Ilustração 1- Aristóteles, considerado um dos maiores filósofos naturais da Grécia Antiga
Índice
1 Antiguidade
2 Grécia Antiga
3 Idade Média e Filosofia Natural Islâmica
4 Renascimento e o desenvolvimento do método científico
4.1 (Vídeo) 1 - A Historia da Ciencia - O que há lá fora?
4.1 (Vídeo) 1 - A Historia da Ciencia - O que há lá fora?
5 Mecânica Clássica
6 Termodinâmica
7 Eletromagnetismo
8 Física moderna
9 Referências
1 Antiguidade
Pode-se traçar a história da Física a partir do momento em que a humanidade começou a ver e analisar os fenômenos naturais de modo racional, abandonando explicações místicas ou divinas. As primeiras tentativas racionais de explicação da Natureza vieram com os indianos e com os gregos antigos. Antes disso, fenômenos naturais e suas consequências eram explicados por deuses e deusas; Apolo, em sua carruagem, carregava a esfera brilhante, o Sol, de leste para oeste, todos os dias. A Filosofia Natural, como era conhecida a Física até tempos mais modernos, confundia-se com a Química e com certos aspectos da Matemática e Biologia, e pode ser considerada a disciplina acadêmica mais antiga, se for considerada a sua presença dentro da Astronomia.
Após ter visto um momento de esplendor na Grécia Antiga, tendo como nome principal Aristóteles, a Física entrou em declínio na Idade Média, tendo revivido apenas durante o Renascimento, durante a Revolução Científica. Galileu Galilei é considerado o primeiro Físico em seu sentido moderno, adotando a Matemática como ferramenta principal. Galileu é um dos pioneiros a descrever o real objetivo de um cientista; sua função é apenas descrever os fenômenos em vez de tentar explicá-los. Já dotado de um método científico, a Física teve uma notável evolução com Isaac Newton, que realizou a primeira grande unificação da Física ao unir Céus e Terra sob as mesmas leis da Física, a gravitação universal.
Nos séculos XVIII e XIX surgiram os fundamentos da termodinâmica e do eletromagnetismo, destacando-se Rudolf Clausius, James Prescott Joule e Michael Faraday. James Clerk Maxwell realizou outra grande unificação da Física ao fundir eletricidade e magnetismo sob as mesmas descrições matemáticas, sendo que toda a Óptica pode ser derivada da teoria eletromagnética de Maxwell.
No final do século XIX pensava-se que todos os fenômenos físicos poderiam ser explicados dentro das teorias correntes. Entretanto, certos "fenômenos rebeldes" fugiam do alcance dos cientistas. No início do século XX, ao tentar explicar matematicamente a radiação de corpo negro, Max Planck introduziu o conceito de quantum de energia. Em 1905, Albert Einstein apresentou, sob a forma de cinco artigos, as bases da Relatividade e da Mecânica Quântica. Tais "fenômenos rebeldes" finalmente foram explicados, mas a ontologia determinista estrita e pontual, característica da mecânica newtoniana, foi abalada seriamente, que foi agravada após a publicação do Princípio da Incerteza de Werner Heisenberg e do princípio da complementaridade de Niels Bohr.
Desde então, a Física preocupa-se em explicar, sob o ponto de vista da Física Moderna, a natureza as quatro forças fundamentais da Natureza. O Modelo Padrão, apresentada na década de 70, descreve três das quatro forças. Trabalhos dentro do Grande Colisor de Hádrons (LHC), no CERN, e no Fermilab, procuram confirmar a existência do bóson de Higgs, a única partícula prevista pelo Modelo Padrão ainda não descoberta. Entretanto, a gravidade ainda carece de uma explicação teórico-experimental enraizada pela Física Moderna e é ainda um grande problema em aberto da Física.
As pessoas desde a Antiguidade sempre prestaram atenção nas regularidades da Natureza; [1] o Sol nasce todo dia; um ciclo lunar é completado em aproximadamente 28 dias, praticamente o mesmo período de um ciclo menstrual; as estrelas ocupam a mesma posição no céu em um determinado momento a cada ano, um objeto sempre cai quando não é apoiado; as quatro estações do ano sempre estão ordenadas e se repetem anualmente. [2]
Esta ordenação da Natureza precisava de explicações satisfatórias. Inicialmente, os povos antigos atribuíam tais fatos à mitologia e à metafísica; deuses e deusas que controlavam o mundo. Na Grécia Antiga, Gaia era a deusa Terra e Zeus controlava o poder dos relâmpagos. Apolo, com a sua carruagem flamejante do Sol, cruzava os céus uma vez por dia.
