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Física

Nota: Para outros significados, veja Física (desambiguação).

Física (do grego antigo: φύσις physis "natureza") é a ciência que estuda a natureza e seus fenômenos em seus aspectos 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. 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.

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 nos projéteis, pêndulos e movimentos dos planetas; Isaac Newton, mais tarde, elaborou 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. 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, propondo a constância da velocidade 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 entre massa e energia, geralmente 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 quânticas 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, 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. 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", gravitação quântica, termodinâmica de buracos negros, dimensões suplementares, flecha do tempo, inflação cósmica e o mecanismo de Higgs. Ainda existem fenômenos observados empiricamente e experimentalmente que ainda carecem de explicações científicas, como a possível existência da matéria escura, raios cósmicos com energias teoricamente muito altas 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

Ver artigo principal: História da física

Antiguidade pré-clássica

Aristóteles, considerado um dos maiores filósofos naturais da Grécia Antiga

As pessoas, desde a Antiguidade, estavam conscientes da regularidade da Natureza. Desde tempos remotos sabia-se que o ciclo lunar era de aproximadamente 28 dias, e que os objetos, na ausência de suporte, caíam. 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. 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.

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

Grécia Antiga

As primeiras tentativas ocidentais de prover uma explicação racional para os fenômenos naturais vieram com os gregos. 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. 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. 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. Aristarco de Samos foi um dos primeiros defensores do heliocentrismo, 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. 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.

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. 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.

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. Este sistema foi se sofisticando ao longo dos séculos, com a crença dos gregos em um sistema geocêntrico. 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. 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.

Idade Média e filosofia natural Islâmica

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

Com a queda do Império Romano, no século IV d.C., a maior parte da filosofia natural grega, assim como toda a educação em geral, perde importância. Esta época ficou conhecida como a "idade das trevas" para a evolução do conhecimento natural. 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. Al-Khwarizmi é considerado o fundador da álgebra que hoje conhecemos. O astrolábio, presumidamente inventado por Ptolomeu, foi aperfeiçoado pelos persas.

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. Assim, a Europa medieval voltou a apreciar a filosofia natural após longos séculos de escuridão. Uma vez traduzidos, todos os documentos foram estudados primeiramente por escolas estabelecidas juntamente a igrejas e catedrais. Tais escolas transformaram-se nas primeiras universidades medievais posteriormente. As universidades de Cambridge e Oxford foram fundadas no século XIII. Apesar de oferecerem ainda um ensino escolástico, tais universidades começaram a dar suporte para os primeiros desenvolvimentos científicos.

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. 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.

Renascimento, revolução científica e desenvolvimento do método científico

Ver artigo principal: Revolução científica

O renascimento foi a época do redescobrimento do conhecimento na Europa. 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. 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. 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.

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.

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. 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.

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.

Desenvolvimento da mecânica, termodinâmica e eletromagnetismo

Após Galileu, Isaac Newton foi um dos cientistas mais importantes para o desenvolvimento da mecânica clássica. Suas três leis serviram de base para toda a mecânica até o início do século XX. Sua mecânica tornou-se modelo para a construção de teorias científicas futuras. Em seu livro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, considerado a publicação mais influente de toda a história, descreveu a universalidade de suas leis 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.

A invenção da máquina a vapor, aprimorada por Thomas Newcomen e James Watt, levou a um grande interesse científico no estudo do calor. O francês Sadi Carnot, já no século XIX, formulou as bases para o entendimento de máquinas térmicas. Joseph Black começou a quantificar o calor através da medida da capacidade térmica das substâncias. 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. Os trabalhos de Joule estabeleceram o princípio da conservação da energia, que se tornou a base para a primeira lei da termodinâmica, formulada por Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin). Clausius também formulou o conceito de entropia, que é a base para a segunda lei da termodinâmica. 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. Entretanto, o estudo científico da eletricidade e do magnetismo foi iniciado no século XVII por William Gilbert, em seu livro De Magnete. Otto von Guericke produziu o primeiro gerador eletrostático. Pieter van Musschenbroek construiu a primeira garrafa de Leiden, que acumula cargas elétricas. Alessandro Volta construiu a primeira pilha voltaica, que podia fornecer uma corrente elétrica contínua.

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. Hans Christian Ørsted argumentou que a corrente elétrica gera magnetismo em torno do fio condutor. André-Marie Ampère forneceu os primeiros apoios matemáticos para o magnetismo em função da corrente elétrica. 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. Também elaborou os conceitos de campos magnético e elétrico. 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. Maxwell propôs a existência de ondas eletromagnéticas, e sugeriu que a própria luz seria um exemplo de onda eletromagnética. 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.

Física moderna

No final do século XIX, as teorias clássicas da física estavam firmemente estabelecidas. Restavam aos físicos realizar medidas mais precisas para as constantes universais e aplicar o conhecimento obtido em tecnologias vindouras. 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.

Entre os "fenômenos rebeldes", destacavam-se a radiação de corpo negro, o efeito fotoelétrico e o espectro de raias dos elementos. 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.

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. Dez anos mais tarde, Einstein publicou a sua teoria da relatividade geral, estendendo a relatividade para referenciais não-inerciais e para a gravitação.

Em 1924, Louis de Broglie propõe a dualidade onda-partícula para o elétron, e dois anos mais tarde, Erwin Schrödinger publica a sua equação, que é a base da mecânica quântica moderna. 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. No final da década de 40, Richard Feynman desenvolveu a eletrodinâmica quântica, uma das teorias mais precisas já inventadas pelo homem atualmente. Feynman desenvolveu uma das primeiras teorias quânticas de campo e com a idealização e descoberta dos quarks, a cromodinâmica quântica foi elaborada. 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.

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. 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.

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. 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. 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.

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. 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.

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. 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.

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, considerado a obra científica mais influentes de toda a história

Constrói modelos científicos que descrevem o funcionamento da natureza e permitem compreender e prever com a precisão requerida os comportamentos e fenômenos naturais. Porém, tais modelos não conseguem descrever e explicar a natureza em toda sua complexidade, fato inerente aos limites do conhecimento humano. 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. 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. A termodinâmica teve sua origem na invenção das máquinas térmicas e sua consolidação veio com a formulação de seus princípios e a generalização do conceito de energia. A ligação da eletricidade com o magnetismo 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. 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. A incapacidade da descrição e explicação de certos fenômenos observados 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. 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. Mesmo estes campos de atuação são muito amplos e são, por sua vez, subdividios em áreas mais restritas.

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. Por exemplo, a química se dedica ao estudo da matéria e suas mudanças, enquanto a biologia estuda os seres vivos. 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. Embora a física esteja particularmente preocupada com os aspectos da natureza que possam ser entendidos fundamentalmente na forma de leis ou princípios elementares, 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. 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. 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. O estudo das quatro forças fundamentais constitui a maior aproximação fundamental para o entendimento da Natureza e de seus fenômenos que a ciência oferece.

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. 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. 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. 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, a física aplicada busca dar resposta a problemas práticos. 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. 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. Em sintonia com este objetivo, a física está caracterizada por uma instrumentação e medições altamente precisas. 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.

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. O próprio início da física clássica, durante a revolução científica está grandemente associada ao início da mecânica clássica.

Existem várias formas de dividir esta ciência tão ampla. Considera-se o início da física clássica e independente os estudos de Galileu Galilei. 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, 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. Esta época delimita a fronteira entre a física clássica e a física moderna.

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. 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. 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.

Física clássica

Mecânica clássica

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.

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, 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. 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.

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. 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.

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.

Ondulatória

Ver artigos principais: Oscilação e Onda
Padrão de franjas observado em um anteparo causada pela difração de um feixe de laser. A difração da luz, assim como em qualquer outro fenômeno ondulatório, são estudados 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.

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. A acústica é a parte da Ondulatória que estuda especificamente a propagação das ondas sonoras pelo ar. A luz foi considerada um fenômeno ondulatório a partir da experiência da dupla fenda de Thomas Young. Seus conceitos principais são ondas (transversais e longitudinais) comprimento de onda, oscilação, amplitude, frequência, fase, reflexão, refração, difração, interferência, polarização, efeito Doppler, entre outros.

Termodinâmica

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.

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. Seus princípios ajudaram no estabelecimento da teoria cinética e no consequente desenvolvimento da física estatística. Seus principais conceitos são calor, temperatura, pressão, volume, energia térmica, entalpia, entropia, capacidade térmica, calor específico, entre outros.

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.

William Gilbert foi o pioneiro no estudo do magnetismo e da eletrostática, 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 eletromagnética e James Clerk Maxwell unificou as descrições matemáticas da eletricidade e magnetismo em um grupo de quatro equações, conhecidas como Equações de Maxwell.

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.

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.

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. 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. 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.

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.

Mecânica quântica

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.

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.

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). 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. 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.

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. Em 1916, Albert Einstein propôs o modelo de emissão estimulada, onde a colisão de um átomo 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 do laser, que viria a ser inventado apenas em 1960.

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.

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, mas podem estar trabalhando na miniaturização de circuitos eletrônicos para que a própria tecnologia avance.

A física é muito usada na engenharia. A estática, uma subdisciplina da mecânica, é muito usada na engenharia civil. A física também pode ser utilizada na interdisciplinaridade em outras ciências, inclusive utilizando seus métodos em ciências não-naturais.

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. É endossado segundo a concordância de suas predições com as observações empíricas. Uma teoria física também é endossada pela sua habilidade de realizar novas previsões que podem ser verificadas através de novas observações. 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. Uma teoria física envolve uma ou mais relações entre as várias grandezas físicas. Em certas ocasiões, a visão provida por sistemas matemáticos puros podem prover pistas de como um sistema físico deve ser modelado.

Os avanços teóricos existem quando velhos paradigmas são postos de lado; a mecânica Newtoniana foi suplantada pela mecânica relativística, mas a mecânica Newtoniana é um de seus casos particulares. 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. O método científico existe para testar as consequências de uma teoria física.

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, em contraste com a física teórica, que está preocupada em entender como a Natureza se comporta. 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. 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.

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. 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. 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.

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, mas a filosofia da física envolve uma combinação de assuntos conceituais, metodológicos, epistemológicos e até mesmo metafísicos. Os filósofos da física colaboram juntamente com os físicos para entenderem os conceitos que empregam em suas pesquisas. Um dos primeiros estudos modernos da filosofia da física foi a reflexão sobre os componentes mais fundamentais do Universo. 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. 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.

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, 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. 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. 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. 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.

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. 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.

A física tem sido considerada historicamente o modelo de ciência para todas as outras ciências, naturais ou não, tanto por filósofos quanto por cientistas. Por exemplo, a Sociologia, ainda nos seus primórdios com Auguste Comte, na primeira metade do século XIX, era chamada de física Social. Dentro da construção do senso comum, a física detém os melhores métodos que a ciência pode conceber. 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.

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.

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. 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.

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.

A Natureza pode ser entendida por meio de ferramentas matemáticas. As noções de números e outras estruturas matemáticas não precisam da física para serem justificadas. 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. No entanto, a matemática é mais do que uma ferramenta da física, é a sua própria linguagem.

O próprio desenvolvimento da física está intimamente ligado com o desenvolvimento da matemática, sendo a recíproca também certamente verdadeira. Desde que os chamados "Calculatores de Merton College", no século XIV, começaram a descrever a cinemática utilizando a matemática, passando por Johannes Kepler e por Galileu Galilei, 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 Gottfried Leibniz.

Método científico e epistemologia

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, 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. 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.

Para um cientista moderno, o método de trabalho que ele emprega geralmente apresenta-se bem definido e claro. 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.

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", e até mesmo a sua inexistência. Portanto, se opõem a qualquer tentativa de estruturação do método científico, que inclui a enumeração rígida dos passos, visto frequentemente na educação de ciências. Alguns filósofos, como Karl Popper, negam a existência do método científico elaborado; para Popper existe apenas um método universal, a tentativa e erro, 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, 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. 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. 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. 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. A evolução dos "programas de pesquisa" de Lakatos é semelhante à tese de revoluções científicas associadas a mudanças de paradigma, defendida por Thomas Kuhn, como base do desenvolvimento da ciência. 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.

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. 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".

As Leis de Newton, por exemplo, estão embebidas dentro da relatividade, assim como toda a mecânica Newtoniana, 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.

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. No entanto, Gottfried 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. O Relacionalismo ganhou fôlego com o advento da relatividade geral, embora o Substantivalismo ainda tenha seguidores atualmente.

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. 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.

Mecânica quântica

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

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. 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.

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. 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.

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. 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.

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 Copenhague, afirmando que a teoria quântica estava incompleta: a incerteza na verdade seria a falta de conhecimento sobre variáveis ocultas. Segundo Einstein, "Deus não joga dados com o Universo". 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". 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.

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 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. 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. 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.

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.

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. 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.

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. 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. 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. Entretanto, outros afirmam que é absolutamente possível conciliar as duas teorias e que a direção do tempo é realmente determinada pela entropia. 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.

Física experimental

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. 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.

