.[124]
Afísica aplicada é o termo geral para pesquisas em física com objetivo de uso particular. Está associada àengenharia. Um físico aplicado, que pode ser ou não umengenheiro, está projetando algo em particular usando a física ou conduzindo uma pesquisa física com o objetivo de desenvolver novastecnologias ou de resolver problemas.[125]
A abordagem é semelhante à abordagem damatemática aplicada. Os físicos aplicados também podem estar interessados no uso da física parapesquisas científicas no desenvolvimento tecnológico ou em aplicações práticas, que podem não estar relacionados à própria engenharia. Os cientistas que trabalham em umacelerador de partículas buscam desenvolver detectores de partículas mais eficazes para permitir um maior progresso da física teórica,[125][126] mas podem estar trabalhando na miniaturização decircuitos eletrônicos para que a própriatecnologia avance.
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.[129] É endossado segundo a concordância de suas predições com as observaçõesempíricas.[130] Uma teoria física também é endossada pela sua habilidade de realizar novas previsões que podem ser verificadas através de novas observações.[130] Uma teoria física difere de umteorema matemático; ambos são baseados emaxiomas oupostulados, mas aplicabilidade matemática não é baseada com a concordância de resultados experimentais.[131] Uma teoria física envolve uma ou mais relações entre as váriasgrandezas físicas.[132] Em certas ocasiões, a visão provida por sistemas matemáticos puros podem prover pistas de como um sistema físico deve ser modelado.[133]
Os avanços teóricos existem quando velhosparadigmas são postos de lado;[134] amecânica Newtoniana foi suplantada pelamecânica relativística, mas a mecânica Newtoniana é um de seus casos particulares.[135] 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.[134] Ométodo científico existe para testar as consequências de uma teoria física.[136]
Afísica experimental está preocupada com a aquisição de dados, seus métodos e conceitualizações detalhados, além da realização deexperimentos laboratoriais, em contraste com osexperimentos mentais. Está preocupada em obter conhecimentos da Natureza,[137] em contraste com afísica teórica, que está preocupada em entender como a Natureza se comporta.[137] 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.[138] 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.
A visãomecanicista deRené 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 àfilosofia natural desde aantiguidade até o século XVIII, afilosofia da física pode ser considerada a mais antiga disciplinafilosófica da história.[84] A reflexão humana sobre o mundo físico precedeu historicamente areflexão sobre a natureza de nossos própriospensamentos e nossas interações sociais com outrosseres humanos.[139] No entanto, filosofia da física, como disciplina moderna, surge durante oRenascimento e começa a ser aprofundada durante oIluminismo, tendo um caráter maisepistemológico com o avançar dos séculos.[140]
A filosofia natural é debatida desde a antiguidade pré-clássica. As primeiras reflexões vieram sobre discussões de ordem prática acerca damecânica,óptica eastronomia. Babilônicos e egípcios eram capazes de prevereclipses solares elunares. Porém, os debates acerca do mundo natural estavam sempre associados ageometria. 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 posteriormenteDemócrito de Abdera desenvolveram oatomismo, onde tudo o que há na natureza é formado por átomos indivisíveis e eternos. ParaAristóteles, 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 livroFísica. 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. EmboraAristarco de Samos tenha defendido oheliocentrismo, o auge da astronomia grega vem com ogeocentrista,Ptolomeu que aperfeiçoou e complexificou a mecânica celeste grega baseada em esferas eepiciclos para englobar todos os movimentos dos astros observados, incluindo aprecessão 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 comocientistas no dia-a-dia,[nota 2] mas a filosofia da física envolve uma combinação de assuntosconceituais,metodológicos,epistemológicos e até mesmometafísicos.[139][141] Os filósofos da física colaboram juntamente com os físicos para entenderem os conceitos que empregam em suas pesquisas.[142] Um dos primeiros estudos modernos da filosofia da física foi a reflexão sobre os componentes mais fundamentais doUniverso.[84] ORenascimento 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 àmatemática.[143] 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.[143]
Emerge deste pensamento, dessa mentalidadereducionista emecanicista do Universo levou o ser humano a uma visão fragmentada da verdade, tendo como consequência a quebra da ciência nas várias especialidades, odeterminismo científico,[143] 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.[144] Esta forma de pensar liga-se diretamente ao reducionismo. Segundo essa linha de pensamento, é possível escreverleis 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 osfenômenos químicos possam ser deduzidos damecânica 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.[145] 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 doSistema Solarheliocêntrico imaginado porJohannes Kepler. O sistema solar seria inicialmente para Kepler perfeito como ossólidos de Platão. Anos mais tarde Kepler concluiu que as órbitas planetárias deveriam serelípticas, contrariando o seu próprio pensamento inicial.