Basicamente, "Física" é uma tentativa de se obter explicações racionais sobre o mundo real, em contraste com explicações metafísicas, mitológicas, religiosas ou mágicas. [3] Tomando Física com base nesta definição, os povos antigos começaram a construí-la em diferentes partes do mundo em diferentes épocas, com propósitos e ênfases diferentes. [3] O povo maia, no século I a.C, já havia desenvolvido um calendário; conheciam a duração de um ano com uma precisão de seis segundos. Também conheciam com bastante precisão os movimentos do Sol e dos planetas [4] e desenvolveram a noção de zero antes dos europeus. [5] Os indianos também haviam desenvolvido a noção de zero, que foi transmitido ao mundo árabe. Também refletiam sobre questões físicas desde o III milênio antes de Cristo. [6] Entre o IX e o VI século a.C. os filósofos indianos já defendiam o heliocentrismo e o atomismo.[6] Na Grécia Antiga, Tales de Mileto foi historicamente o primeiro filósofo ocidental a recusar explicações sobrenaturais, religiosas ou mitológicas para os fenômenos naturais, defendendo que todo evento tem uma causa natural.[7] No século IV a.C., os chineses já haviam enunciado o que é conhecido hoje como a Primeira Lei de Newton.[4]
2 Grécia Antiga
As primeiras tentativas do Ocidente em prover explicações racionais para os funcionamentos da Natureza vieram com os gregos, por volta do século VII a.C..[8] Pitágoras e seus seguidores, no século VI a.C., acreditavam que todo o sistema numérico era dividido em elementos finitos, uma ideia precursora do atomismo.[9] Os gregos Leucipo, Demócrito e Epicuro, nos séculos V a III a.C., impulsionaram a ideia de que a matéria era dividida em "átomos" extremamente pequenos, com diferentes materiais sendo formados de diferentes átomos e suas combinações.[10] Aristarco de Samos, no século III a.C., foi um dos primeiros gregos a propor o heliocentrismo,[11] embora o paradigma dominante fosse geocentrista.[12] Aristarco também tentou calcular o tamanho relativo da Terra, da Lua e do Sol.[11]
Entretanto, os gregos não estavam preocupados com a experimentação. Todas as explicações racionais do mundo eram derivados de um pequeno número de princípios filosóficos; [13] boas argumentações e um pouco de lógica se sobrepunham à comprovações empíricas, deixada para "artesãos".[14]
Aristóteles é descrito com frequência como sendo o grego que proveu as explicações mais compreensivas dentro destes princípios filosóficos. Ele acreditava na existência de quatro elementos básicos, a terra, a água, o ar e o fogo. Cada um tinha o seu lugar natural no Universo, determinado pelo seu peso. A terra é pesada e tenderia a permanecer no centro do Universo, a água tenderia a permanecer acima da terra e o ar, por sua vez, tenderia a permanecer na superfície terrestre. O fogo tenderia a escapar do centro do Universo.[15] Haveria ainda um quinto elemento, perfeito, que não teria peso. As estrelas seriam formadas por esse quinto elemento, o éter. [15]
Em seu livro, Física, Aristóteles descreveu o movimento de um corpo. Um corpo manteria seu estado de movimento apenas se estivesse em contato com o seu "movedor". Caso contrário, a tendência de um corpo seria parar. Aristóteles explicou que o movimento de uma flecha após ser lançada seria causada pela "impulsão do ar", uma tendência natural do ar fechar o "vácuo" formado pela flecha em seu rastro, já que, segundo Aristóteles, a "Natureza abomina qualquer forma de vácuo".[16] No caso dos objetos constituídos por éter, para Aristóteles, bastaria apenas um "lançamento inicial" para pôr tais objetos em movimento, e esse movimento seria perpétuo, pois objetos formados por éter não teriam peso e, portanto, não teriam a necessidade de um "movedor".[16]
Os gregos fizeram muitos esforços para prover explicações racionais sobre os movimentos dos planetas, do Sol, da Lua e das estrelas. Eudoxo de Cnido, no século IV a.C., foi aparentemente o primeiro grego a prover observações quantitativas sobre o movimento dos astros usando descrições matemáticas. Ele desenvolveu um sistema de esferas, notando a periodicidade dos movimentos dos astros. As esferas eram centradas na Terra, mas seus eixos de rotação eram centradas em esferas exteriores. Assim, Eudoxo elaborou um sistema de esferas concêntricas, e cada esfera estava ligada a um planeta. [12] Isto encaixava na crença dos gregos de que o círculo é o objeto geométrico mais perfeito. [17] Apolônio de Perga aperfeiçoou o sistema de esferas no século III a.C.; cada planeta estava fixada a uma pequena esfera, que por sua vez estava fixada em uma esfera maior, que completava uma volta a cada dia. Estas pequenas esferas ficaram conhecidas como epiciclos e explicavam o movimento retrógrado aparente dos planetas no céu para um observador da Terra. [4]
