(Blog de André Luiz Nogueira Oluchi)

      
         Uma Breve História da Física Teórica e Aplicada

     A história da Física é uma muito interessante e é com orgulho que a humanidade pode olhar para o caminho percorrido até pouco tempo atrás.

     Nos centros culturais da antiguidade pouco se sabia de Física. Sabemos hoje que os egípcios, ao construírem as pirâmides, já conheciam as leis da alavanca, da roldana e do plano inclinado. Também a balança de braços iguais provém daqueles tempos. De modo geral, porém, os cientistas da antiguidade se ocupavam mais com a Astronomia e sua irmã supersticiosa, a Astrologia, e, em razão disso, desviaram-se para outro tipo de problemas, religiosos e pseudomísticos. Desconheciam-se os experimentos, de modo que a ciência se baseava unicamente em suposições e teorias filosóficas. Os diferentes conceitos que surgiram com relação à forma da Terra, dos corpos celestes, etc., conservaram-se até à Idade Média, embora não pudessem explicar muitos fatos, e fossem mesmo errôneos.

     Assim, acreditava Aristóteles, de Estagira (grego, 384 a.c./322 a.c.) que os corpos pesados caíssem mais rapidamente que os leves. Leis exatas daqueles tempos são as da reflexão da luz, descobertas por Euclides, de Alexandria (grego, cerca de 330 a.c./270 a.c.). Também as leis da alavanca, talha, parafuso, roda dentada, a noção de peso específico e a lei da força ascensional (ou empuxo) dos líquidos, descobertas por Arquimedes (grego, cerca de 287 a.c./212 a.c.), em Siracusa, sua cidade natal, que se antecipou de tal forma ao seu tempo que, durante 1800 anos, ninguém fez descobertas no domínio da Mecânica. Ele construiu catapultas para a defesa de Siracusa, e morreu durante a luta travada contra os romanos (e perdida) em defesa dela. Foi, sem dúvida, o maior cientista da antiguidade, não apenas em Física, como em Matemática.

     O ar foi reconhecido como substância por Heron, de Alexandria (grego, cerca de 10/70). Até então sua existência era desconhecida. As propriedades atrativas da pedra magnética ou magnetita (ímã natural) já eram conhecidas na antiguidade, provavelmente pelos chineses, e na Grécia por Tales, de Mileto (cerca de 640 a.c./546 a.c.); entretanto, como meio de orientação, só veio a ser empregada muito mais tarde, e até a Idade Média, ao que parece, somente pelos chineses, como bússola, em navegações.

     As duas heranças científicas mais interessantes dos tempos antigos são a teoria atômica de Demócrito, de Abdera (grego, cerca de 460 a.c./370 a.c.), e o sistema cósmico de Ptolomeu, de Alexandria (grego, cerca de 90/168). Enquanto a teoria do primeiro, apesar da grande antevisão, era puramente especulativa, a do segundo situava a Terra no ponto central do universo, enquanto os planetas considerados até então (a distâncias crescentes, Lua, Mercúrio, Vênus, o Sol, Marte, Júpiter e Saturno) revolviam em torno da Terra. Esta concepção manteve-se durante 1300 anos, principalmente porque as opiniões divergentes eram imediatamente combatidas e sufocadas pelas autoridades eclesiásticas. A teoria atômica de Demócrito, todavia, foi combatida por Aristóteles, que não acreditava nela, e afirmou que todas as coisas eram formadas por quatro elementos básicos: terra, fogo, água e ar, ideia que dominou o pensamento ocidental até, pelo menos, o século dezessete.

     Na Idade Média, até 1500, praticamente não se cultivava a ciência na Europa. Desunidas pelas lutas políticas e religiosas, os povos só podiam produzir grandes guerreiros e não grandes pensadores. Acresce a isso que todo saber que ultrapassasse certo índice médio era considerado como magia e parte com o demônio (anjo decaído, segundo dogma eclesiástico), e, por isso, era punido com a pena de morte na fogueira. Não é de admirar, portanto, que nenhum nome de origem europeia ornamente a história da Física daqueles tempos. Apenas do oriente se tinham notícias escassas de que existisse ali algo semelhante à ciência. Contudo, é bem possível que os nossos antepassados se tenham persignado ao ouvir que os chineses dirigiam seus navios com o auxílio de instrumentos magnéticos (bússolas), e que os árabes tinham descoberto as lentes, além de identificar como lente o próprio olho humano.