A crise científica no início doséculo XX, causada pelos seus próprios progressos, abalou o paradigma reducionista-mecanicista cartesiano. O surgimento darelatividade e damecânica quântica e outras áreas dafísica moderna redefiniu conceitos como ordem,posição,tempo,espaço, momento, continuidade e separabilidade,referencial e localidade.[143] Os métodos reducionistas já não são compatíveis com novas formas da lógica e acomplexidade surge em primeiro plano. Ocaos, a complexidade, aprobabilidade e aincerteza passaram a integrar uma nova forma da percepção darealidade.[143]
Com a física em posição de ciência mais fundamental, certas questõesmetafísicas, como especulações sobre otempo, 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 eação, ou mesmo identidade, estas deveriam ser consideradas em princípio corretas.[146] 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.[139]
A física tem sido considerada historicamente o modelo de ciência para todas as outras ciências, naturais ou não, tanto por filósofos quanto por cientistas.[147] Por exemplo, aSociologia, ainda nos seus primórdios comAuguste Comte, na primeira metade do século XIX, era chamada de física Social.[148][149] Dentro da construção dosenso comum, a física detém os melhores métodos que a ciência pode conceber.[139] 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.[150]
A física tem o apoio dalógica, 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.[152] Tal conclusão e suas leis da identidade (X deve ser X), da impossibilidade dacontradição (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 oraciocínio 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.[153]
Alógica matemática oferece ao conhecimento humano a capacidade de esclarecer e de argumentarconceitos. 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 dedemonstrações são a base do raciocínio matemático e da própriamatemática e que, por sua vez, oferece o suporte lógico para os conceitos físicos.[154]
ANatureza pode ser entendida por meio de ferramentasmatemáticas.[155][156] As noções de números e outras estruturas matemáticas não precisam da física para serem justificadas.[157] Entretanto, novas afirmações matemáticas podem ser usadas, muito tempo mais tarde, para descrever um fenómeno físico. Osnúmeros complexos, que são uma das bases da mecânica quântica, já tinham sido pensados no século XVI.[158] No entanto, a matemática é mais do que uma ferramenta da física, é a sua própria linguagem.[155]
O próprio desenvolvimento da física está intimamente ligado com o desenvolvimento da matemática,[159] sendo a recíproca também certamente verdadeira.[155] Desde que os chamados "Calculatores de Merton College", no século XIV, começaram a descrever acinemática utilizando a matemática,[160] passando porJohannes Kepler[161] e por Galileu Galilei,[155] 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 doCálculo, disciplina com inegável relevância na matemática e na física, juntamente comGottfried Leibniz.[155]
Os cientistas em física usam ométodo científico, um conjunto de técnicas e procedimentos com o objetivo de tornar científico o conhecimento produzido,[76] para validar umateoria, usando uma aproximação metodológica para comparar as implicações da teoria com as conclusões obtidas deexperimentos eobservações 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 asprevisões eteses feitos por um físico teórico, assim ajudando na validade ou não de uma teoria.[162][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. Aobservação e aexperimentação são o ponto de partida e o mais importante teste para a formulação das leis naturais. Aabstração 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 deconceitos emodelos, pode-se procurar através doprocesso 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.[163]
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",[164] e até mesmo a sua inexistência.[165] Portanto, se opõem a qualquer tentativa de estruturação do método científico, que inclui a enumeração rígida dos passos, visto frequentemente na educação de ciências.[166] Alguns filósofos, como Karl Popper, negam a existência do método científico elaborado; para Popper existe apenas um método universal, a tentativa eerro,[165] embora para os defensores do método científico moderno a tentativa e erro fazem parte de sua definição.