O sistema esférico dos astros foi se complexificando com o aumento da precisão matemática. Hiparco, no século II a.C., utilizou registros gregos e babilônicos para prover dados mais precisos, e Ptolomeu, no mesmo século, já havia construído um sistema de esferas contendo mais de 80 elementos para explicar toda a periodicidade dos astros no céu, todos descritos em seu livro Almagesto.[18] Eratóstenes deduziu que a Terra era uma esfera e calculou apuradamente sua circunferência usando sombras de bastões fincados verticalmente para comparar os ângulos, ou seja, o tamanho da sombra projetada no chão pelo bastão vertical, entre dois pontos bastante separados na superfície da Terra.[19] Arquimedes é considerado o fundador da hidrostática, da estática e formulou as leis da alavanca. Formulou os princípios do empuxo em fluidos, conhecidos como Princípios de Arquimedes. Arquimedes também inventou o parafuso de Arquimedes, uma máquina constituída de um parafuso e de um tubo, capaz de bombear água para níveis mais elevados. [20]
3. Idade Média e Filosofia Natural Islâmica
Com a queda do Império Romano no século V, a maior parte da literatura grega se perdeu assim que a Europa entrou num período conhecido como a "idade das trevas", onde o interesse pela obtenção do conhecimento e da própria educação praticamente desaparece. [21][22] A terra, que era esférica, passa a ser plana.[23] Os conhecimentos da Natureza até então obtidos passam a ser subjugados pelas Escrituras Sagradas.
Ilustração 2- Estudos de Roger Bacon sobre óptica, no final do século XIV.
Entretanto, o conhecimento grego não foi totalmente perdido. Todo esse conhecimento, que havia migrado para o Oriente Médio e Egito, foi traduzido para o árabe pelas pessoas que viviam nestas regiões. Os árabes não somente manteram o conhecimento grego vivo, mas o enriqueceram. [24] As leis da refração já haviam sido enunciadas pelos persas. Os árabes também traduziram trabalhos indianos e começaram a usar numerais e a álgebra. [25] A noção de zero foi levada para a Europa pelos árabes. Al-Battani calculou a precessão dos equinócios com maior precisão do que o grego Ptolomeu. Mohammed al-Fazari desenvolveu o astrolábio,[26] enquanto que al-Khwarizmi emprestou seu nome para que conhecemos atualmente como algarismo.[27]
No século XII, com a reconquista dos territórios árabes na Europa, teve início a tradução da literatura árabe e grega para o latim,[28] e a Europa Medieval redescobriu, assim, o conhecimento grego juntamente com novos conhecimentos árabes.[28] A intelectualidade na Europa durante a "Idade das Trevas" manteve-se preocupada com a cópia manuscrita de livros sagrados.[21] Em outras palavras, a educação estava em torno da Igreja Católica.[21] Com o passar dos séculos e com a "avalanche" de conhecimentos redescobertos, escolas começaram a se formar adjacentes às igrejas e catedrais. Tais escolas evoluíram para as primeiras universidades medievais por volta do século XIII.[29] As universidades inglesas de Cambridge e de Oxford surgiram nesta época.[30] Com o advento de universidades associadas à Igreja, outras universidades foram fundadas por governos de cidades e Estados.[4] O trabalho realizado dentro destas universidades medievais contribuiu muito para a evolução do conhecimento científico que se seguiria séculos depois.[31]
Na primeira metade do século XIV, ressurge a teoria do ímpeto, que já havia sido iniciada por Hiparco e impulsionada por João Filopono, radicalmente modificada pelo persa Avicena e consagrada pelo francês Jean Buridan.[32] Um projétil após ter sido lançado tem seu movimento continuado devido a algo interno, chamado "ímpeto", doado pelo lançador no momento do tiro. O "ímpeto" se perpetuaria se não houvesse a "tendência natural de cair ao chão" e se não houvesse contato com outros objetos. Um objeto com mais peso teria mais "ímpeto" do que um objeto mais leve, considerando-se a mesma velocidade. Esta maneira de pensar, ainda similar à "Física" de Aristóteles, tornou-se um antecessor às concepções de inércia, momento linear e aceleração. [33]