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. Analisando-se as revoluções científicas, Kuhn percebeu que estas estão associadas a mudanças de paradigma. 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. Segundo Imre Lakatos, que usa um conceito semelhante conhecido como programa de pesquisa, tais mudanças de ponto de visão não ocorrem abruptamente. Consequentemente, não existem experimentos cruciais na História da física. A concepção de Éter, para Lakatos, não foi abandonada abruptamente com a Experiência de Michelson-Morley, mas sim abandonada lentamente e historicamente.

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, mas também o mais refinado contingente humano que se pode disponibilizar. Os países desenvolvidos e em desenvolvimento aplicam uma significativa parcela de seu produto interno bruto (PIB) na investigação científica em geral. Deste montante, uma parte importante é destinada para a física, suas divisões e e aplicações à Engenharia e à Indústria. Tais países também mantêm um aparelho burocrático para a administração desses investimentos. Tais aparelhos constituem-se de órgãos executivos e de assessoria especializada na condução e organização dos assuntos relacionados à pesquisa científica pura e aplicada. 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.

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. 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 universal e com a considerável evolução na navegação, primeiramente com a utilização do astrolábio 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. 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 em que a ciência passou a ser encarada como instrumento de transformação.

Durante o renascimento italiano, as primeiras universidades ditas modernas foram criadas. Essas universidades abriram a oportunidades para novas atividades intelectuais. 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. 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.

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. 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. 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. 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.

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. Foram também as primeiras organizações, e as únicas durante muito tempo, a oferecer uma cadeira regular a um especialista de alguma área da física. 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.

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. Na física aplicada, muitos experimentos de matéria condensada estão objetivando a fabricação de aparelhos e computadores magnetoeletrônicos e quânticos.

Na física de partículas, as primeiras evidências experimentais de física além do modelo padrão começaram a aparecer, como a possibilidade do neutrino ter massa. Atualmente, os aceleradores de partículas são capazes de operar em energias da ordem de tera-elétrons-volt. 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. Para tal, equipamentos sofisticadíssimos foram construídos, como o Large Hadron Collider, o maior acelerador de partículas já construído do mundo.

A gravidade representa uma das mais importantes questões abertas na física moderna. 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. Existem modelos matemáticos que tentam conciliá-los, como a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop. Muitos fenômenos astronômicos e cosmológicos, a assimetria bariônica, a aceleração da expansão do Universo e o problema da maior velocidade angular das galáxias ainda carecem de descrições satisfatórias. 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.