1500 – 1650. Lá pelo ano de 1500, a escuridão europeia foi iluminada por um facho de luz vindo do sul: O “Renascimento”. Este renascimento, que reconduziu a arte para as belezas da antiguidade, trouxe também à ciência a libertação e a possibilidade de, mediante a atividade livre da mente, buscar a verdade.

     E não tardou para que os conceitos seculares sofressem o seu primeiro abalo: Nicolau Copérnico (polonês, 1473 – 1543) demonstrava que era a Terra que girava em torno do Sol, sendo ela apenas um pequeno planeta entre os outros que lhe fazem companhia, de Mercúrio a Saturno (conhecidos na época). Com essa demonstração, Copérnico estabelecia as bases para o nosso atual conceito do sistema solar. Pouco depois, lapidadores holandeses de lentes para óculos inventaram o telescópio, tornando possível à ciência realizar pesquisas mais complexas nesse setor. E, de fato, Johannes Kepler (alemão, 1571 – 1630), a partir de 1600, descobre o seu célebre trio de leis sobre o sistema planetário, leis que lhe permitiram calcular e predizer com notável exatidão os tempos de revolução dos planetas.

     Mas havia a remover mais um grande obstáculo para aplainar o caminho ao progresso. A atividade do espírito humano continuava a ser regida pela escolástica (escolástica = bíblia + ideias de Aristóteles, segundo os escritos de São Tomás de Aquino [frade italiano, 1225 – 1274], que estabelecia uma combinação de ambas). Os pesquisadores, usando apenas o raciocínio, conforme prescrevia Aristóteles, realizavam os seus “experimentos em pensamento”, examinavam timidamente se o resultado, eventualmente, não contraditava os dogmas da fé e os “bons costumes”, e só então se decidiam escrever alguma coisa (quase sempre errada). Se a consequência dos “experimentos mentais” não correspondia aos princípios difundidos pela escolástica, o resultado era solenemente ignorado.

     Sob o ponto de vista teórico, uma refutação à escolástica surgiu na Inglaterra em 1620, quando o filósofo inglês Francis Bacon (1561 – 1626) publicou o seu livro Novum Organum (“Novo Órgão”), referindo-se ao Organon de Aristóteles, em que o filósofo grego prescreveu o método idôneo para a lógica, isto é, raciocinar e depois deduzir, que poderíamos chamar de método raciocinativo-dedutivo. O livro de Bacon, como indica seu título, contém um novo método científico. Bacon defendeu com grande ímpeto que o raciocínio podia servir para a Matemática, mas jamais para a ciência. Esta deveria seguir o método experimental-indutivo, ou seja, a partir de um grande número de observações específicas acerca de um dado fenômeno, induzir a lei que o rege. Mas tais considerações de Bacon permaneceram exclusivamente no plano teórico.

     Foi o italiano Galileu Galilei (1564 – 1642) o primeiro a por em prática, na ciência, o método experimental-indutivo, e a reconhecer que a natureza jamais podia errar. Ele foi o pioneiro em lançar mão, não só da observação espontânea, como também da observação controlada, isto é, da experimentação, dos experimentos, na ciência, além de exprimi-los todos em linguagem matemática (fórmulas). Devêmo-lhe o reconhecimento da lei da inércia, do princípio da relatividade em Mecânica, do conceito de aceleração, de que todos os corpos caem com uma mesma aceleração no vácuo, do princípio da composição das velocidades, da lei áurea da Mecânica, etc.. Embora Galileu fosse desterrado por haver aprovado as doutrinas de Copérnico, ele havia dado início a uma nova época, a que podemos chamar de impulso científico.

     As atividades começam agora em todos os domínios da Física. William Gilbert (inglês, 1544 – 1603), médico pessoal da rainha Elisabeth da Inglaterra, descobre a eletricidade por atrito bem como o magnetismo da Terra. Pierre Gassendi (filósofo francês, 1592 – 1655), em Paris, postula a teoria dos átomos (à qual, cerca de um século e meio depois, Dalton dá sólidas bases científicas). O padre Marin Mersenne (francês, 1588 – 1648) mede, em 1636, a velocidade do som no ar (cerca de 340 m/s). Aparecem em Florença os primeiros termômetros.  