As hipóteses integrantes de uma teoria que são suportadas por dados confiáveis, geralmente de natureza abrangente e que suportam as várias tentativas defalseabilidade, segundoKarl Popper,[167] são chamadas deleis 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 umaanomalia que falsifica a teoria for encontrada.[168] Entretanto, isto não é absolutamente linear. Uma teoria ou um conjunto de teorias podem ser mantidos mesmo que haja anomalias que os invalidem. SegundoImre Lakatos, um conjunto de teorias, que é chamado por ele de "programas de pesquisa", é mantido mesmo com várias anomalias.[169] 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 pelafísica experimental, embora o "núcleo central", ou seja, a tese básica do programa de pesquisa, deve ser mantida integralmente.[169] 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 nahistória da ciência. Os programas de pesquisa vencedores podem englobar ou não programas de pesquisa superados.[169] A evolução dos "programas de pesquisa" de Lakatos é semelhante à tese de revoluções científicas associadas a mudanças deparadigma, defendida porThomas Kuhn, como base do desenvolvimento da ciência.[134] Osparadigmas científicos, que englobam toda uma linha de teorias científicas, métodos e valores, contém convicções científicas que não podem ser explicadas segundo as teorias existentes sobreracionalidade.[170]
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 deciência normal, ou seja, o período onde determinados paradigmas são aceitos e investigados.[134] 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".[134]
AsLeis de Newton, por exemplo, estão embebidas dentro darelatividade, assim como toda amecânica Newtoniana,[171] 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.[172]
Os filósofos de física discutem os assuntos tradicionais referentes ao espaço e ao tempo com base nas teorias historicamente concebidas, desdeAristóteles àrelatividade geral deEinstein.
SegundoIsaac Newton, o espaço é um ente físico separado e independente dosobjetos que estão contidos no seu interior. Esse ente físico, com realidade física comparável a de uma substância, determina umreferencial absoluto totalmente inercial. Newton também defende que otempo é contínuo e infinito e existe mesmo com a ausência de objetos e eventos. Newton estabeleceu, assim, a filosofia física do Substantivalismo.[173] No entanto,Gottfried Leibniz, um dos desenvolvedores doCálculo 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.[173] O Relacionalismo ganhou fôlego com o advento da relatividade geral, embora o Substantivalismo ainda tenha seguidores atualmente.[139]
As discussões sobre a natureza do tempo e sobresimultaneidade se iniciaram com a diferença de seus significados dentro damecânica clássica e darelatividade restrita. Dentro da teoria de Einstein, a simultaneidade deixa de ser absoluta. Os eventos que são simultâneos dentro de sistema dereferências podem não sê-lo em outro.[174] Entretanto, o alemão e filósofo da físicaAdolf Grünbaum argumenta que a simultaneidade dentro da relatividade restrita é apenas fruto de uma convenção, pois avelocidade da luz na relatividade restrita é sempre a mesma, constante quando medida em qualquerreferencial inercial, não importando para tal seus estados relativos demovimento; 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.[174][175]
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 àimpossibilidade de simultaneidade de medidas com precisão absoluta para determinadas grandezas namecânica quântica.[176] SegundoWerner Heisenberg, em 1925, existe umaincerteza na determinação da posição de umapartícula subatômica. O produto da incerteza da posição pela incerteza de seu momento nunca será menor do que uma certaconstante numérica. Não se pode, por exemplo, medir a posição e o momento de umelétron 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.[177]
Isto compromete profundamente o paradigma cartesiano, a mentalidadereducionista emecanicista do Universo, que levou o ser humano a uma visão fragmentada e demasiadamente simplória da verdade. Segundo odeterminismo científico, tudo que existe não passa de partículas pontuais e seus movimentos são para sempre estritamente determinados quando se mensuram asposições e asvelocidades 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.[178] 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. Acomplexidade e aprobabilidade 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.[179]
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 qualquergrandeza física, o que põe em xeque 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 depseudociências.[180] 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 mundomacroscópico.[177]
Albert Einstein foi um dos defensores do paradigma cartesiano. Embora tenha sido um dos fundadores damecânica quântica, não aceitava a visão de Heiseberg e ainterpretação de Copenhague, afirmando que a teoria quântica estava incompleta: a incerteza na verdade seria a falta de conhecimento sobrevariáveis ocultas.[181] Segundo Einstein, "Deus não joga dados com o Universo".[182] Juntamente comBoris Podolsky eNathan Rosen, publicaram um artigo, que ficou conhecido comoparadoxo 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".[181] 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 asdesigualdades 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.[183]