O inglês Guilherme de Ockham opôs-se à teoria do ímpeto e afirmou que não se pode diferenciar qual o objeto seria o projétil, o objeto lançado ou o lançador. Segundo ele, não podendo se afirmar qual é o projétil, não se pode afirmar nenhuma conclusão sobre "ímpeto".[34] Além disso, Ockham, um grande lógico, criou a chamada "Navalha de Ockham". Segundo este princípio, a melhor explicação para o funcionamento da Natureza é aquela que pode descrever o fenômeno nos seus princípios mais fundamentais. Outras descrições mais elaboradas são "descartadas".[34] Robert Grosseteste e Roger Bacon realizaram importantes trabalhos experimentais sobre óptica, nos séculos XII e XIII.[35]
Com o advento da peste negra, novamente a Europa caiu em um período onde se teve poucas produções científicas, encerrando-se apenas com a publicação de De revolutionibus orbium coelestium, de Nicolau Copérnico, trazendo o heliocentrismo novamente ao centro das atenções. [36]
4 Renascimento e o desenvolvimento do método científico
O Renascimento do conhecimento e da aprendizagem na Europa, que se seguiu à redescoberta dos conhecimentos gregos e árabes, afetou toda a sociedade europeia. [37]
Em 1541, Nicolau Copérnico publica o livro De revolutionibus orbium coelestium, que marca o início da astronomia moderna. [36] Neste livro, Copérnico defende o heliocentrismo e o suporta matematicamente.[36] A partir do século XVII, os filósofos naturais começam a montar um ataque sustentado contra o programa filosófico escolástico, que unia filosofia e teologia.[37] Também propuseram que a descrição matemática de áreas como a Mecânica e Astronomia poderiam universalizar as características dos movimentos.[38]
Ilustração 3 - Galileu Galilei
Um dos grandes nomes desta época é o italiano Galileu Galilei. Uma das maiores contribuições de Galileu foi reconhecer que o papel de um cientista não era explicar o "porquê" dos fenômenos, mas somente descrevê-los.[39] Em um de suas obras, Discursos e Demonstrações Matemáticas acerca de Duas Novas Ciências Galileu levanta a questão de por que um objeto cai sem sustentação. Na réplica, Galileu diz que não explicou nada, apenas o descreveu.[39] Galileu simplificou o papel de um cientista, sua função é apenas fazer uma descrição, sem procurar os "porquês" que ele mesmo não pode responder.[39] Galileu foi um dos pioneiros a reconhecer na matemática uma ferramenta para descrever os fenômenos naturais e confirmá-los através de experimentações.[39]
Os estudos de Galileu recaíram no estudo de movimento de projéteis,[40] da queda livre[41] e na Astronomia.[42] Galileu concluiu que os movimentos verticais e horizontais são independentes[40] e que a distância percorrida por um objeto em queda livre é proporcional ao quadrado do intervalo de tempo decorrido.[41] Galileu também aperfeiçoou o telescópio e descobriu os satélites galileanos, os quatro maiores satélites de Júpiter, e as fases de Vênus, o que levou Galileu a defender o heliocentrismo[36] e a ser condenado pela Igreja pelo seu ato.[43]
Os métodos de Galileu, além de cientistas contemporâneos, como Johannes Kepler e William Gilbert, já eram uma derivação da nova forma de se pensar da época, uma nova forma de filosofia que vinha sido desenvolvida, entre outros, pelo francês René Descartes e pelo inglês Francis Bacon, que veio a ficar conhecido como método científico. Tal forma de se pensar já vinha desde os filósofos naturais islâmicos.[44]
Segundo Francis Bacon, a ciência deve ser qualitativa, experimental e indutiva. Deve rejeitar assunções a priori. Se houver uma quantidade suficiente de observações, tais observações devem ser usadas para se induzir ou generalizar os princípios fundamentais envolvidos nos fenômenos a serem estudados.[45]
Porém, René Descartes propôs uma lógica diferente: não se deve iniciar as observações com descrições de fatos "crus", sem conexão, ao se analisar um determinado fenômeno. Descartes acreditava que os princípios mais fundamentais que regem a Natureza poderiam ser obtidos de uma combinação de pura razão com lógica matemática. Sua abordagem era analítica: os problemas devem ser partidos aos seus constituintes mais fundamentais e após rearranjá-los logicamente. Os fenômenos podem ser reduzidos aos seus componentes fundamentais. Se tais componentes fundamentais forem entendidos, portanto o sistema como um todo também será.[46] Embora os pensamentos de Bacon e de Descartes fossem diferentes, a congruência dessas filosofias dominou as investigações científicas nos séculos seguintes.[47]
Assista ao vídeo:
4.1 - A Historia da Ciencia - O que há lá fora?