Notas

  1. 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 a Química, a Biologia, as Engenharias, etc.
  2. Segundo Richard Feynman: "A filosofia da ciência é tão útil para o cientista quanto a ornitologia para os pássaros." ou, nas palavras de Bertrand Russell: "Ciência é o que você sabe. Filosofia é o que você não sabe."
  3. Teoria, em seu sentido científico estrito, refere-se à união indissociável de um corpo de idéias testáveis e falseáveis 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.
  4. 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 do laser, a unificação das teorias da eletricidade e o magnetismo via experiência de Ørsted, e mesmo a aplicação do viagra 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.
  5. Respectivamente nas palavras de Jacob Bronowski, Thomas Hobbes e Konrad 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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Física
física, ciência, estuda, propriedades, comportamento, matéria, enegia, língua, vigiar, editar, nota, para, outros, significados, veja, desambiguação, grego, antigo, φύσις, physis, natureza, ciência, estuda, natureza, seus, fenômenos, seus, aspectos, gerais, an. Fisica ciencia que estuda as propriedades e comportamento da materia e da enegia Lingua Vigiar Editar Nota Para outros significados veja Fisica desambiguacao Fisica do grego antigo fysis physis natureza e a ciencia que estuda a natureza e seus fenomenos em seus aspectos gerais Analisa suas relacoes e propriedades alem de descrever e explicar a maior parte de suas consequencias Busca a compreensao cientifica dos comportamentos naturais e gerais do mundo em nosso torno desde as particulas elementares ate o universo como um todo 1 2 Com o amparo do metodo cientifico e da logica e tendo a matematica como linguagem natural esta ciencia descreve a natureza atraves de modelos cientificos E considerada a ciencia fundamental sinonimo de ciencia natural as ciencias naturais como a quimica e a biologia tem raizes na fisica Sua presenca no cotidiano e muito ampla sendo praticamente impossivel uma completissima descricao dos fenomenos fisicos em nossa volta A aplicacao da fisica para o beneficio humano contribuiu de uma forma inestimavel para o desenvolvimento de toda a tecnologia moderna desde o automovel ate os computadores quanticos nota 1 Historicamente a afirmacao da fisica como ciencia moderna esta intimamente ligada ao desenvolvimento da mecanica que tem como pilares principais de estudo a energia mecanica e os momentos linear e angular suas conservacoes e variacoes Desde o fim da Idade Media havia a necessidade de se entender a mecanica e os conhecimentos da epoca sobretudo aristotelicos ja nao eram mais suficientes Galileu centrou seus estudos nos projeteis pendulos e movimentos dos planetas Isaac Newton mais tarde elaborou os principios fundamentais da dinamica ao publicar suas leis e a gravitacao universal em seu livro Principia que se tornou a obra cientifica mais influente de todos os tempos A termodinamica que estuda as causas e os efeitos de mudancas na temperatura pressao e volume em escala macroscopica teve sua origem na invencao das maquinas termicas durante o seculo XVIII Seus estudos levaram a generalizacao do conceito de energia A ligacao da eletricidade que estuda cargas eletricas com o magnetismo que e o estudo das propriedades relacionadas aos imas foi percebida apenas no inicio do seculo XIX por Hans Christian Orsted As descricoes fisicas e matematicas da eletricidade e magnetismo foram unificadas por James Clerk Maxwell A partir de entao estas duas areas juntamente com a optica passaram a ser tratadas como visoes diferentes do mesmo fenomeno fisico o eletromagnetismo No inicio do seculo XX a incapacidade da descricao e explicacao de certos fenomenos observados como o efeito fotoeletrico levantou a necessidade de abrir novos horizontes para a fisica Albert Einstein publicou a teoria da relatividade geral em 1915 propondo a constancia da velocidade da luz e suas consequencias ate entao inimaginaveis A teoria da relatividade de Einstein leva a um dos principios de conservacao mais importantes da fisica a relacao entre massa e energia geralmente expressa pela famosa equacao E mc A relatividade geral tambem unifica os conceitos de espaco e tempo a gravidade e apenas uma consequencia da deformacao do espaco tempo causado pela presenca de massa Max Planck ao estudar a radiacao de corpo negro foi forcado a concluir que a energia esta dividida em pacotes conhecidos como quanta Einstein demonstrou fisicamente as ideias de Planck fixando as primeiras raizes da mecanica quantica O desenvolvimento da teoria quantica de campos trouxe uma nova visao da mecanica das forcas fundamentais O surgimento da eletro e cromodinamica quanticas e a posterior unificacao do eletromagnetismo com a forca fraca a altas energias sao a base do modelo padrao a principal teoria de particulas subatomicas capaz de descrever a maioria dos fenomenos da escala microscopica que afetam as principais areas da fisica A fisica e uma ciencia significativa e influente e suas evolucoes sao frequentemente traduzidas no desenvolvimento de novas tecnologias O avanco nos conhecimentos em eletromagnetismo permitiu o desenvolvimento de tecnologias que certamente influenciam o cotidiano da sociedade moderna o dominio da energia eletrica permitiu o desenvolvimento e construcao dos aparelhos eletricos o dominio sobre as radiacoes eletromagneticas e o controle refinado das correntes eletricas permitiu o surgimento da eletronica e o consequente desenvolvimento das telecomunicacoes globais e da informatica O desenvolvimento dos conhecimentos em termodinamica permitiu que o transporte deixasse de ser dependente da forca animal ou humana gracas ao advento dos motores termicos que tambem impulsionou toda uma Revolucao Industrial Nada disso seria possivel entretanto sem o desenvolvimento da mecanica que tem suas raizes ligadas ao proprio desenvolvimento da fisica Porem como qualquer outra ciencia a fisica nao e estatica Fisicos ainda trabalham para conseguir resolver problemas de ordem teorica como a catastrofe do vacuo 3 gravitacao quantica termodinamica de buracos negros 4 dimensoes suplementares 5 flecha do tempo inflacao cosmica 6 e o mecanismo de Higgs 7 Ainda existem fenomenos observados empiricamente e experimentalmente que ainda carecem de explicacoes cientificas como a possivel existencia da materia escura 8 raios cosmicos com energias teoricamente muito altas 9 e ate mesmo observacoes cotidianas como a turbulencia Para tal equipamentos sofisticadissimos foram construidos como o Large Hadron Collider o maior acelerador de particulas ja construido do mundo situado na Organizacao Europeia para a Investigacao Nuclear CERN Indice 1 Historia 1 1 Antiguidade pre classica 1 2 Grecia Antiga 1 3 Idade Media e filosofia natural Islamica 1 4 Renascimento revolucao cientifica e desenvolvimento do metodo cientifico 1 5 Desenvolvimento da mecanica termodinamica e eletromagnetismo 1 6 Fisica moderna 2 Escopo e objetivos 3 Divisoes 3 1 Fisica classica 3 1 1 Mecanica classica 3 1 2 Ondulatoria 3 1 3 Termodinamica 3 1 4 Eletromagnetismo 3 2 Fisica moderna 3 2 1 Relatividade 3 2 2 Mecanica quantica 3 3 Fisica pura e fisica aplicada 3 4 Fisica teorica e fisica experimental 4 Filosofia 4 1 Fisica logica e matematica 4 2 Metodo cientifico e epistemologia 4 3 Tempo e espaco 4 4 Mecanica quantica 4 5 Fisica estatistica 4 6 Fisica experimental 5 Fisica e sociedade 6 Pesquisas fisicas atuais 7 Ver tambem 8 Notas 9 Referencias 10 Ligacoes externasHistoria Ver artigo principal Historia da fisica Antiguidade pre classica Aristoteles considerado um dos maiores filosofos naturais da Grecia Antiga As pessoas desde a Antiguidade estavam conscientes da regularidade da Natureza 10 Desde tempos remotos sabia se que o ciclo lunar era de aproximadamente 28 dias e que os objetos na ausencia de suporte caiam 11 Inicialmente tentaram explicar tais regularidades usando a metafisica e a mitologia tais regularidades eram obras de deuses e deusas que controlavam o mundo ao seu bel prazer 12 Entretanto a fisica conhecida desde a antiguidade ate o seculo XVIII como filosofia natural iniciou se como uma tentativa de se obter explicacoes racionais para os fenomenos naturais evitando se sobremaneira as infiltracoes religiosas ou magicas 13 Povos de diferentes partes da Terra comecaram a desenvolver ciencia sempre em torno da filosofia natural em epocas e com enfases diferentes 13 Os Indianos ja refletiam sobre questoes fisicas desde o terceiro milenio antes de Cristo 14 Entre o nono e o sexto seculo a C os filosofos indianos ja defendiam o heliocentrismo e o atomismo 14 No quarto seculo a C os chineses ja haviam enunciado o que e conhecido hoje como a Primeira lei de Newton 15 No primeiro seculo a C os povos maias ja haviam elaborado a nocao de zero antes mesmo dos europeus 16 Grecia Antiga As primeiras tentativas ocidentais de prover uma explicacao racional para os fenomenos naturais vieram com os gregos 17 Tales de Mileto foi historicamente o primeiro filosofo ocidental a recusar explicacoes sobrenaturais religiosas ou mitologicas para os fenomenos naturais defendendo que todo evento fisico tem uma causa natural 18 Pitagoras e seus seguidores acreditavam que o mundo assim como o sistema numerico inteiro era dividido em elementos finitos concebendo assim as nocoes de atomismo 19 Democrito de Abdera Leucipo de Mileto e Epicuro entre o quinto e o terceiro seculos a C impulsionaram a filosofia do atomismo onde propuseram que toda materia seria constituida de pequenos atomos indivisiveis 20 Aristarco de Samos foi um dos primeiros defensores do heliocentrismo 21 embora na Grecia Antiga prevalecesse o paradigma geocentrista A experiencia assim como todo trabalho bracal na Grecia Antiga eram ignorados pois as explicacoes sobre o mundo fisico eram baseadas em um pequeno numero de principios filosoficos 22 Arquimedes entretanto prezava a experiencia os fundamentos da estatica e da hidrostatica tem suas origens em Arquimedes Os principios do conceito de empuxo foram primeiramente formulados por ele Tal conceito ficou conhecido como o principio de Arquimedes 23 Aristoteles e considerado um dos principais filosofos naturais da Grecia Antiga Para ele e seguindo a ideia de Empedocles o Universo era formado de quatro elementos basicos o ar a terra a agua e o fogo alem de um quinto elemento o eter elemento perfeito que preencheria o restante do Universo para alem da orbita da Lua Para Aristoteles era inconcebivel a nocao de vacuo e infinito Cada elemento teria lugar proprio 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 Fisica Aristoteles diz que a causa do movimento e a forca atuante assim que cessa a forca cessa o movimento A continuacao do movimento apos a perda de contato com o causador do movimento seria a tendencia do ar em preencher o vazio que um projetil deixa em seu rastro Este preenchimento resultaria em uma forca que impulsionaria o projetil para frente mas tal efeito nao seria perpetuo findando em algum instante 25 Para explicar o movimento planetario Eudoxo de Cnido no quarto seculo a C elaborou as primeiras observacoes quantitativas para montar um modelo matematico dos movimentos planetarios Eudoxo desenvolveu um sistema de esferas concentricas sendo que cada esfera carrega um planeta 26 Este sistema foi se sofisticando ao longo dos seculos com a crenca dos gregos em um sistema geocentrico 26 Todas as anomalias observadas como a regressao aparente dos planetas e ate mesmo a precessao do eixo da Terra descoberta por Hiparco foi explicada atraves do aumento da complexidade do sistema de esferas geocentricas 27 Ptolomeu no seculo II a C havia elaborado um sistema esferico dos planetas com mais de 80 esferas e epiciclos e seu trabalho resumido em uma colecao de 13 livros que ficaram conhecidos como Almagesto foi utilizado amplamente pelos arabes e europeus ate a Alta Idade Media 27 Idade Media e filosofia natural Islamica Ver tambem fisica islamica medieval Estudos de Roger Bacon sobre optica no final do seculo XIV Com a queda do Imperio Romano no seculo IV d C a maior parte da filosofia natural grega assim como toda a educacao em geral perde importancia 28 Esta epoca ficou conhecida como a idade das trevas para a evolucao do conhecimento natural 29 Entretanto o conhecimento natural dos gregos nao foi totalmente perdido migrou para o Oriente Medio e para o Egito Os arabes que ja viviam naquela regiao traduziram a literatura grega para o arabe Assim os arabes nao so adquiriram o conhecimento grego mas tambem o refinaram 30 Al Khwarizmi e considerado o fundador da algebra que hoje conhecemos 31 O astrolabio presumidamente inventado por Ptolomeu foi aperfeicoado pelos persas 32 No seculo XI apos a reconquista espanhola sobre os arabes boa parte dos textos gregos que os arabes possuiam comecou a ser traduzido para o latim 33 Assim a Europa medieval voltou a apreciar a filosofia natural apos longos seculos de escuridao 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 seculo XIII 35 Apesar de oferecerem ainda um ensino escolastico 28 tais universidades comecaram a dar suporte para os primeiros desenvolvimentos cientificos 36 Guilherme de Ockham foi um dos mais importantes filosofos naturais da Idade Media Rejeitou a explicacao aristotelica do movimento e a teoria do impetus desenvolvida ainda na Grecia Antiga e retomada por Jean Buridan Ockham afirmava que um objeto em movimento apos ter perdido contato com o seu lancador ja nao e portador de qualquer forca segundo a teoria do impetus pois nao se pode mais distinguir o objeto em movimento o objeto em movimento pode ser o projetil sob a perspectiva do lancador ou o proprio lancador sob o ponto de vista do projetil 37 A Navalha de Ockham diz que a explicacao para qualquer fenomeno deve assumir apenas as premissas estritamente necessarias a explicacao deste e eliminar todas as que nao causariam qualquer diferenca aparente nas predicoes da hipotese ou teoria 37 Renascimento revolucao cientifica e desenvolvimento do metodo cientifico Ver artigo principal Revolucao cientifica Galileu Galilei O renascimento foi a epoca do redescobrimento do conhecimento na Europa 38 Varios acontecimentos revolucionaram a forma de pensar da sociedade europeia Em 1543 Nicolau Copernico publica De revolutionibus orbium coelestium apresentando um modelo matematico completo de um sistema heliocentrico 39 Galileu Galilei e considerado o fundador da ciencia moderna Segundo Galileu o cientista nao tem o papel de explicar porque os fenomenos acontecem na Natureza apenas pode descreve los 40 Em uma de suas obras Galileu nao afirmou que estava explicando a queda livre apenas estava descrevendo o Galileu tambem foi o primeiro a conceber o conceito de inercia na Europa e foi o fundador da fisica como conhecemos hoje ao empregar a matematica na descricao de fenomenos naturais que eram endossados pela experimentacao A sua contribuicao para o desenvolvimento do telescopio contribuiu para a gradual consolidacao do heliocentrismo com a descoberta dos satelites galileanos 40 Os metodos cientificos de Galileu ja eram uma derivacao da nova forma de filosofia que vinha sendo desenvolvida por Francis Bacon e Rene Descartes formulando as bases do metodo cientifico que vinha sendo ensaiado desde a era dourada da filosofia natural Islamica Segundo Bacon a ciencia e experimental qualitativa e indutiva Rejeita assuncoes a priori e se houver uma