Deste modo, os filósofos da física encaram questões filosóficas que abordam questões mais gerais, como o paradigma cartesiano e opositivismo. Filosoficamente e historicamente, a mecânica quântica nega o determinismo estrito e pontual, apoiando-se na interpretação de Copenhague, 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.[184] Filósofos mais moderados defendem a continuação das bases da mecânica quântica, mas defendem que as mecânicas clássica e quântica tenhamontologias totalmente independentes, isto é, as ontologias das duas mecânicas devem ser incomensuráveis.[185] Porém, os defensores do paradigma cartesiano e do positivismo sugerem que a própria mecânica quântica encontre uma solução; alguns defendem a superação daEquação 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.[186]
Afísica 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 deprobabilidade e deestatística.[187]
Surge, então, um problema filosófico em relação ao questionamento sobre a exata definição deprobabilidade. Alguns filósofos sugerem que a probabilidade seja a medida da "ignorância" sobre umnúmero real.[188] Entretanto, esta definição é bastante subjetiva e não explica o sentido de probabilidade usada pelafísica estatística ou pelamecânica 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 decairradioativamente 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.[189]
Dentro dos processos probabilísticos está arraigada a noção deentropia, conceito fundamental também emtermodinâmica.Ludwig Boltzmann propôs que a direção da "flecha do tempo" é determinada pela entropia.[190] 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 hajadeterminismo estrito e pontual, inconcebível dentro da mecânica quântica; a direção do tempo determinado pela entropia não passaria de um ponto de vista metafísico.[191] Entretanto, outros afirmam que é absolutamente possível conciliar as duas teorias e que a direção do tempo é realmente determinada pela entropia.[191] A segunda corrente de ideias está grandemente relacionada ao relacionalismo de Leibniz, onde o tempo existiria apenas se existissem objetos e eventos em constante complexidade, que pode ser traduzida como a própria entropia.[139]
Os filósofos da física tradicionalmente se preocupam com a natureza dasteorias científicas, isto devido em grande parte ao papel central que aepistemologia da ciência teve na filosofia, principalmente após o início doséculo XX.[192] 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 àfísica experimental e têm argumentado que oexperimento tem seus própriosmétodos epráticas, que podem se diferenciar e serem incomensuráveis dentro da diversidade do escopo dafísica experimental.[193]
ParaThomas Kuhn, aciência normal é realizada dentro de um determinado paradigma científico praticamente estável, mesmo com a presença de anomalias que contrariam tal paradigma.[134] Analisando-se as revoluções científicas, Kuhn percebeu que estas estão associadas a mudanças de paradigma.[134] 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.[134] SegundoImre Lakatos, que usa um conceito semelhante conhecido comoprograma de pesquisa,[169] tais mudanças de ponto de visão não ocorrem abruptamente. Consequentemente, não existem experimentos cruciais naHistória da física.[169] A concepção deÉter, para Lakatos, não foi abandonada abruptamente com aExperiência de Michelson-Morley, mas sim abandonada lentamente e historicamente.[169]
A física e as outrasciências naturais são o motor de propulsão de numerosas instituições científicas de grande importância. Tais instituições, como aOrganização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN) demandam não apenas imensos investimentos,[194] mas também o mais refinado contingente humano que se pode disponibilizar.[195] Ospaíses desenvolvidos eem desenvolvimento aplicam uma significativa parcela de seuproduto interno bruto (PIB) na investigação científica em geral.[196] Deste montante, uma parte importante é destinada para a física, suas divisões e aplicações àEngenharia e àIndústria.[196] Tais países também mantêm um aparelho burocrático para a administração desses investimentos.[197] Tais aparelhos constituem-se de órgãos executivos e de assessoria especializada na condução e organização dos assuntos relacionados à pesquisa científicapura eaplicada.[197] 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 arevolução científica.[198]