5 Mecânica Clássica
A Mecânica Clássica deriva-se da queda da física aristotélica, que perdurou por toda a Idade Média. Esta queda iniciou-se com os trabalhos de Galileu Galilei. Tornou-se claro que os céus não eram feitos de uma "substância perfeita", o éter. Adotando o sistema heliocêntrico de Nicolau Copérnico, Galileu acreditou que a Terra não passaria de mais um planeta que orbita em torno do Sol. Os importantes experimentos quantitativos de Galileu sobre queda livre e movimento de projéteis foram importantes pontos de partida para os trabalhos de Isaac Newton.
Newton foi o primeiro a unificar as três leis do movimento (Lei da Inércia, a força como relação massa e aceleração e a lei da ação e reação), conhecidas como Leis de Newton, e provar que estas leis governam tanto a Terra como os Céus.[48][49] Newton e seus conteporâneos esperavam que a Mecânica Clássica pudesse ser capaz de explicar todos os fenômenos, incluindo a Óptica.[49] Em seu livro, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Newton descreveu a universalidade de suas leis[50] e concluiu a primeira grande unificação da História da Física, já iniciada por Galileu, ao unir Céus e Terra, os trabalhos de Galileu e de Kepler, sob as mesmas leis físicas, a gravitação universal.[51]
Ilustração 4 - Isaac Newton
Newton também foi um dos desenvolvedores, juntamente com o alemão Gottfried Leibniz, do Cálculo, uma das mais importantes ferramentas matemáticas para dar linguagem à Mecânica Clássica. Anos mais tarde, Leonhard Euler estendeu as Leis de Newton para corpos rígidos e realizou simplificações matemáticas para as suas leis, como a introdução do conceito de força como produto da massa pela aceleração (Newton havia elaborado o conceito de força como a derivada da quantidade de movimento).