quantidade suficiente de observacoes estas seriam usadas para se induzir ou generalizar os principios fundamentais envolvidos 41 Rene Descartes propos uma logica diferente em vez de se iniciar as observacoes com fatos crus Descartes acreditava que os principios basicos que regem a Natureza podiam ser obtidos por uma combinacao da pura razao com logica matematica Sua abordagem era analitica os problemas deveriam ser partidos e rearranjados logicamente Os fenomenos podem ser reduzidos e analisados aos seus componentes fundamentais Se os componentes fundamentais fossem entendidos o fenomeno tambem seria 41 A congruencia entre os pensamentos de Bacon e de Descartes mesmo que entrassem em conflito em certas discussoes dominou as investigacoes cientificas nos tres seculos seguintes 42 A filosofia cartesiana ou cartesianismo rejeita toda e qualquer autoridade na obtencao do conhecimento Os principios basicos que regem a Natureza podiam ser obtidos por uma combinacao da pura razao com logica matematica Em outras palavras a busca pela verdade esta baseada apenas na razao Desse paradigma os dogmas religiosos os preconceitos sociais as censuras politicas e os aspectos fornecidos pelos sentidos sao excluidos A matematica passou a ser o modelo e a linguagem de todo conhecimento relacionado a ciencia Varias 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 mecanica termodinamica e eletromagnetismo Ver tambem Historia do eletromagnetismo e Historia da termodinamica Isaac Newton Rudolf Clausius James Clerk Maxwell Apos Galileu Isaac Newton foi um dos cientistas mais importantes para o desenvolvimento da mecanica classica 44 Suas tres leis serviram de base para toda a mecanica ate o inicio do seculo XX 45 Sua mecanica tornou se modelo para a construcao de teorias cientificas futuras 46 Em seu livro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica considerado a publicacao mais influente de toda a historia 47 descreveu a universalidade de suas leis 48 e concluiu a primeira grande unificacao da Historia da fisica ja iniciada por Galileu ao unir Ceus e Terra sob as mesmas leis fisicas a gravitacao universal 49 A invencao da maquina a vapor aprimorada por Thomas Newcomen e James Watt levou a um grande interesse cientifico no estudo do calor 50 O frances Sadi Carnot ja no seculo XIX formulou as bases para o entendimento de maquinas termicas 51 Joseph Black comecou a quantificar o calor atraves da medida da capacidade termica das substancias 52 James Prescott Joule estabeleceu uma equivalencia numerica entre trabalho e calor e mostrou que o calor produzido por uma corrente eletrica I em um condutor de resistencia R era dado por I R conhecido atualmente como Lei de Joule 53 Os trabalhos de Joule estabeleceram o principio da conservacao da energia 53 que se tornou a base para a primeira lei da termodinamica formulada por Rudolf Clausius e William Thomson Lord Kelvin 54 Clausius tambem formulou o conceito de entropia que e a base para a segunda lei da termodinamica 55 Assim como a mecanica Newtoniana se apoia em tres leis fundamentais as quatro leis da termodinamica apoiam todo o conhecimento nesta area As forcas magnetica e eletrica ja eram conhecidas desde a antiguidade 56 Entretanto o estudo cientifico da eletricidade e do magnetismo foi iniciado no seculo XVII por William Gilbert em seu livro De Magnete 57 Otto von Guericke produziu o primeiro gerador eletrostatico 58 Pieter van Musschenbroek construiu a primeira garrafa de Leiden que acumula cargas eletricas 58 Alessandro Volta construiu a primeira pilha voltaica que podia fornecer uma corrente eletrica continua 58 Benjamin Franklin foi um dos primeiros a propor que os relampagos eram uma forma de eletricidade Tambem propos que as cargas eletricas eram divididas em dois tipos negativa e positiva com cargas eletricas identicas se repelindo e cargas contrarias se atraindo 58 Hans Christian Orsted argumentou que a corrente eletrica gera magnetismo em torno do fio condutor 58 Andre Marie Ampere forneceu os primeiros apoios matematicos para o magnetismo em funcao da corrente eletrica 58 Michael Faraday postulou que o inverso tambem era valido sendo que a variacao do campo magnetico induz a geracao de corrente eletrica Faraday elaborou um modelo qualitativo de como as forcas eletrica e magnetica agem 58 Tambem elaborou os conceitos de campos magnetico e eletrico 58 James Clerk Maxwell unificou as teorias eletricas e magneticas de Ampere Faraday e de Gauss resultando no nascimento da teoria eletromagnetica resumindo matematicamente o trabalho experimental de seus antecessores em quatro equacoes conhecidas como as Equacoes de Maxwell 59 Maxwell propos a existencia de ondas eletromagneticas e sugeriu que a propria luz seria um exemplo de onda eletromagnetica 59 A existencia de tais ondas foi comprovada por Heinrich Hertz em 1888 e a constatacao da luz como onda eletromagnetica completou outra grande unificacao da fisica fundindo a eletricidade o magnetismo e a optica dentro da teoria eletromagnetica 60 Fisica moderna Ver tambem Historia da mecanica quantica Max Planck Albert Einstein Niels Bohr Ernest Rutherford No final do seculo XIX as teorias classicas da fisica estavam firmemente estabelecidas Restavam aos fisicos realizar medidas mais precisas para as constantes universais e aplicar o conhecimento obtido em tecnologias vindouras 61 Os fenomenos rebeldes consistiam um problema embora fosse uma questao de tempo adequa las as teorias vigentes Entretanto tais fenomenos rebeldes se tornaram um imenso desafio para fisica no final do Seculo XIX e no inicio do Seculo XX 61 Entre os fenomenos rebeldes destacavam se a radiacao de corpo negro 61 62 o efeito fotoeletrico 61 63 e o espectro de raias dos elementos 61 64 Max Planck em 1900 em uma tentativa de dar suporte matematico a radiacao de corpo negro propos a tese de que havia uma limitacao energetica na vibracao dos osciladores causadores da radiacao um oscilador nao poderia vibrar com qualquer energia mas apenas com algumas energias demarcadas ou seja discretas sendo que seus valores seriam multiplos de numeros naturais As regioes discretas de energia ficaram conhecidas como quanta de energia A energia desses quanta seria dada pelo produto de um numero natural pela frequencia e por uma constante universal que ficou conhecida como a constante de Planck 61 Em 1905 Albert Einstein publica cinco artigos no periodico alemao Annalen der Physik onde apresenta ao mundo todo o inicio da relatividade e da mecanica quantica Alcancando o mesmo resultado para a constante de Planck Einstein explicou tambem o efeito fotoeletrico e deu argumentacoes fisicas para a existencia dos quanta de energia Postulou tambem que a velocidade da luz e constante em qualquer referencial inercial 65 Dez anos mais tarde Einstein publicou a sua teoria da relatividade geral estendendo a relatividade para referenciais nao inerciais e para a gravitacao 65 Em 1924 Louis de Broglie propoe a dualidade onda particula para o eletron 66 e dois anos mais tarde Erwin Schrodinger publica a sua equacao que e a base da mecanica quantica moderna 67 No ano seguinte Werner Heisenberg defende que nao se pode mensurar a posicao e a velocidade de uma particula subatomica ao mesmo tempo estabelecendo o Principio da Incerteza 67 No final da decada de 40 Richard Feynman desenvolveu a eletrodinamica quantica uma das teorias mais precisas ja inventadas pelo homem atualmente Feynman desenvolveu uma das primeiras teorias quanticas de campo 68 e com a idealizacao e descoberta dos quarks a cromodinamica quantica foi elaborada 69 A eletrodinamica e a cromodinamica quantica sao as bases de um conjunto de teorias quanticas de campo chamada de modelo padrao que descreve tres das quatro forcas fundamentais da Natureza 70 Entretanto o Modelo Padrao nao e capaz de descrever a gravitacao alvo de estudos desde o inicio da ciencia moderna quando Galileu realizou o experimento da queda livre A gravitacao ainda nao tem um suporte teorico experimental enraizado pela fisica moderna sobre a sua verdadeira causa 71 A relatividade geral de Einstein entra em conflito com a mecanica quantica e constitui um dos maiores desafios para os Fisicos Teoricos e Experimentais atualmente 72 Escopo e objetivos Fotografia estroboscopica de uma bola de basquete A energia mecanica da bola ora esta sob a forma de energia potencial gravitacional energia cinetica ou energia potencial elastica A cada quique da bola parte da energia e dissipada na forma de energia termica e energia sonora A fisica estuda a natureza e seus fenomenos em seus aspectos mais essenciais e gerais 73 Analisa suas relacoes e propriedades alem de descrever e explicar a maior parte de suas consequencias mas nao a sua totalidade pois a fisica nao e um objeto pronto e acabado mas sim uma ciencia que busca obter respostas para os inumeros problemas em aberto 74 Tem como pilares fundamentais o estudo da materia energia espaco e tempo e deriva destes entes fundamentais e de suas propriedades e relacoes todo o vasto escopo da fisica 75 Nesta busca por respostas e generalizacoes a fisica tem o apoio do metodo cientifico um conjunto de tecnicas e procedimentos com o objetivo de tornar cientifico o conhecimento produzido que deve ser validado corroborado e verificavel experimentalmente 76 Nesse processo ha tambem o apoio da logica que permeia o conhecimento produzido e em producao como um conjunto de regras de raciocinio comum a todos e permite que o conhecimento esteja disponivel a todos que queiram compreende lo e utiliza lo validando o desta forma O uso da logica implica o uso de sua linguagem e escrita a matematica As regularidades encontradas no conhecimento e fundamentadas pela logica devem ser expressadas matematicamente pois os argumentos que as sustentam devem ser corroborados por outros que tambem utilizam a mesma logica para a compreensao do conhecimento 77 O escopo da fisica nao se restringe as dimensoes pois tudo o que esta contido no Universo e seu objeto de estudo desde as particulas elementares que constroem a materia ate as estrelas galaxias e o proprio Universo como um todo 73 Porem esta ciencia nao e exclusiva na abordagem dos fenomenos naturais pois suas especificidades e complexidades requerem uma maior atencao de estudo Os fenomenos mais restritos sao geralmente estudados por outras ciencias naturais como a quimica e a biologia A fisica porem e conhecida como a ciencia fundamental por buscar a essencia primordial da natureza e muitas vezes torna se sinonimo da propria ciencia natural 78 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica considerado a obra cientifica mais influentes de toda a historia Constroi modelos cientificos que descrevem o funcionamento da natureza e permitem compreender e prever com a precisao requerida os comportamentos e fenomenos naturais Porem tais modelos nao conseguem descrever e explicar a natureza em toda sua complexidade fato inerente aos limites do conhecimento humano 73 Por ser uma ciencia com um escopo tao amplo costuma se dividi la em areas mais restritas Tais divisoes sao historicas e muitas vezes uma area desenvolve se historicamente de forma independente como a astronomia 79 80 Historicamente a afirmacao da fisica como ciencia moderna esta intimamente ligada ao desenvolvimento da mecanica classica pois desde o advento do Renascimento havia a necessidade de se entender os fenomenos fisicos relacionados aos movimentos e forcas e os conhecimentos da epoca sobretudo aristotelicos ja nao eram mais suficientes Este panorama comecou a ser superado com os estudos de Galileu Galilei e finalizado com a publicacao cientifica mais influente de todas as epocas o Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Isaac Newton 47 A termodinamica teve sua origem na invencao das maquinas termicas 50 e sua consolidacao veio com a formulacao de seus principios e a generalizacao do conceito de energia 81 A ligacao da eletricidade com o magnetismo foi percebida apenas no inicio do seculo XIX por Hans Christian Orsted 58 As descricoes fisicas e matematicas da eletricidade e magnetismo foram unificadas por James Clerk Maxwell 59 e a partir de entao estas duas areas juntamente com a optica passaram a ser tratadas como visoes diferentes do mesmo fenomeno fisico o eletromagnetismo 59 O inicio do seculo XX marca a fronteira entre a fisica classica e a fisica moderna com as profundas alteracoes do entendimento cientifico da epoca 82 A incapacidade da descricao e explicacao de certos fenomenos observados levantou a necessidade de abrir novos horizontes para a fisica 82 Albert Einstein publicou a teoria da relatividade geral em 1915 afirmando a constancia da velocidade da luz e suas consequencias ate entao imaginaveis Max Planck ao estudar a radiacao de corpo negro foi forcado a concluir que a energia esta dividida em pacotes conhecidos como quanta Einstein demonstrou fisicamente as ideias de Planck fixando as primeiras raizes da mecanica quantica a fisica que descreve e explica fenomenos de dimensoes subatomicas 65 Mesmo estes campos de atuacao sao muito amplos e sao por sua vez subdividios em areas mais restritas 79 83 Lampada de filamento de carbono aquecido pela passagem de corrente eletrica efeito Joule Os fenomenos naturais apresentam quase sempre naturezas mais complexas e implicam portanto em investigacoes mais especificas Surge entao a necessidade de outras ciencias naturais Tais ciencias tem necessariamente a fisica como ponto de partida mas o estudo completo das complexidades fisicas envolvidas nestes fenomenos torna se inviavel se estas forem abordadas apenas pela fisica 84 Por exemplo a quimica se dedica ao estudo da materia e suas mudancas 85 enquanto a biologia estuda os seres vivos 86 Para que o estudo de areas mais especificas fossem aprofundadas varias ciencias mais especializadas se separaram da fisica com o decorrer dos seculos para formar campos de estudos autonomos com conhecimentos e metodologias proprios 87 Embora a fisica esteja particularmente preocupada com os aspectos da natureza que possam ser entendidos fundamentalmente na forma de leis ou principios elementares 73 o advento destas novas ciencias nao removeu da fisica o seu objetivo original entender e explicar a estrutura da natureza e seus fenomenos mesmo em escala de maior complexidade 73 A teoria da termodinamica e o consequente desenvolvimento da fisica estatistica e um notorio exemplo disto e conceitos como o de temperatura sao indissociaveis ao estudo de qualquer sistema natural seja complexo ou nao Um dos principais escopos da fisica e o estudo das quatro forcas fundamentais 88 Dentro do cotidiano apenas duas das quatro forcas fundamentais sao influentes o eletromagnetismo que rege praticamente todas as forcas que conhecemos e seus respectivos trabalhos e a gravidade que age como uma simples forca conservativa na superficie terrestre sendo vertical e apontada para baixo As forcas nucleares forte e fraca praticamente nao estao presentes em nosso cotidiano embora sejam fundamentais para a constituicao do proprio Universo 73 89 O estudo das quatro forcas fundamentais constitui a maior aproximacao fundamental para o entendimento da Natureza e de seus fenomenos que a ciencia oferece 73 Feixes de laser As divisoes classicas da fisica foram baseadas em classes gerais de fenomenos naturais para os quais uma determinada metodologia da fisica aplica se de forma comum Estas divisoes ainda sao atuais e tendem a ser usadas cotidianamente 79 O ensino de fisica a nivel secundario