Essa evolução na física ganhou ares de uma revolução autêntica; osistema heliocêntrico de Copérnico e a introdução doexperimento como argumento para provar afirmações, tendoGalileu Galilei como pioneiro, abalaram definitivamente o paradigma aristotélico dominante no pensamento filosófico até aIdade Média.[199] Aastronomia tornou-se também uma ciência moderna com a primeira grande unificação da física, quandoIsaac Newton uniu a física dos Céus e da Terra sob agravitação universal[49] e com a considerável evolução nanavegação, primeiramente com a utilização doastrolábio[200] e posteriormente com a invenção derelógios mais precisos que marcaram um fim nos problemas da navegação, problema que a filosofia natural Medieval não foi capaz de encontrar uma solução.[201] A destruição do sistema filosófico e religioso herdado da cultura medieval e as conquistas práticas dasgrandes navegações libertaram a filosofia natural de sua posição de contemplação e especulação, e pavimentaram o caminho para uma era em que a ciência passou a ser encarada como instrumento de transformação.[198]
Durante orenascimento italiano, as primeiras universidades ditas modernas foram criadas. Essas universidades abriram a oportunidades para novas atividades intelectuais.[202] 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.[203] As primeirassociedades científicas são italianas, como aAccademia Nazionale dei Lincei, fundada em 1603 emRoma, e aAccademia del Cimento, fundada emFlorença em 1651. Em seguida foi fundada naInglaterra em 1662 aRoyal Society e aAcadémie des Sciences, naFrança em 1666. No final do século XVIII, havia aproximadamente duzentas sociedades científicas na Europa.[204]
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. SegundoRobert 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 adivindades,metafísica,moral,política,gramática,retórica oulógica.[205] 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.[198]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.[206] Essa situação continuou até a segunda metade doséculo 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 eramautodidatas.[198]
OObservatório de Paris, fundada como anexo daAcadémie Royale des Sciences, e oObservatório 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.[207] Foram também as primeiras organizações, e as únicas durante muito tempo, a oferecer uma cadeira regular a um especialista de alguma área da física.[198] Entretanto, nos séculos XVIII e XIX, houve a ausência grandes desenvolvimentos na organização social da física. Quase todo o desenvolvimento nesta área está confinado ao século XX, especialmente devido àsPrimeira eSegunda guerras mundiais, onde era necessário o desenvolvimento de armas sofisticadas que exigiam conhecimentos avançados de física, como naAerodinâmica,física nuclear, entre outros.[208]
↑A Física é, de facto, uma ciência de extrema importância para todos os avanços tecnológicos que aconteceram e acontecem no nosso Mundo. Ela está presente em quase todos os mecanismos, simples e complexos, que utilizamos no nosso quotidiano. Porém, não foi somente a Física que "criou" a tecnologia, mas sim esta em conjunto com outras diversas áreas como aQuímica, aBiologia, asEngenharias, etc.
↑SegundoRichard Feynman: "A filosofia da ciência é tão útil para o cientista quanto a ornitologia para os pássaros." ou, nas palavras deBertrand Russell: "Ciência é o que você sabe. Filosofia é o que você não sabe."
↑Teoria, em seu sentido científico estrito, refere-se à união indissociável de um corpo de idéias testáveis efalseáveis frente a fatos naturais e do conjunto de todos os fatos conhecidos; na ausência de contradição, costuma-se especificar apenas o subconjunto de fatos mais relevantes à teoria em questão. Contudo, mesmo entre os cientistas, a palavra teoria é muitas vezes usada como referência ao corpo de idéias apenas, ficando o conjunto de fatos subentendido. Não é difícil identificar o sentido adequado a cada situação. Contudo este não deve nunca perder de vista a definição restrita em suas considerações.
↑Embora grande parte dos resultados e observações experimentais sejam obtidos a partir de experimentos montados com objetivos pré-definidos, este procedimento está longe de ser um procedimento exclusivo de obtenção dos dados, fatos e respostas necessários à construção e evolução das teorias científicas. A invenção e aplicações decorrentes dolaser, a unificação das teorias da eletricidade e o magnetismo via experiência deØrsted, e mesmo a aplicação doviagra como estimulante sexual são exemplos de "surpresas" e implicações inesperadas de resultados experimentais que não podem ser renegados ao considerar-se possíveis implicações filosóficas da "objetividade pré-definida" do procedimento teórico experimental dentro da ciência.
↑Respectivamente nas palavras deJacob Bronowski,Thomas Hobbes eKonrad Lorenz: "O homem domina a natureza não pela força, mas pela compreensão. É por isto que a ciência teve sucesso onde a magia fracassou: porque ela não buscou um encantamento para lançar sobre a natureza"; "ciência é o conhecimento das consequências, e da dependência de um fato em relação a outro."; "A verdade na ciência pode ser mais bem definida como a hipótese de trabalho mais adequada para abrir o caminho até a próxima hipótese. É um bom exercício para um pesquisador livrar-se de uma hipótese favorita todo dia, antes do café da manhã. Isso o manterá jovem."
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