1650 – 1800. Inicia-se a época do florescimento das livres pesquisas no campo científico. As descobertas sucedem-se ininterruptamente e as ciências naturais passam a tornar-se um gigantesco edifício de leis e fatos e, também, de sempre novos enigmas.   

     Em 1675, o astrônomo dinamarquês Olaf Römer (1644 – 1710), por métodos astronômicos, efetuou, pela primeira vez, uma medida aproximada da velocidade da luz. Depois, por métodos terrestres, mediram-na, com valores cada vez mais próximos do real, os físicos Hippolyte Fizeau (francês, 1819 – 1896), em 1849, Léon Foucault (francês, 1819 – 1868), em 1850, e Albert  A. Michelson (norteamericano, 1852 –1931), em 1926. No vácuo, o valor aproximado é de 300.000 km/s ou 3 x 10⁸ metros por segundo. René Descartes (francês, 1596 – 1650) e Christiaan Huygens (holandês, 1629 – 1695) pressentem a lei maior da Física, a da conservação da energia, e com isso dão um fim sumário à utopia medieval do “moto perpétuo”. Huygens inventa o relógio de pêndulo (1657), tornando possível a medição exata do tempo e, com isso, também as medições astronômicas e a navegação marítima, através do conhecimento perfeito da “longitude” terrestre; Huygens inventou também a mola espiral (1680), e esboçou uma teoria ondulatória para a luz (1690).

     Evangelista Torricelli (italiano, 1608 – 1647) descobre a pressão atmosférica e efetua a sua medida (1644), Otto von Guericke (alemão, 1602 – 1686) comprova publicamente a sua existência pelo célebre experimento com os “hemisférios de Magdeburgo” (1654), Blaise Pascal (francês, 1623 – 1662) descobre o princípio pelo qual os líquidos transmitem integralmente as pressões recebidas e descreve teoricamente a prensa hidráulica (1663). Isaac Newton (inglês, 1642 - 1727), talvez o maior físico de todos os tempos, faz uma síntese portentosa da Mecânica, através da sua grande obra “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”, enunciando as três leis fundamentais do movimento, e a completa com a lei da atração das massas ou lei da gravitação universal (1687). Devemos também a ele a descoberta do espectro da luz visível através do fenômeno da dispersão da luz por um prisma ótico, o estudo das cores, a teoria corpuscular da luz, etc..

     Pierre de Fermat (francês, 1601 – 1665) enuncia, em 1662, o famoso princípio que leva o seu nome – “É mínimo o tempo gasto pela luz para ir de um ponto a outro” – e com ele Fermat prova matematicamente as leis da refração da luz, que haviam sido formuladas experimentalmente, primeiro por Willebrord Snell (holandês, 1581 – 1626), em 1621, e complementadas depois, em 1637, por René Descartes (já citado). Daniel Bernoulli (holandês, 1700 – 1782) descobre, em 1738, o princípio que leva o seu nome, básico para o estudo da Dinâmica dos líquidos em movimento, Charles Augustin de Coulomb (francês, 1736 – 1806) enuncia, em 1785, a lei de Coulomb, fundamental para o estudo da Eletricidade estática.

     Denis Papin (francês, 1647 – 1714) descobre a pressão do vapor d’água e constrói a primeira máquina a vapor (1690), mais tarde aperfeiçoada (1765) por James Watt (inglês, 1736 – 1819). Só um domínio da Física, com exceção de pouquíssimos fatos de reduzida importância, teimava em continuar inexplicado e obscuro: a Eletricidade. Sua marcha vitoriosa só se inicia no século seguinte, empolgando a todos e intervindo na vida do homem como nunca antes o fizera outra descoberta.

1800-1930. Inicia-se agora lentamente a época em que a Física traz à luz uma filha de maravilhosas e assombrosas capacidades: a Tecnologia. Esta se apodera das leis descobertas pelos físicos para aplicá-las às máquinas e estas, a princípio, acarretam o desemprego entre as populações, lançando o homem à busca de velocidades cada vez maiores. A Tecnologia toma a seu encargo os trabalhos mais pesados do homem e o presenteia com aquisições sobremodo valiosas (luz elétrica, rádio, cinema, televisão, etc.) para melhorar-lhe a vida. Avultam as descobertas científicas, fruto do paciente trabalho de cientistas do mundo inteiro.