geralmente inicia se com o estudo da mecanica classica seguindo para termodinamica e para o eletromagnetismo embora areas como a cosmologia a optica e a fisica moderna tambem sejam tratadas 75 Por outro lado as divisoes ou ramos da fisica moderna sao feitas em acordo com os tipos particulares de estruturas da natureza com qual cada ramo esta preocupado 90 Costuma se tambem dividir a fisica em aplicada e pura Enquanto a fisica pura busca produzir conhecimentos sobre os principios mais fundamentais da natureza sem a intencao de produzir conhecimentos praticos imediatos 91 a fisica aplicada busca dar resposta a problemas praticos 91 As engenharias se aproximam da fisica aplicada quando buscam resolver problemas de ordem pratica como na aeronautica computacao automacao mineralogia eletronica fotonica acustica biofisica topografia geociencias resistencia dos materiais telecomunicacoes hidraulica metalurgia entre outras Entretanto as fronteiras entre fisica pura e aplicada podem nao ser claras 91 Enquanto a biofisica se preocupa em produzir conhecimentos de como o olho humano reconhece e codifica a luz visivel tentando produzir sensores que possam substituir a retina para aqueles que nao sao mais ou nunca foram capazes de enxergar produz conhecimentos sobre os comportamentos fisicos e biologicos de nanoparticulas sem ainda ter entretanto alguma utilidade pratica A fisica se preocupa com o estudo da materia energia espaco e tempo buscando sempre uma maior precisao e uma maior profundidade no entendimento dos elementos e principios fundamentais Tambem tem contudo o objetivo de construir uma teoria unificada expressada em linguagem matematica precisa e corroborada experimentalmente de forma universal que apresente uma estrutura e um comportamento que permitam que seus modelos cientificos sejam capazes de descrever e prever os fenomenos naturais na maneira mais compreensiva e detalhada possivel sejam estes quais forem 73 92 Em sintonia com este objetivo a fisica esta caracterizada por uma instrumentacao e medicoes altamente precisas 93 Outras ciencias naturais estao preocupadas em descrever e relatar os fenomenos em seus conceitos peculiares restritos as suas proprias disciplinas mas a fisica sempre busca entender o mesmo fenomeno como uma manifestacao especial de uma estrutura uniforme e superior da natureza como um todo 73 Divisoes Um transferidor de plastico observado por uma lente que polariza a luz Atraves da luz polarizada pode se perceber as regioes de tensao do plastico marcadas em roxo azul e verde Nestas regioes o plastico esta mais propenso a quebrar O estudo da luz que e uma radiacao eletromagnetica e abordado pela optica O escopo muito amplo da fisica e abordado por varios campos de estudo que podem se diferir muito entre si Tais divisoes tem fundamentacoes historicas e muitas areas surgiram de forma independente 79 O proprio inicio da fisica classica durante a revolucao cientifica esta grandemente associada ao inicio da mecanica classica 94 Existem varias formas de dividir esta ciencia tao ampla Considera se o inicio da fisica classica e independente os estudos de Galileu Galilei 94 O paradigma de Rene Descartes uma visao mecanicista da ciencia onde o mundo natural e uma maquina sem espiritualidade e portanto deve ser dominada pela inteligencia humana e ser posta a seu servico permeou a producao e desenvolvimento cientificos ate o inicio do seculo XX 95 quando o entendimento cientifico foi modificado profundamente pelo advento dos fundamentos da relatividade e da mecanica quantica em um mundo onde o tempo pode se dilatar e as particulas elementares nao sao mais pontuais e locais e comportam ora como onda ora como particula 96 97 Esta epoca delimita a fronteira entre a fisica classica e a fisica moderna 98 As divisoes classicas da fisica antes do inicio do seculo XX foram baseadas em classes gerais de fenomenos naturais para os quais uma determinada metodologia da fisica aplica se de forma comum 79 E a forma de divisao mais tradicional pois considera se as propriedades dos fenomenos estudados os movimentos e forcas sao objeto de estudo da mecanica a curiosidade acerca do calor e suas propriedades criou um plano de fundo para o surgimento da termodinamica A eletricidade o magnetismo e a optica surgiram de forma independente mas foram integradas durante meados do seculo XIX ao serem consideradas apenas visoes diferentes de um mesmo fenomeno muito mais amplo o eletromagnetismo As divisoes da fisica moderna sao feitas em acordo com os tipos particulares de estruturas da natureza com qual cada ramo esta preocupado 79 As implicacoes ate entao imaginaveis de afirmacoes aparentemente simples como a constancia das leis da fisica para qualquer referencial e a constancia da velocidade da luz sao a base da relatividade A mecanica quantica e a fisica das dimensoes subatomicas Ainda existem numerosas divisoes interdisciplinares da fisica Tem um papel crucial dentro da ciencia dos materiais ao fornecer subsidios para o estudo de relacoes estruturas performance formas de caracterizacao e processamento dos materiais A biofisica surge quando a biologia necessita resolver problemas que pertencem ao escopo da fisica Da mesma forma a fisica medica surge quando a medicina necessita da fisica para resolver problemas especialmente notaveis em radiologia Destacam se ainda a metalurgia que necessita da fisica especialmente da mecanica na producao de produtos metalicos a geofisica que busca o compreensao da estrutura composicao e dinamica do planeta Terra sob a otica da fisica a fisico quimica quando a quimica necessita de conceitos fisicos como o movimento energia forca tempo termodinamica mecanica quantica e fisica estatistica para a resolucao de problemas a fisica matematica quando a fisica requer a utilizacao da metodologia da matematica para a aplicacao de problemas fisicos e a meteorologia fisica a area da meteorologia que investiga os fenomenos atmosfericos do ponto de vista da fisica descrevendo os e explicando os a partir de teorias e da analise de resultados experimentais 99 Fisica classica Mecanica classica Ver artigos principais Mecanica classica Mecanica de Lagrange e Mecanica hamiltoniana Animacao mostrando um objeto em rotacao intermitente As flechas representam os vetores forca momento linear posicao momento angular e torque A mecanica classica preocupa se com a descricao do movimento e suas causas A mecanica classica descreve o movimento de objetos macroscopicos desde projeteis a partes de maquinas alem de corpos celestes como espaconaves planetas estrelas e galaxias A mecanica classica em si tambem e muito ampla e varias especializacoes sao derivadas dela Referente aos conceitos abordados pode ser dividida em Cinematica que estuda os movimentos sem se preocupar com suas causas a Estatica que aborda sistemas sob acao de forcas que se equilibram e a Dinamica que estuda o movimento considerando suas causas em outras palavras aborda sistemas sob acao de forcas que nao se equilibram 100 Surgiu durante a revolucao cientifica juntamente com a consolidacao da fisica como ciencia moderna Galileu Galilei pode ser considerado o marco inicial da mecanica classica 94 mas sua consolidacao definitiva veio com a publicacao dos Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Isaac Newton considerada a obra cientifica mais influente de todos os tempos 47 Entretanto em certos sistemas a mecanica de Newton passa a ser pouco eficiente para ser usado na resolucao de problemas No final do seculo XVIII e durante o seculo XIX a mecanica foi reformulada por Joseph Louis Lagrange e William Rowan Hamilton para que abarcasse a resolucao analitica de um maior numero de problemas com um ferramental matematico mais refinado 101 102 A mecanica nao se limita a analise de particulas discretas mas estuda tambem meios continuos O momento de inercia de um disco rigido com centro de rotacao coincidente com o seu proprio centro e diferente de uma particula isolada que orbita um centro de rotacao qualquer 103 A mecanica de meios continuos e a mecanica que aborda o estudo dos materiais de massa continua em oposicao de materiais de particulas discretas ou isoladas A mecanica dos fluidos e a Dinamica de corpo rigido sao exemplos de divisoes da mecanica de meios continuos 104 E considerada a divisao base da fisica pois as outras divisoes sao derivadas dela Seu escopo continua sendo o estudo dos entes fundamentais da fisica espaco tempo materia e energia De suas relacoes e consequencias surgem outros conceitos como as leis de Newton posicao dimensao invariancia de Galileu velocidade aceleracao forca torque momento linear momento angular energia mecanica trabalho potencia massa inercia momento de inercia referencial entre outros 105 Ondulatoria Ver artigos principais Oscilacao e Onda Padrao de franjas observado em um anteparo causada pela difracao de um feixe de laser A difracao da luz assim como em qualquer outro fenomeno ondulatorio sao estudados pela ondulatoria A ondulatoria na fisica classica estuda as caracteristicas e as propriedades das ondas e seus movimentos e relacoes A onda consiste se de perturbacoes pulsos ou oscilacoes ocorridas em um determinado meio que pode ser material ou nao Transporta energia cinetica da fonte para o meio sendo incapaz de transportar materia 106 Seu estudo classico tambem iniciou se com Galileu Galilei e Isaac Newton inclui seu estudo em seu Principia Mathematica ao analisar a mecanica dos fluidos a mecanica dos corpos que nao possuem rigidez ou volume proprios 107 A acustica e a parte da Ondulatoria que estuda especificamente a propagacao das ondas sonoras pelo ar 108 A luz foi considerada um fenomeno ondulatorio a partir da experiencia da dupla fenda de Thomas Young 109 Seus conceitos principais sao ondas transversais e longitudinais comprimento de onda oscilacao amplitude frequencia fase reflexao refracao difracao interferencia polarizacao efeito Doppler entre outros 110 Termodinamica Ver artigos principais Termologia Termodinamica Teoria cinetica e Fisica estatistica Transferencia de calor atraves da conveccao Precedendo a termodinamica pode se encontrar a Termologia que e basicamente o estudo do calor ou seja o estudo da energia termica em transito que se diferencia de temperatura que e o grau de agitacao das moleculas Porem os conceitos mais arraigados desta area encontram se na termodinamica que estuda as relacoes entre o calor trocado e o trabalho realizado 111 Maquinas termicas tinham sido inventadas e aperfeicoadas ao longo dos seculos XVII XVIII e XIX No entanto a atencao cientifica sobreveio apenas em meados do seculo XIX com Sadi Carnot Seus estudos foram aprimorados ao longo daquele seculo por James Prescott Joule Lord Kelvin e Rudolf Clausius 112 Seus principios ajudaram no estabelecimento da teoria cinetica e no consequente desenvolvimento da fisica estatistica 113 Seus principais conceitos sao calor temperatura pressao volume energia termica entalpia entropia capacidade termica calor especifico entre outros 114 Eletromagnetismo Ver artigos principais eletricidade magnetismo optica e eletromagnetismo Uma lampada de plasma constituida por um bulbo com gas a pressao baixa O grande potencial eletrico aplicado ao eletrodo em seu centro excita o gas em seu torno que passa ao estado de plasma e passa a ser eletricidade Esses conceitos sao abordados pelo eletromagnetismo O eletromagnetismo e basicamente a unificacao da eletricidade que e o estudo das cargas eletricas estaticas ou em movimento com o magnetismo que e basicamente o estudo dos imas A luz e uma radiacao eletromagnetica e seu campo de estudo a optica tambem faz parte do eletromagnetismo 115 116 117 William Gilbert foi o pioneiro no estudo do magnetismo e da eletrostatica 57 parte da eletricidade que aborda o estudo das propriedades fisicas das cargas eletricas estacionarias em oposicao a eletrodinamica que estuda a relacao da forca eletromagnetica entre cargas e correntes eletricas Otto von Guericke Benjamin Franklin e Alessandro Volta contribuiram para o desenvolvimento desta area mas Hans Christian Orsted foi o primeiro a perceber em 1820 a ligacao entre o magnetismo e eletricidade ate entao areas independentes e sem conexoes Michael Faraday descobriu a inducao eletromagnetica 58 e James Clerk Maxwell unificou as descricoes matematicas da eletricidade e magnetismo em um grupo de quatro equacoes conhecidas como Equacoes de Maxwell 59 Seus principais conceitos sao capacitancia carga eletrica corrente eletrica condutividade eletrica campo eletrico permissividade eletrica potencial eletrico resistencia eletrica inducao eletromagnetica radiacao eletromagnetica campo magnetico fluxo magnetico monopolo magnetico permeabilidade magnetica entre outros 118 Embora a maior parte da fisica classica esteja englobada na mecanica classica Ondulatoria termodinamica e eletromagnetismo outras especializacoes tambem podem ser consideradas classicas pois nao utilizam a principio conceitos modernos ou seja conceitos que recorrem a relatividade ou a fisica quantica embora nao estejam delimitados exclusivamente dentro das concepcoes classicas Destaca se a teoria do caos nesta area 119 Fisica moderna Ver artigo principal Fisica moderna No final do seculo XIX permeava no pensamento cientifico a satisfacao de que todos os fenomenos naturais poderiam ser descritos pela ciencia ja desenvolvida ate entao Restava apenas a conquista de uma maior precisao do valor das constantes universais e da resolucao de alguns pequenos problemas Estes se tornaram uma grande dor de cabeca com o passar dos anos pois continuariam insoluveis 61 Entre estes fenomenos problemas destacam se a radiacao de corpo negro e a catastrofe do ultravioleta o espectro de raias dos elementos e o efeito fotoeletrico 62 63 64 As contribuicoes iniciais de Max Planck e sobretudo Albert Einstein abriram novos campos para a explicacao destes fenomenos e abriram margens para descobertas e ponderacoes ate entao inimaginaveis 61 65 Relatividade Ver artigos principais Relatividade restrita e Relatividade geral Em 1905 Albert Einstein publicou os fundamentos da relatividade restrita afirmando constancia da velocidade da luz em qualquer referencial inercial e postulando que as leis da fisica sao as mesmas para qualquer referencial Isso implica efeitos e consequencias que nao sao previstas pela mecanica classica como a dilatacao do tempo e a contracao do comprimento Dez anos mais tarde Einstein publica a teoria da relatividade geral que generaliza atraves da equacoes de campo de Einstein os efeitos descritos pela relatividade restrita para referenciais nao inerciais Tambem engloba a mais completa descricao da gravidade disponivel atualmente sendo esta meramente um efeito da curvatura do espaco tempo provocada pela presenca de grande quantidade de massa 96 Mecanica quantica Ver artigos principais mecanica quantica e Teoria quantica de campos Amplitude de probabilidade correspondente as funcoes de onda de um eletron em um atomo de hidrogenio Max Planck em 1900 durante seus estudos sobre radiacao de corpo negro apresentou uma descricao matematica do fenomeno que coincidia com os resultados experimentais Esta descricao tentava fugir da descricao classica que levava ao que foi conhecido como catastrofe do ultravioleta Nesta descricao Planck argumentou que a distribuicao energetica era discreta nao continua como na descricao classica Cinco anos mais tarde Einstein apresentou argumentacoes fisicas para os resultados de Planck elucidando tambem o efeito