A Mecânica Clássica foi aperfeiçoada com o decorrer dos séculos. Além das contribuições de Euler, os trabalhos de Joseph-Louis Lagrange e de William Rowan Hamilton permitiram soluções para uma grande quantidade de problemas. Em meados do Século XIX, a Mecânica Clássica atinge seu auge: todos os problemas físicos podiam ser reduzidos a simples problemas que a Mecânica Clássica obteria respostas consistentes. Entretanto, várias incompatibilidades surgiram, como a diferença de comportamentos da Mecânica Clássica com o Eletromagnetismo em referenciais diferentes. Surgiu a necessidade de novas explicações e no início do Século XX, a Mecânica Clássica foi reduzida a simples caso particular dentro da Relatividade e da Mecânica Quântica.[49]
6 Termodinâmica
No século XVII, as noções básicas de calor e de temperatura já estavam estabelecidas. Os cientistas daquela época já estavam convencidos de que tais propriedades físicas estavam associadas aos movimentos das estruturas microscópicas da matéria.[52][53] Entretanto, no século seguinte, a noção de que o calor era uma substância fluida tornou-se dominante.[52]
Ilustração 5 - Rudolf Clausius
Apenas na década de 1840 James Prescott Joule e outros cientistas começaram a derrubar esta forma de pensamento e, na década seguinte, tornou-se aceito que o calor é de fato uma forma de energia.[54][52] A relação entre calor e energia tornou-se importante para o desenvolvimento de máquinas a vapor.[55] Ainda em 1824, o francês Sadi Carnot já tinha em mente algumas ideias rudimentares de termodinâmica para discutir a eficiência de máquinas térmicas idealizadas.[56]
Por volta de 1850, Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin) foram os primeiros a enunciar a Primeira Lei da Termodinâmica: a energia total é conservada.[57] Tanto Clausius quanto Thomson também enunciaram os rudimentos da Segunda Lei da Termodinâmica. Originalmente, ambos descreveram que o calor não "flui" espontaneamente de um corpo frio para outro quente, o que é descrito atualmente em termos de entropia, onde a entropia de qualquer sistema isolado tende a aumentar com o tempo, até alcançar um valor máximo.[58]
A ideia de que gases são constituídos de moléculas em movimento foi discutida inicialmente por Daniel Bernoulli, em 1738, embora não tenha alcançado grande aceitação.[59] Esta ideia foi revivida por Clausius em 1857 e,[59] três anos depois, James Clerk Maxwell derivou da mecânica da colisão de moléculas individuais a distribuição da velocidade das moléculas em um gás. Durante os anos seguintes, a teoria cinética dos gases desenvolveu-se rapidamente e muitas propriedades macroscópicas dos gases em equilíbrio foram computadas.[59]
Em 1872, Ludwig Boltzmann construiu uma equação que, segundo ele, detalhava a evolução de um gás, em equilíbrio ou não, através de um período de tempo.[60] Durante a década de 1860, Clausius havia introduzido a noção de entropia como a razão do calor pela temperatura e enunciou a Segunda Lei da Termodinâmica como sendo o aumento desta grandeza.[61] Boltzmann então mostrou que sua equação implica na chamada teorema H, que afirma que uma grandeza igual à entropia deve sempre aumentar com o tempo em um processo irreversível.[62] Isto provaria a Segunda Lei da Termodinâmica.[62] Entretanto, tal ideia gerou discussões, pois se assumia que as colisões moleculares poderiam ser reversíveis e, portanto, entrava em contradição com a Segunda Lei da Termodinâmica.[62]
Mais tarde, foi mostrado que a equação original de Boltzmann implicaria implicitamente que as moléculas não estão relacionadas antes da colisão mas estão logo após. Isto introduziria uma assimetria fundamental no próprio conceito de tempo.[63] Durante a década de 1870, Kelvin e Maxwell já estavam convencidos de que a Segunda Lei da Termodinâmica não poderia ser entendida em termos de Física microscópica, mas de alguma forma de propriedades intrínsecas de probabilidade envolvendo um grande número de moléculas.[64] Boltzmann, convencido da reversibilidade da colisão de moléculas, argumentou que em um gás há mais estados aleatórios do que ordenados.[65] Baseado nesta argumentação, Boltzmann afirmou que a entropia deve ser proporcional ao logaritmo do número de estados possíveis de um sistema, formulando os rudimentos da Física Estatística.[66]
7 Eletromagnetismo
A humanidade conhece as forças magnética e elétrica desde a antiguidade, mas apenas os gregos antigos a partir do quarto século a.C. começaram a refletir racionalmente sobre suas propriedades.[67][8]