fotoeletrico Planck e Einstein fundamentaram os principios da mecanica quantica que e basicamente a fisica das dimensoes subatomicas Seu desenvolvimento foi impulsionado entre outros por Niels Bohr Louis de Broglie Werner Heisenberg e Erwin Schrodinger 97 A teoria mais precisa elaborada pela ciencia e a eletrodinamica quantica de Richard Feynman onde e utilizado as nocoes da mecanica quantica para a descricao e explicacao de campos eletromagneticos Feynman elaborou uma das primeiras e a mais famosa teoria quantica de campos e foi sucedido pela elaboracao da cromodinamica quantica a teoria quantica do campo da forca forte que levou a previsao e a posterior descoberta dos quarks Apos a fusao das descricoes da forca fraca com o eletromagnetismo em altas energias tres das quatro forcas fundamentais sao descritas por teorias quanticas de campos Entretanto a gravidade ainda nao e descrita por nenhuma teoria quantica de campos corroborada experimentalmente 120 A fisica moderna nao esta limitada apenas a relatividade e a mecanica quantica Destacam se tambem a fisica das particulas elementares que estuda as propriedades das particulas elementares que constituem a materia a fisica nuclear que estuda as propriedades dos nucleos atomicos a fisica atomica e molecular que estuda as propriedades fisicas da associacao dos nucleos e eletrons a fisica da materia condensada que aborda o entendimento do comportamento da materia composta por um grande numero de atomos e a fisica do plasma que estuda as propriedades da materia que exibe um grau de agitacao termica suficiente para que eletrons e nucleos consigam se manter separados plasma 121 A optica que e uma area da fisica ligada ao eletromagnetismo tambem tem pilares na Mecanica quantica pois a luz visivel uma faixa de toda a radiacao eletromagnetica exibe propriedades duais comporta se como ora como particula ora como onda 121 As disciplinas fisicas da astronomia como a astrofisica utilizam grandemente a mecanica classica em seus estudos mas a relatividade geral encontra a sua maior aplicacao nesta cadeira especialmente na cosmologia 122 Fisica pura e fisica aplicada Ver artigo principal Fisica aplicada A exploracao espacial e possivel gracas a aplicacao da fisica em novas tecnologias A fisica pura esta preocupada com a obtencao do conhecimento basico e preciso sem se preocupar com pesquisas que tenham utilidade pratica imediata Almeja a obtencao de conhecimentos para a resolucao de problemas de carater mais geral embora nao tenha um objetivo bem delineado Busca atender demandas exigidas pela propria comunidade cientifica como a necessidade de se propor novas teorias para problemas que sao insoluveis para a teoria vigente 123 Em 1916 Albert Einstein propos o modelo de emissao estimulada onde a colisao de um atomo excitado com um foton de mesma energia provoca a emissao de um foton identico ao primeiro que se propaga na mesma direcao e sincroniza sua onda com a do estimulador somando sua intensidade e aumentando dessa forma a intensidade da luz emitida Este conceito e a base do funcionamento do laser que viria a ser inventado apenas em 1960 124 A fisica aplicada e o termo geral para pesquisas em fisica com objetivo de uso particular Esta associada a engenharia Um fisico aplicado que pode ser ou nao um engenheiro esta projetando algo em particular usando a fisica ou conduzindo uma pesquisa fisica com o objetivo de desenvolver novas tecnologias ou de resolver problemas 125 A abordagem e semelhante a abordagem da matematica aplicada Os fisicos aplicados tambem podem estar interessados no uso da fisica para pesquisas cientificas no desenvolvimento tecnologico ou em aplicacoes praticas que podem nao estar relacionados a propria engenharia Os cientistas que trabalham em um acelerador de particulas buscam desenvolver detectores de particulas mais eficazes para permitir um maior progresso da fisica teorica 125 126 mas podem estar trabalhando na miniaturizacao de circuitos eletronicos para que a propria tecnologia avance A fisica e muito usada na engenharia 125 A estatica uma subdisciplina da mecanica e muito usada na engenharia civil 127 A fisica tambem pode ser utilizada na interdisciplinaridade em outras ciencias inclusive utilizando seus metodos em ciencias nao naturais 128 Fisica teorica e fisica experimental Ver artigo principal Fisica teorica e Fisica experimental Grande Colisor de Hadrons LHC No interior dos tubos particulas se movem a velocidades ultrarrelativisticas Uma teoria fisica e um modelo de eventos fisicos uma aproximacao construida por humanos para descrever a Natureza 129 E endossado segundo a concordancia de suas predicoes com as observacoes empiricas 130 Uma teoria fisica tambem e endossada pela sua habilidade de realizar novas previsoes que podem ser verificadas atraves de novas observacoes 130 Uma teoria fisica difere de um teorema matematico ambos sao baseados em axiomas ou postulados mas aplicabilidade matematica nao e baseada com a concordancia de resultados experimentais 131 Uma teoria fisica envolve uma ou mais relacoes entre as varias grandezas fisicas 132 Em certas ocasioes a visao provida por sistemas matematicos puros podem prover pistas de como um sistema fisico deve ser modelado 133 Os avancos teoricos existem quando velhos paradigmas sao postos de lado 134 a mecanica Newtoniana foi suplantada pela mecanica relativistica mas a mecanica Newtoniana e um de seus casos particulares 135 O conjunto de teorias fisicas dentro de um paradigma e aceito quando e capaz de realizar previsoes corretas embasados pela experimentacao suplantando outro velho conjunto de teorias fisicas que ja nao e capaz de descrever os novos fenomenos observados 134 O metodo cientifico existe para testar as consequencias de uma teoria fisica 136 A fisica experimental esta preocupada com a aquisicao de dados seus metodos e conceitualizacoes detalhados alem da realizacao de experimentos laboratoriais em contraste com os experimentos mentais Esta preocupada em obter conhecimentos da Natureza 137 em contraste com a fisica teorica que esta preocupada em entender como a Natureza se comporta 137 Apesar da fisica experimental e a fisica teorica terem objetivos distintos a fisica experimental depende da fisica teorica A maioria dos experimentos elaborados pela fisica experimental tem o proposito de confirmar ou contradizer as conclusoes feitas pela fisica teorica que por sua vez nao pode evoluir sem o conhecimento produzido pela fisica experimental 138 Experimentos podem ser formulados para fornecerem fatos completamente novos sobre sistemas nunca estudados ou modelados mas mesmo nestes casos nao se pode negar que o ponto de partida e diretamente influenciado pelas teorias e conhecimentos ate a corrente data ja produzidos Filosofia Ver artigo principal Filosofia da fisica A visao mecanicista de Rene Descartes onde a natureza nao passa de pecas de uma maquina que pode ser compreendida atraves de sua desmontagem influenciou a ciencia ate o seculo XX onde a complexidade a probabilidade comecaram a ganhar espaco Tendo em consideracao que a fisica sempre esteve associada a filosofia natural desde a antiguidade ate o seculo XVIII a filosofia da fisica pode ser considerada a mais antiga disciplina filosofica da historia 84 A reflexao humana sobre o mundo fisico precedeu historicamente a reflexao sobre a natureza de nossos proprios pensamentos e nossas interacoes sociais com outros seres humanos 139 No entanto filosofia da fisica como disciplina moderna surge durante o Renascimento e comeca a ser aprofundada durante o Iluminismo tendo um carater mais epistemologico com o avancar dos seculos 140 A filosofia natural e debatida desde a antiguidade pre classica As primeiras reflexoes vieram sobre discussoes de ordem pratica acerca da mecanica optica e astronomia Babilonicos e egipcios eram capazes de prever eclipses solares e lunares Porem os debates acerca do mundo natural estavam sempre associados a geometria Os gregos foram os primeiros a desenvolver uma filosofia natural sem pretensoes praticas Tales de Mileto e as vezes referido como pai da ciencia pois recusou se aceitar explicacoes sobrenaturais mitologicas e religiosas para os fenomenos naturais Leucipo de Mileto e posteriormente Democrito de Abdera desenvolveram o atomismo onde tudo o que ha na natureza e formado por atomos indivisiveis e eternos Para Aristoteles as mudancas na natureza podem ser explicadas atraves de quatro causas a causa material aquilo do qual e feita alguma coisa a causa formal a coisa em si e o que lhe da a forma a causa eficiente aquilo que da origem ao processo em que a coisa surge e a causa final aquilo para o qual a coisa e feita Aristoteles foi pioneiro em construir uma teoria altamente coerente e elaborada para a explicacao do mundo natural com base filosofica bem muito bem fundamentada registrada em seu livro Fisica Para ele os elementos naturais buscavam seu lugar proprio no Universo a terra buscaria seu centro onde a Terra esta situada enquanto o fogo tenderia a fugir Aristoteles tambem relacionou o movimento como algo provocado por uma forca Embora Aristarco de Samos tenha defendido o heliocentrismo o auge da astronomia grega vem com o geocentrista Ptolomeu que aperfeicoou e complexificou a mecanica celeste grega baseada em esferas e epiciclos para englobar todos os movimentos dos astros observados incluindo a precessao dos equinocios Na visao de varios cientistas atuais as consideracoes filosoficas sobre a ciencia e a fisica nao influenciam diretamente suas atividades ou metodos de trabalho como cientistas no dia a dia nota 2 mas a filosofia da fisica envolve uma combinacao de assuntos conceituais metodologicos epistemologicos e ate mesmo metafisicos 139 141 Os filosofos da fisica colaboram juntamente com os fisicos para entenderem os conceitos que empregam em suas pesquisas 142 Um dos primeiros estudos modernos da filosofia da fisica foi a reflexao sobre os componentes mais fundamentais do Universo 84 O Renascimento abalou profundamente as bases filosoficas medievais fazendo que o ser humano voltasse para si proprio e a busca para uma nova postura diante do mundo precisava de verdades diferentes e de outros modos de reflexao Rene Descartes recusava o pensamento tradicionalista medieval e concebia que o pensador tinha por objetivo construir um sistema filosofico semelhante a matematica 143 Surgia o paradigma cartesiano com um metodo de investigacao do mundo que rejeitava qualquer conhecimento baseado na sensibilidade apresentando como criterio veridico sua argumentacao de que todas as coisas que concebemos sao verdadeiras e portanto nao passiveis de serem contestadas 143 Emerge deste pensamento dessa mentalidade reducionista e mecanicista do Universo levou o ser humano a uma visao fragmentada da verdade tendo como consequencia a quebra da ciencia nas varias especialidades o determinismo cientifico 143 onde tudo que existe nao passa de particulas e que os movimentos dessas particulas sao para sempre determinados quando se mensuram as posicoes e as velocidades de todas as particulas no momento atual Em outras palavras conhecendo se as posicoes de todas as particulas do Universo e as suas respectivas velocidades em um dado instante poder se ia conhecer com exatidao 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 e possivel escrever leis basicas que descrevem completamente o comportamento do Universo Nestes termos todo o conhecimento pode ser reduzido a essas leis basicas Por exemplo tem se que todos os fenomenos quimicos possam ser deduzidos da mecanica quantica se o numero de calculos envolvidos for viavel O principal objetivo da fisica seria entao encontrar essas leis basicas que regem o Universo O reducionismo coloca a fisica na posicao de ciencia a mais basica de todas pois a partir dela seria possivel em principio chegar se ao mesmo conhecimento produzido em todas as outras 145 Isso nao implica o descarte das demais pois essas tratariam com as suas proprias metodologias os fenomenos naturais mais complexos consolidando se em areas que por questoes praticas estariam fora do alcance da fisica Diagrama do Sistema Solar heliocentrico imaginado por Johannes Kepler O sistema solar seria inicialmente para Kepler perfeito como os solidos de Platao Anos mais tarde Kepler concluiu que as orbitas planetarias deveriam ser elipticas contrariando o seu proprio pensamento inicial A crise cientifica no inicio do seculo XX causada pelos seus proprios progressos abalou o paradigma reducionista mecanicista cartesiano O surgimento da relatividade e da mecanica quantica e outras areas da fisica moderna redefiniu conceitos como ordem posicao tempo espaco momento continuidade e separabilidade referencial e localidade 143 Os metodos reducionistas ja nao sao compativeis com novas formas da logica e a complexidade surge em primeiro plano O caos a complexidade a probabilidade e a incerteza passaram a integrar uma nova forma da percepcao da realidade 143 Com a fisica em posicao de ciencia mais fundamental certas questoes metafisicas como especulacoes sobre o tempo a existencia e as origens do Universo entre outras deveriam ser enviadas a fisica para se obter respostas segundo os moldes dessa ciencia Nestes termos seja qual for a resposta que a fisica apresente para conceitos como tempo causa e acao ou mesmo identidade estas deveriam ser consideradas em principio corretas 146 Entretanto se as nocoes tradicionais metafisicas entrarem em confronto com uma fisica bem enraizada entao essas nocoes metafisicas deixariam de ter significado ou dever se ia questionar a validade dos conhecimentos sobre o mundo fisico providos pela fisica Para isso filosofos da fisica tem se esforcado para investigar qualquer confronto possivel entre a Metafisica e a fisica 139 A fisica tem sido considerada historicamente o modelo de ciencia para todas as outras ciencias naturais ou nao tanto por filosofos quanto por cientistas 147 Por exemplo a Sociologia ainda nos seus primordios com Auguste Comte na primeira metade do seculo XIX era chamada de fisica Social 148 149 Dentro da construcao do senso comum a fisica detem os melhores metodos que a ciencia pode conceber 139 Mas tambem e argumentavel que a fisica tem os seus proprios metodos diferentes daqueles de outras ciencias e particularmente aplicaveis a propria disciplina e incomparaveis a outras Mesmo dentro da fisica os metodos podem variar e serem incomparaveis 150 Esta ciencia ocupa uma posicao privilegiada dentre as ciencias ja que lida com os mais arraigados conceitos cotidianos O proprio conceito de cotidiano ja foi varias vezes abalado com as mudancas de paradigma da fisica Por exemplo a revolucao copernicana trazendo o heliocentrismo ao primeiro plano quebrando o paradigma geocentrista defendido pela Igreja Catolica na Idade Media a unificacao da fisica dos Ceus e da Terra com a gravitacao universal de Newton a unificacao dos conhecimentos de eletricidade e magnetismo por Maxwell As viagens no tempo e os buracos negros comecaram a ganhar espaco dentro do imaginario a partir da relatividade geral de Albert Einstein 139 151 Fisica logica e matematica Ver artigos principais Logica e Matematica Representacao de vetores em coordenadas cartesianas cilindricas e esfericas A fisica utiliza a linguagem matematica para se expressar A fisica tem o apoio da logica pilar central do conhecimento humano para a sua fundamentacao estruturacao e expressao Esta ligada ao pensamento humano e distingue interferencias e argumentos falsos e verdadeiros E basicamente um conjunto de regras rigidas para que argumentacoes e conclusoes pudessem ser aceitas como logicamente validas O uso da logica leva a um raciocinio baseado em premissas e conclusoes Tem sido binaria pois aceita duas assuncoes falso ou verdadeiro e nega a existencia da simultaneidade de conclusoes como por exemplo conclusoes que ao mesmo tempo sao parcialmente verdadeiras e parcialmente falsas 152 Tal conclusao e suas leis da identidade X deve ser X da impossibilidade da contradicao X nunca e Y e da exclusao do terceiro elemento X deve ser X e portanto nunca devera ser Y abordam todas as possibilidades e sao a base do pensamento logico Define as leis ideais do pensamento e estabelece as regras do pensamento correto sendo uma arte de pensar E como o raciocinio e a atividade intelectual que leva a todas as outras atividades humanas define se a logica como a ciencia do raciocinio correto Para tanto a logica e necessaria para tornar o pensamento humano mais eficaz e ajuda o a justificar suas atividades recorrendo aos principios que baseiam a sua legitimidade A logica e arte ciencia que nos guia ordenadamente facilmente e sem erros dentro dos principios da razao 153 A logica matematica oferece ao conhecimento humano a capacidade de esclarecer e de argumentar conceitos Em outras palavras permite adquirir e transmitir certezas com o proposito da validacao de certas afirmacoes partindo se do reconhecimento da validacao de outras argumentacoes que sao geralmente mais simples Essa capacidade de esclarecer conceitos apresentar definicoes e de argumenta los atraves da exibicao de demonstracoes sao a base do raciocinio matematico e da propria matematica e que por sua vez oferece o suporte logico para os conceitos fisicos 154 A Natureza pode ser entendida por meio de ferramentas matematicas 155 156 As nocoes de numeros e outras estruturas matematicas nao precisam da fisica para serem justificadas 157 Entretanto novas afirmacoes matematicas podem ser usadas muito tempo mais tarde para descrever um fenomeno fisico Os numeros complexos que sao uma das bases da mecanica quantica ja tinham sido pensados no seculo XVI 158 No entanto a matematica e mais do que uma ferramenta da fisica e a sua propria linguagem 155 O proprio desenvolvimento da fisica esta intimamente ligado com o desenvolvimento da matematica 159 sendo a reciproca tambem certamente verdadeira 155 Desde que os chamados Calculatores de Merton College no seculo XIV comecaram a descrever a cinematica utilizando a matematica 160 passando por Johannes Kepler 161 e por Galileu Galilei 155 esta simbiose ocorre Isaac Newton necessitava de um aparato matematico para dar apoio aos seus estudos em fisica e em funcao desta necessidade foi um dos criadores do Calculo disciplina com inegavel relevancia na matematica e na fisica juntamente com Gottfried Leibniz 155 Metodo cientifico e epistemologia Ver artigos principais Metodo cientifico e Epistemologia da ciencia Esquema representando o metodo cientifico Os cientistas em fisica usam o metodo cientifico um conjunto de tecnicas e procedimentos com o objetivo de tornar cientifico o conhecimento produzido 76 para validar uma teoria usando uma aproximacao metodologica para comparar as implicacoes da teoria com as conclusoes obtidas de experimentos e observacoes especialmente conduzidas para testar a teoria nota 3 Os experimentos e observacoes sao feitos em principio com proposito pre definido para se coletar e se comparar os dados obtidos por estes com as previsoes e teses feitos por um fisico teorico assim ajudando na validade ou nao de uma teoria 162 nota 4 Para um cientista moderno o metodo de trabalho que ele emprega geralmente apresenta se bem definido e claro nota 5 Nesta visao o metodo cientifico apresenta passos bem delineados e objetivos A observacao e a experimentacao sao o ponto de partida e o mais importante teste para a formulacao das leis naturais A abstracao e o primeiro passo para a compreensao de um fenomeno natural concentrando se em seus aspectos mais importantes Assim que se atinge o estagio durante o desenvolvimento de conceitos e modelos pode se procurar atraves do processo indutivo a formulacao das leis fenomenologicas obtidas diretamente dos fenomenos que foram observados e apresenta los de forma sintetica possivel Decorre entao a formulacao de leis de teorias fisicas que deve ser capaz de reduzir numerosos fenomenos naturais em um pequeno numero de leis simples que devem ter a natureza preditiva ou seja a partir das leis basicas deve ser possivel prever fenomenos novos que possam ser comparados com a experiencia Finalmente determina se o dominio de sua validade 163 Entretanto a natureza do metodo cientifico tambem e motivo para varios debates filosoficos Varios filosofos apoiam a ideia da inexistencia de um unico metodo cientifico inscrito em pedra 164 e ate mesmo a sua inexistencia 165 Portanto se opoem a qualquer tentativa de estruturacao do metodo cientifico que inclui a enumeracao rigida dos passos visto frequentemente na educacao de ciencias 166 Alguns filosofos como Karl Popper negam a existencia do metodo cientifico elaborado para Popper existe apenas um metodo universal a tentativa e erro 165 embora para os defensores do metodo cientifico moderno a tentativa e erro fazem parte de sua definicao Karl Popper filosofo e epistemologo da ciencia As hipoteses integrantes de uma teoria que sao suportadas por dados confiaveis geralmente de natureza abrangente e que suportam as varias tentativas de falseabilidade segundo Karl Popper 167 sao chamadas de leis cientificas ou leis naturais Naturalmente todas as teorias inclusive aquelas integradas por leis naturais bem como estas mesmas podem ser modificadas ou substituidas por outras mais precisas quando uma anomalia que falsifica a teoria for encontrada 168 Entretanto isto nao e 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 e chamado por ele de programas de pesquisa e mantido mesmo com varias anomalias 169 Para que o programa de pesquisa se mantenha tais anomalias sao encaixadas em um cinturao protetor de hipoteses e teses que podem ser modificados conforme o advento das anomalias encontradas pela fisica experimental embora o nucleo central ou seja a tese basica do programa de pesquisa deve ser mantida integralmente 169 Um programa de pesquisa e superado apenas quando o cinturao protetor ja nao e capaz de suportar novas anomalias Para Lakatos a substituicao de programas de pesquisa coincide com revolucoes na historia da ciencia Os programas de pesquisa vencedores podem englobar ou nao programas de pesquisa superados 169 A evolucao dos programas de pesquisa de Lakatos e semelhante a tese de revolucoes cientificas associadas a mudancas de paradigma defendida por Thomas Kuhn como base do desenvolvimento da ciencia 134 Os paradigmas cientificos que englobam toda uma linha de teorias cientificas metodos e valores contem conviccoes cientificas que nao podem ser explicadas segundo as teorias existentes sobre racionalidade 170 Para Kuhn o paradigma estabelece algumas questoes sobre o mundo fisico Estas sao entao investigadas na tentativa de se obter respostas mas nunca conseguem responder todas as questoes que propoe pois para Kuhn a fisica e a ciencia em geral nao e um empreendimento para a construcao de respostas Quanto mais respostas sobre determinado fenomeno sao obtidas mais perguntas surgem embora nao seja exatamente um problema inicialmente Para esse processo de pesquisas Kuhn chamou de ciencia normal ou seja o periodo onde determinados paradigmas sao aceitos e investigados 134 Entretanto as questoes ou anomalias que nao podem ser resolvidas com o paradigma estabelecido pode atingir niveis insuportaveis A partir de entao inicia se o periodo conhecido como crise Novos paradigmas tentam responder de forma mais eficaz as anomalias que o paradigma vigente nao consegue mais responder O periodo de crise e marcado pela cisao da comunidade cientifica entre o paradigma vigente e o paradigma em afloramento Finalmente o novo paradigma ganha a preferencia e substitui o antigo Este momento Kuhn chama de revolucao cientifica 134 As Leis de Newton por exemplo estao embebidas dentro da relatividade assim como toda a mecanica Newtoniana 171 e mesmo que suas aplicabilidades nao sejam mais universais os tres principios de Newton ainda sao chamados de leis e a mecanica newtoniana ainda e ensinada nas escolas de ensino medio de todo o mundo 172 Tempo e espaco Ver artigo principal Filosofia do tempo Concepcao artistica de um buraco negro formando a lente gravitacional ao alterar o espaco tempo em seu torno devido a sua imensa forca gravitacional Os filosofos de fisica discutem os assuntos tradicionais referentes ao espaco e ao tempo com base nas teorias historicamente concebidas desde Aristoteles a relatividade geral de Einstein Segundo Isaac Newton o espaco e um ente fisico separado e independente dos objetos que estao contidos no seu interior Esse ente fisico com realidade fisica comparavel a de uma substancia determina um referencial absoluto totalmente inercial Newton tambem defende que o tempo e continuo e infinito e existe mesmo com a ausencia de objetos e eventos Newton estabeleceu assim a filosofia fisica do Substantivalismo 173 No entanto Gottfried Leibniz um dos desenvolvedores do Calculo ao lado do proprio Newton argumentava que o espaco contem propriedades estritamente relacionais Se nao existissem objetos seria impossivel a definicao de espaco De modo semelhante se nao existissem objetos ou eventos tambem nao se poderia definir o tempo Leibniz desenvolveu assim a filosofia fisica do Relacionalismo 173 O Relacionalismo ganhou folego com o advento da relatividade geral embora o Substantivalismo ainda tenha seguidores atualmente 139 As discussoes sobre a natureza do tempo e sobre simultaneidade se iniciaram com a diferenca de seus significados dentro da mecanica classica e da relatividade restrita Dentro da teoria de Einstein a simultaneidade deixa de ser absoluta Os eventos que sao simultaneos dentro de sistema de referencias podem nao se lo em outro 174 Entretanto o alemao e filosofo da fisica Adolf Grunbaum argumenta que a simultaneidade dentro da relatividade restrita e apenas fruto de uma convencao pois a velocidade da luz na relatividade restrita e sempre a mesma constante quando medida em qualquer referencial inercial nao importando para tal seus estados relativos de movimento nao ha referencias portanto para estabelecer uma velocidade da luz em um referencial absoluto ou especifico que segundo a teoria de Einstein nao existe todos os referenciais inerciais sao igualmente equivalentes 174 175 Mecanica quantica Representacao do gato de Schrodinger experimento mental que ilustra o entrelacamento quantico e evidencia questoes pertinentes a interpretacao de Copenhague A evolucao da mecanica quantica trouxe consigo inevitaveis consideracoes sobre a definicao de medida e quais sao as implicacoes de seu processo experimental Consideracoes cientificas e filosoficas importantes levam nao so ao Gato de Schrodinger quanto a um debate em relacao a impossibilidade de simultaneidade de medidas com precisao absoluta para determinadas grandezas na mecanica quantica 176 Segundo Werner Heisenberg em 1925 existe uma incerteza na determinacao da posicao de uma particula subatomica O produto da incerteza da posicao pela incerteza de seu momento nunca sera menor do que uma certa constante numerica Nao se pode por exemplo medir a posicao e o momento de um eletron ao mesmo tempo ao se medir a sua posicao comprometemos seu momento e vice versa As relacoes de incerteza a primeira vista parecem derivar da impossibilidade inerente a natureza humana em obter tais grandezas fisicas Entretanto Heisenberg afirmou que a incerteza e uma propriedade intrinseca a particula se nao ha meios de se definir com precisao uma grandeza fisica entao tal grandeza nao esta precisamente definida por natureza 177 Isto compromete profundamente o paradigma cartesiano a mentalidade reducionista e mecanicista do Universo que levou o ser humano a uma visao fragmentada e demasiadamente simploria da verdade Segundo o determinismo cientifico tudo que existe nao passa de particulas pontuais e seus movimentos sao para sempre estritamente determinados quando se mensuram as posicoes e as velocidades de todas as particulas no momento atual Nao considerando a incerteza e possivel conhecer as posicoes de todas as particulas do Universo e as suas respectivas velocidades em um dado instante e poder se ia conhecer com exatidao todo o passado e o futuro fosse qual fosse o instante desejado 178 Admitindo se a incerteza como algo intrinseco as particulas subatomicas seria impossivel saber o passado e o futuro de forma absoluta quebrando assim os pilares de sustentacao do reducionismo e do determinismo A complexidade e a probabilidade deixariam de ser vistos como algo inerente a incapacidade do ser humano em estabelecer grandezas fisicas estritamente precisas mas passariam a ser conceitos validos e incontestaveis dentro da fisica moderna 179 Werner Heisenberg formulou originalmente o Principio da Incerteza Defensores do paradigma cartesiano afirmam que se o Principio da Incerteza e valido e portanto nao ha mais possibilidades de se obter com precisao estrita a posicao e a velocidade entao nao ha mais condicoes de afirmar seu estado fisico momentaneo Sem a possibilidade de conhecer seu estado fisico as experiencias fisicas sao incapazes em mensurar qualquer grandeza fisica o que poe em cheque todo o conhecimento fisico e a propria fisica Segundo esse pensamento portanto o conhecimento sobre o mundo fisico nao passa de um simples blefe abrindo margem para a validacao de pseudociencias 180 Porem esta afirmacao alem de radical e falsa De fato o principio da incerteza impoe restricoes as medidas estritamente precisas mas tal incerteza e observavel apenas no mundo subatomico e pode ser desprezada no mundo macroscopico 177 Albert Einstein foi um dos defensores do paradigma cartesiano Embora tenha sido um dos fundadores da mecanica quantica nao aceitava a visao de Heiseberg e a interpretacao de Copenhague afirmando que a teoria quantica estava incompleta a incerteza na verdade seria a falta de conhecimento sobre variaveis ocultas 181 Segundo Einstein Deus nao joga dados com o Universo 182 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 nao for perturbado onde pode se prever com precisao o valor de uma grandeza fisica entao existe um elemento da realidade fisica correspondente a esta grandeza fisica e 2 dois sistemas nao podem influenciar se mutuamente quando estao grandemente distanciados todas as interacoes sao portanto locais 181 Porem em um artigo publicado em 1964 John Stewart Bell afirmou que as possiveis variaveis ocultas de Einstein Podolsky e Rosen nao sao compativeis empiricamente com a mecanica quantica Se as possiveis variaveis ocultas fossem verdadeiras existiria uma serie de desigualdades conhecidas como as desigualdades de Bell Se a mecanica quantica ortodoxa for verdadeira tais desigualdades nao ocorrem A discussao sobre a existencia de variaveis ocultas deterministicas e locais saiu do campo filosofico e foi passado para o campo experimental mas tais debates ainda nao cessaram 183 Deste modo os filosofos da fisica encaram questoes filosoficas que abordam questoes mais gerais como o paradigma cartesiano e o positivismo Filosoficamente e historicamente a mecanica quantica nega o determinismo estrito e pontual apoiando se