Entretanto, as investigações sistemáticas não começaram até a Idade Média; os fenômenos magnéticos começaram a ser explorados primeiramente.[68] No século XII, a bússola já era conhecida na Inglaterra.[69] O francês Petrus Peregrinus de Maricourt concluiu que uma agulha magnetizada alinha-se longitudinalmente a um ímã esférico, alinhando-se a dois pontos que Maricourt chamou de polos magnéticos.[70]
Ilustração 6 - William Gilbert
Entretanto, um dos primeiros cientistas a realizar estudos sistemáticos sobre eletricidade e magnetismo foi o inglês William Gilbert, no século XVI.[71] Gilbert confirmou os trabalhos de Maricourt e especulou corretamente que a Terra é um gigantesco ímã.[71] No seu livro, De magnete, Gilbert descreveu também que a força elétrica pode ser observada em vários materiais friccionados. Ele atribuiu este fenômeno à remoção de um "fluido elétrico" devido à fricção e chamou esta propriedade como fenômeno "elétrico", termo derivado do grego elektrum, que significa âmbar.[71]
Otto von Guericke construiu o primeiro gerador eletrostático utilizando a fricção de uma esfera de enxofre.[72] Pieter van Musschenbroek é o primeiro a publicar trabalhos sobre a "garrafa de Leiden", um dos primeiros acumuladores de carga, antecessor do capacitor.[72] Benjamin Franklin foi um dos primeiros a propor que um corpo contém quantidades iguais de cargas negativas e positivas, que sob circunstâncias normais, são neutralizadas uma pela outra.[73] O ato de eletrificar seria a separação das duas "formas" de eletricidade, a negativa e a positiva. Franklin demonstrou seus argumentos e propôs que os raios de tempestades não passariam de gigantescas centelhas que neutralizariam as cargas elétricas presentes no solo e nas nuvens. No famoso experimento da pipa, Franklin conseguiu com sucesso armazenar cargas elétricas de uma nuvem de tempestade em uma garrafa de Leiden.[73]
As primeiras tentativas de quantificação da eletricidade e do magnetismo se iniciaram no século XVIII.[74] Charles Augustin de Coulomb inventou a balança de torção para medir com precisão as forças envolvidas em corpos carregados eletricamente.[75] Coulomb concluiu que a força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância, o que ficou conhecido como a lei de Coulomb.[75] No final do século XVIII e no início do século XIX, vários grandes físico-matemáticos conceberam vários formalismos matemáticos para os fenômenos elétricos e magnéticos, como Siméon-Denis Poisson, Pierre-Simon Laplace e Carl Friedrich Gauss.[68] Alessandro Volta descobriu que dois metais diferentes em contato produziam um potencial elétrico.[76] Usando isso, Volta construiu a primeira "pilha voltaica". Tal pilha poderia produzir uma corrente elétrica com ordens de magnitude maior do que já se tinha feito até então com geradores eletrostáticos.[76]
Sabia-se, até então, que a eletricidade e o magnetismo estavam relacionados apenas nos formalismos matemáticos semelhantes, exceto que o magnetismo não tinha monopolos. No entanto, sabia-se que um raio poderia defletir a agulha de uma bússola.[77] Hans Christian Oersted, que estava filosoficamente convencido da união das forças da natureza, ao saber da pilha voltaica, realizou experimentos com grandes correntes e percebeu que a força magnética está presente em uma corrente elétrica.[77] Ao saber dos trabalhos de Oersted, André Marie Ampère desenvolveu uma completa teoria quantitativa fundamentada matematicamente.[78] Ampère foi além: por meio de experimentos, concluiu que a força magnética de um magneto permanente é exatamente equivalente à força magnética de um condutor de eletricidade, considerando-se a intensidade da corrente elétrica ou o número de espiras de um condutor enrolado (que Ampère chamou de solenoide). Ampère também concluiu que um magneto permanente deve conter correntes elétricas fechadas em seu interior e que a magnetização é o alinhamento de moléculas dotadas de magnetismo.[78]
Michael Faraday introduziu o conceito de "campo", o que simplificou a matemática que descrevia os fenômenos elétricos e magnéticos.[79] Segundo Faraday, a presença de cargas elétricas e magnéticas causavam uma "distorção" no espaço. A esta "distorção" Faraday chamou de campo. A ação do campo ocorria sob a forma de "linhas de força".[79] Impressionado com os trabalhos de Oersted, Faraday propôs o inverso, a variação da força magnética causaria corrente elétrica.[80] Após dez anos de tentativas, em 1831 Faraday pôde demonstrar experimentalmente suas ideias. Faraday foi além: construiu o primeiro motor elétrico, o primeiro transformador e o primeiro dínamo.[81] Faraday também tentou explicar os fenômenos elétricos e magnéticos microscopicamente, afirmando que a polarização dos objetos era devida a rotação de átomos dipolares (a ideia de átomo ainda estava sendo levantada à época, e não se previa a existência do elétron).[82] Faraday também argumentava que a luz era uma manifestação do eletromagnetismo e cogitou a hipótese de unificar as forças elétrica e magnética à gravitação.[83]