na interpretacao de Copenhague onde o mensuramento e o determinismo para particulas subatomicas ganham um novo sentido filosofico nao podendo ser generalizados para a fisica classica isto e para sistemas macroscopicos de particulas onde a visao mecanicista do mundo ainda vigora e e essencial para a manutencao dos conhecimentos fisicos ja alcancados 184 Filosofos mais moderados defendem a continuacao das bases da mecanica quantica mas defendem que as mecanicas classica e quantica tenham ontologias totalmente independentes isto e as ontologias das duas mecanicas devem ser incomensuraveis 185 Porem os defensores do paradigma cartesiano e do positivismo sugerem que a propria mecanica quantica encontre uma solucao alguns defendem a superacao da Equacao de Schrodinger que e a base fundamental de toda a mecanica quantica moderna para outra que consiga garantir suas posicoes filosoficas tanto na mecanica quantica quanto na fisica classica ou seja a precisao e a certeza nas medidas deveriam ser validas seja no mundo microscopico quanto no macroscopico negando assim a existencia do Principio da Incerteza 186 Fisica estatistica Grafico representando o movimento browniano em tres dimensoes A fisica estatistica tem por objetivo o estudo dos sistemas constituidos por incontaveis particulas tao numerosas que se torna impraticavel a sua descricao atraves da consideracao de cada uma das suas particulas isoladamente Tais sistemas nao sao raros e uma simples amostra de gas confinado em uma garrafa seria um exemplo As ferramentas para solucao dessa questao residem nos conceitos de probabilidade e de estatistica 187 Surge entao um problema filosofico em relacao ao questionamento sobre a exata definicao de probabilidade Alguns filosofos sugerem que a probabilidade seja a medida da ignorancia sobre um numero real 188 Entretanto esta definicao e bastante subjetiva e nao explica o sentido de probabilidade usada pela fisica estatistica ou pela mecanica quantica Em termos fisicos a probabilidade ganha um sentido mais concreto A probabilidade e uma propriedade intrinseca a alguns processos fisicos e nao depende do nivel de conhecimento do fisico experimental Um atomo pode decair radioativamente sob certa probabilidade entre 0 e 1 e isso nao depende da quantidade de ignorancia do observador Isso e fundamental para a propria existencia da fisica estatistica que e a teoria dos processos fisicos probabilisticos 189 Dentro dos processos probabilisticos esta arraigada a nocao de entropia conceito fundamental tambem em termodinamica Ludwig Boltzmann propos que a direcao da flecha do tempo e determinada pela entropia 190 Desde entao os filosofos debatem contra e a favor da tese de Boltzmann Para alguns a entropia em termodinamica nao pode ser generalizada para eventos universais 73 E necessario que haja determinismo estrito e pontual inconcebivel dentro da mecanica quantica a direcao do tempo determinado pela entropia nao passaria de um ponto de vista metafisico 191 Entretanto outros afirmam que e absolutamente possivel conciliar as duas teorias e que a direcao do tempo e realmente determinada pela entropia 191 A segunda corrente de ideias esta 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 propria entropia 139 Fisica experimental Diagrama de um interferometro como usado na Experiencia de Michelson Morley Os filosofos da fisica tradicionalmente se preocupam com a natureza das teorias cientificas isto devido em grande parte ao papel central que a epistemologia da ciencia teve na filosofia principalmente apos o inicio do seculo XX 192 Em vista do advento das teorias modernas na fisica foi a partir de entao que os filosofos e historiadores de fisica comecaram a ficar mais atentos a fisica experimental e tem argumentado que o experimento tem seus proprios metodos e praticas que podem se diferenciar e serem incomensuraveis dentro da diversidade do escopo da fisica experimental 193 Para Thomas Kuhn a ciencia normal e realizada dentro de um determinado paradigma cientifico praticamente estavel mesmo com a presenca de anomalias que contrariam tal paradigma 134 Analisando se as revolucoes cientificas Kuhn percebeu que estas estao associadas a mudancas de paradigma 134 Um paradigma nao e banido imediatamente quando a fisica experimental encontra uma anomalia mas apenas quando o proprio paradigma ja nao mais suporta a quantidade de anomalias 134 Segundo Imre Lakatos que usa um conceito semelhante conhecido como programa de pesquisa 169 tais mudancas de ponto de visao nao ocorrem abruptamente Consequentemente nao existem experimentos cruciais na Historia da fisica 169 A concepcao de Eter para Lakatos nao foi abandonada abruptamente com a Experiencia de Michelson Morley mas sim abandonada lentamente e historicamente 169 Fisica e sociedade Vista aerea da Organizacao Europeia para a Investigacao Nuclear CERN aos arredores de Genebra Suica A fisica e as outras ciencias naturais sao o motor de propulsao de numerosas instituicoes cientificas de grande importancia Tais instituicoes como a Organizacao Europeia para a Investigacao Nuclear CERN demandam nao apenas imensos investimentos 194 mas tambem o mais refinado contingente humano que se pode disponibilizar 195 Os paises desenvolvidos e em desenvolvimento aplicam uma significativa parcela de seu produto interno bruto PIB na investigacao cientifica em geral 196 Deste montante uma parte importante e destinada para a fisica suas divisoes e e aplicacoes a Engenharia e a Industria 196 Tais paises tambem mantem um aparelho burocratico para a administracao desses investimentos 197 Tais aparelhos constituem se de orgaos executivos e de assessoria especializada na conducao e organizacao dos assuntos relacionados a pesquisa cientifica pura e aplicada 197 A criacao dessa maquina publica foi resultado de uma lentissima evolucao dependente do amadurecimento de numerosos fatores e demandas que nao necessariamente estavam ligados a pesquisa cientifica mas sim originados no amplo processo de substituicao da cultura durante a revolucao cientifica 198 Essa evolucao na fisica ganhou ares de uma revolucao autentica o sistema heliocentrico de Copernico e a introducao do experimento como argumento para provar afirmacoes tendo Galileu Galilei como pioneiro abalaram definitivamente o paradigma aristotelico dominante no pensamento filosofico ate a Idade Media 199 A astronomia tornou se tambem uma ciencia moderna com a primeira grande unificacao da fisica quando Isaac Newton uniu a fisica dos Ceus e da Terra sob a gravitacao universal 49 e com a consideravel evolucao na navegacao primeiramente com a utilizacao do astrolabio 200 e posteriormente com a invencao de relogios mais precisos que marcaram um fim nos problemas da navegacao problema que a filosofia natural Medieval nao foi capaz de encontrar uma solucao 201 A destruicao do sistema filosofico e religioso herdado da cultura medieval e as conquistas praticas das grandes navegacoes libertaram a filosofia natural de sua posicao de contemplacao e especulacao e pavimentaram o caminho para uma era em que a ciencia passou a ser encarada como instrumento de transformacao 198 Durante o renascimento italiano as primeiras universidades ditas modernas foram criadas Essas universidades abriram a oportunidades para novas atividades intelectuais 202 Embora o paradigma aristotelico ainda fosse uma heranca medieval ate meados do seculo XIX permitiram a divulgacao de obras de grandes pensadores como Galileu Galilei 203 As primeiras sociedades cientificas sao italianas como a Accademia Nazionale dei Lincei fundada em 1603 em Roma e a Accademia del Cimento fundada em Florenca em 1651 Em seguida foi fundada na Inglaterra em 1662 a Royal Society e a Academie des Sciences na Franca em 1666 No final do seculo XVIII havia aproximadamente duzentas sociedades cientificas na Europa 204 Membros da Royal Society em 1952 Essas sociedades ou academias originaram se com o intuito de dar a ciencia e sobretudo a fisica um novo panorama Segundo Robert Hooke em 1663 ao redigir os estatutos da Royal Society os objetivos da sociedade cientifica eram o aperfeicoamento do conhecimento dos componentes da Natureza e de todos os artefatos uteis produtos e praticas mecanicas invencoes e engenhos por meio da experimentacao Deve se tambem observar a nao especulacao sobre assuntos referentes a divindades metafisica moral politica gramatica retorica ou logica 205 As sociedades cientificas tinham por objetivo aprimorar o conhecimento cientifico mas eram organizacoes muito fechadas e excludentes mantidas por seus membros que eram pessoas de renda propria e alta posicao social Nao havia remuneracao ou recompensas financeiras pelo trabalho cientifico 198 John Harrison inventor do relogio mais preciso ate entao levou praticamente toda a sua vida para reclamar o premio oferecido pela Royal Society para tal feito 206 Essa situacao continuou ate a segunda metade do seculo XIX quando as universidades comecaram a incorporar que forma institucional a ciencia Apenas a partir dessa epoca o cientista pode utilizar uma solida estrutura para a sua formacao Antes disso praticamente todos os cientistas eram autodidatas 198 O Observatorio de Paris fundada como anexo da Academie Royale des Sciences e o Observatorio Real de Greenwich fundada em 1675 foram as primeiras instituicoes dedicadas a areas relacionadas a fisica e amparadas pelo poder central das respectivas nacoes Suas criacoes dependeram intensamente do credito cientifico obtido na solucao de problemas de astronomia necessarios ao desenvolvimento da navegacao 207 Foram tambem as primeiras organizacoes e as unicas durante muito tempo a oferecer uma cadeira regular a um especialista de alguma area da fisica 198 Entretanto nos seculos XVIII e XIX houve a ausencia grandes desenvolvimentos na organizacao social da fisica Quase todo o desenvolvimento nesta area esta confinada ao seculo XX especialmente devido as Primeira e Segunda guerras mundiais onde era necessario o desenvolvimento de armas sofisticadas que exigiam conhecimentos avancados de fisica como na Aerodinamica fisica nuclear entre outros 208 Pesquisas fisicas atuaisVer tambem Problemas em aberto da fisica Efeito Meissner um magneto suspenso sobre um supercondutor A pesquisa em fisica esta progredindo continuamente em varias frentes Na fisica da materia condensada um importante problema em aberto e a supercondutividade a alta temperatura 209 Na fisica aplicada muitos experimentos de materia condensada estao objetivando a fabricacao de aparelhos e computadores magnetoeletronicos 210 e quanticos 211 Na fisica de particulas as primeiras evidencias experimentais de fisica alem do modelo padrao comecaram a aparecer como a possibilidade do neutrino ter massa 212 Atualmente os aceleradores de particulas sao capazes de operar em energias da ordem de tera eletrons volt 213 Os fisicos teoricos e experimentais no CERN e no Fermilab tentam encontrar o boson de Higgs a unica particula ainda a ser descoberta segundo o Modelo Padrao 214 Para tal equipamentos sofisticadissimos foram construidos como o Large Hadron Collider o maior acelerador de particulas ja construido do mundo 215 A gravidade representa uma das mais importantes questoes abertas na fisica moderna 72 As tentativas teoricas de unificar a mecanica quantica e a relatividade geral em uma unica teoria da gravitacao quantica um programa de pesquisas que perdura por mais de cinquenta anos ainda nao foi resolvido 72 Existem modelos matematicos que tentam concilia los como a teoria das cordas e a gravidade quantica em loop 72 Muitos fenomenos astronomicos e cosmologicos a assimetria barionica a aceleracao da expansao do Universo e o problema da maior velocidade angular das galaxias ainda carecem de descricoes satisfatorias 216 Embora se tenha feito progresso na mecanica quantica de altas energias e na Astrofisica muitos fenomenos cotidianos ainda sao fracamente entendidos como a turbulencia sistemas complexos e o caos 217 Ver tambemOlimpiada Brasileira de Fisica Unidades de medida Calculo Cronologia da descoberta de particulasNotas A Fisica e de facto uma ciencia de extrema importancia para todos os avancos tecnologicos que aconteceram e acontecem no nosso Mundo Ela esta presente em quase todos os mecanismos simples e complexos que utilizamos no nosso quotidiano Porem nao foi somente a Fisica que criou a tecnologia mas sim esta em conjunto com outras diversas areas como a Quimica a Biologia as Engenharias etc Segundo Richard Feynman A filosofia da ciencia e tao util para o cientista quanto a ornitologia para os passaros ou nas palavras de Bertrand Russell Ciencia e o que voce sabe Filosofia e o que voce nao sabe Teoria em seu sentido cientifico estrito refere se a uniao indissociavel de um corpo de ideias testaveis e falseaveis frente a fatos naturais e do conjunto de todos os fatos conhecidos na ausencia de contradicao costuma se especificar apenas o subconjunto de fatos mais relevantes a teoria em questao Contudo mesmo entre os cientistas a palavra teoria e muitas vezes usada como referencia ao corpo de ideias apenas ficando o conjunto de fatos subentendido Nao e dificil identificar o sentido adequado a cada situacao Contudo este nao deve nunca perder de vista a definicao restrita em suas consideracoes Embora grande parte dos resultados e observacoes experimentais sejam obtidos a partir de experimentos montados com objetivos pre definidos este procedimento esta longe de ser um procedimento exclusivo de obtencao dos dados fatos e respostas necessarios a construcao e evolucao das teorias cientificas A invencao e aplicacoes decorrentes do laser a unificacao das teorias da eletricidade e o magnetismo via experiencia de Orsted e mesmo a aplicacao do viagra como estimulante sexual sao exemplos de surpresas e implicacoes inesperadas de resultados experimentais que nao podem ser renegados ao considerar se possiveis implicacoes filosoficas da objetividade pre definida do procedimento teorico experimental dentro da ciencia Respectivamente nas palavras de Jacob Bronowski Thomas Hobbes e Konrad Lorenz O homem domina a natureza nao pela forca mas pela compreensao E por isto que a ciencia teve sucesso onde a magia fracassou porque ela nao buscou um encantamento para lancar sobre a natureza ciencia e o conhecimento das consequencias e da dependencia de um fato em relacao a outro A verdade na ciencia pode ser mais bem definida como a hipotese de trabalho mais adequada para abrir o caminho ate a proxima hipotese E um bom exercicio para um pesquisador livrar se de uma hipotese favorita todo dia antes do cafe da manha Isso o mantera jovem Referencias para as notas 75 94 128 218 219 220 Referencias Feynman R P Leighton R B Sands M 1963 The Feynman Lectures on Physics em ingles 1 S l s n pp I 2 ISBN 0 201 02116 1 CS1 manut Nomes multiplos lista de autores link Maxwell J C 1878 Matter and Motion S l D Van Nostrand 9 paginas ISBN 0486668959 Adler Ronald J Casey Brendan Jacob Ovid C 16 de novembro de 1994 Vacuum Catastrophe An elementary exposition of the cosmological constant problem PDF San Francisco State University em ingles Consultado em 24 de julho de 2011 Arquivado do original PDF em 16 de abril de 2012 CS1 manut Nomes multiplos lista de autores link Marques Glauber Tadaiesky 2004 Termodinamica de buracos negros extremos PDF Universidade Federal do Espirito Santo Consultado em 24 de julho de 2011 Romero Filho Carlos Augusto As dimensoes escondidas do Universo Universidade 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