Ilustração 7 - James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell foi o grande unificador dos trabalhos dos cientistas do século XIX, unindo, sob a mesma teoria fundamentada matematicamente, os trabalhos de Gauss, Ampère e Faraday, com várias correções próprias.[84] Iniciando seus trabalhos com foco nas linhas de força de Faraday, Maxwell fundamentou toda a base matemática da teoria eletromagnética observando similaridades com outras áreas da Física Clássica, como termodinâmica e hidrodinâmica. Seu trabalho é resumido em apenas quatro equações, conhecidas atualmente como as equações de Maxwell.[84] Demonstrou matematicamente a velocidade da luz usando apenas princípios eletromagnéticos, o que finalmente levou a Óptica a ser fundida com a teoria eletromagnética.[85] Em 1888, Heinrich Rudolf Hertz confirmou experimentalmente a existência das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell.[85] O trabalho de Maxwell serviu como base para a futura revolução tecnológica ocorrida no século XX.[84]
8 Física moderna
Durante as últimas décadas do século XIX, todos os fenômenos físicos poderiam ser explicados dentro das teorias clássicas da Física, segundo o pensamento corrente.[86] Existiam "fenômenos rebeldes", mas que em breve poderiam ser encaixados em tais teorias. Entretanto, tais "fenômenos rebeldes" tornaram-se grandes problemas para a Física.[86] Dentre tais "fenômenos rebeldes", destacavam-se a radiação de corpo negro,[86][87] o efeito fotoelétrico[86][88] e o espectro de raias dos elementos.[86][89]
Ilustração 8 - Albert Einstein
Em 1900, o alemão Max Planck, em uma tentativa de dar um suporte matemático à radiação de corpo negro, propôs que haveria uma limitação energética na vibração de osciladores causadores da radiação; um oscilador não vibraria com qualquer energia, mas apenas com energias "demarcadas". Os valores de tais energias seriam múltiplos de números naturais, o que foi chamado de quantum de energia. A energia deste quantum seria dada pelo produto de um número natural pela frequência da onda eletromagnética, e por uma constante universal, que veio a ser chamada de constante de Planck.[86]
Em 1905, Albert Einstein publica cinco artigos no periódico Annalen der Physik, onde Einstein apresenta pela primeira vez o início da Relatividade e da Mecânica Quântica.[90] Alcançando o mesmo resultado para a constante de Planck, mas fornecendo bases físicas mais consistentes, Einstein pôde explicar o efeito fotoelétrico e postulou que a velocidade da luz é constante em qualquer referencial inercial. Dez anos mais tarde, Einstein publica a sua Relatividade Geral, onde Einstein amplia a Relatividade para referenciais não-inerciais e para a gravitação.[90]
Em 1924, o francês Louis de Broglie propõe a dualidade onda-partícula para o elétron.[91] Dois anos mais tarde, Erwin Schrödinger publica a sua equação, que é a base da Mecânica Quântica atual.[92] Em 1927, 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,[92] abalando as estruturas do determinismo estrito e pontual, na qual se pode conhecer todo o passado e futuro de uma partícula conhecendo-se a sua posição e velocidade em um determinado instante.[92]
Ilustração 9 - Niels Bohr
Na década de 40, a equipe liderada por Richard Feynman formula a eletrodinâmica quântica, na qual as forças eletromagnéticas são intermediadas por fótons. Esta teoria é uma das mais precisas já construídas pelo homem atualmente.[93] Com a idealização e descoberta dos quarks, partículas fundamentais que formam, entre outras partículas, o próton e o nêutron, a cromodinâmica quântica é formulada, na qual se descreve a interação de partículas subatômicas (quarks e glúons) através da força nuclear forte.[94] A eletrodinâmica e a cromodinâmica são bases de um conjunto de teorias chamada de Modelo Padrão, que descreve três das quatro forças fundamentais da Natureza.[95]
Entretanto, o Modelo Padrão não é capaz de abranger a gravidade, alvo de estudos desde a Revolução Científica com Galileu Galilei com os estudos da queda livre. A gravitação ainda não tem um suporte teórico-experimental enraizado pela Física moderna sobre a sua verdadeira causa.[96] A Relatividade Geral de Einstein entra em conflito com a Mecânica Quântica e constitui um dos maiores desafios para físicos teóricos e experimentais atualmente.[97]
9 Referências
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