     Em 1802, Thomas Young (inglês, 1773 – 1829), e uns anos mais tarde (1816), Agustin Fresnel (francês, 1788 – 1827), desenvolvem a clássica teoria ondulatória da luz, à qual o último atribui a característica de ondas transversais, característica capaz de explicar o fenômeno de polarização da luz, descoberto, em 1808, pelo francês  Étienne Malus (1775 – 1812), em 1803 John Dalton (inglês, 1766 – 1844) postula, em bases científicas, a teoria atômica, Amedeo Avogadro (italiano, 1776 – 1856) enuncia a chamada hipótese de Avogadro (1811), e descobre o número de Avogadro (cerca de 6,022 x 10²³ moléculas por molécula-grama de um gás perfeito, nas CNTP). Pelos seus trabalhos, Dalton é considerado o “pai” do átomo, e Avogadro o “pai” da molécula.

     O astrônomo William Herschel (anglo-germânico, 1738 – 1822) descobre os raios infravermelhos do espectro luminoso (1800), e Johann Ritter (alemão, 1776 – 1810) os raios ultravioleta (1801). Joseph von Fraunhofer (alemão, 1787 – 1826) aperfeiçoa a construção de vidros mais sensíveis para os primas e instrumentos óticos, e assim logra estudar com mais detalhes as raias escuras do espectro solar (1814). Robert Mayer (alemão, 1814 – 1878) enuncia a lei da conservação da energia (1842), relacionando as energias mecânica e térmica, à qual, pouco depois (1847), Hermann von Helmholtz (alemão, 1821 – 1894) dá uma forma científica mais geral, englobando todas as formas de energia. Esta lei também é conhecida como o primeiro princípio da Termodinâmica.

     Sadi Carnot (francês, 1796 – 1832) enuncia o segundo princípio da Termodinâmica (1823), em 1848 Lord Kelvin, nascido William Thomson (escocês, 1824 – 1907),  estabelece a escala Kelvin (ou escala termodinâmica) de temperaturas, James Prescott Joule (inglês, 1818 – 1889) prova, em 1847, confirmando a ideia de 1778 do Conde de Rumford (Benjamin Thompson, anglo-norteamericano, 1753 – 1814), que o calor não é um fluido, mas uma forma de energia, e efetua o cálculo do equivalente mecânico da caloria (cálculo que Mayer já havia feito, embora de forma aproximada). Rudolf Clausius (alemão, 1822 – 1888) cria, em 1865, o conceito de entropia, que mede o grau de desorganização presente num sistema físico, James Clark Maxwell (escocês, 1831 – 1879) e Ludwig  Boltzmann (austríaco, 1844 – 1906) desenvolvem a teoria cinética dos gases (1877), Josef Loschmidt (alemão, 1821 – 1895) calcula, em 1865, o número de moléculas por centímetro cúbico de um gás perfeito, nas CNTP (cerca de 2,69 x 10¹⁹).

     Em 1807, o primeiro navio a vapor singra os mares. Em 1814, a primeira locomotiva inicia a marcha vitoriosa da estrada de ferro. E é nesse momento que entra em cena a eletricidade, que tanto tempo se fez esperar.

     As noções básicas sobre a corrente elétrica foram estabelecidas a partir de 1790, por Luigi Galvani (italiano, 1737 – 1798) e Alessandro Volta (italiano, 1745 – 1827), através da descoberta da pilha elétrica. Hans Christian Örsted (dinamarquês, 1777 – 1851) descobre, casualmente, em 1819, o efeito magnético da corrente elétrica, André Marie Ampère (francês, 1775 – 1836) estabelece as leis do eletromagnetismo (1823), Georg Simon Ohm (alemão, 1789 – 1854) estuda a passagem da corrente elétrica num condutor e deduz a chamada lei de Ohm (1827), William Sturgeon (inglês, 1783 – 1850) cria o eletroímã (1823), Michael Faraday (inglês, 1791 – 1867), certamente o maior físico experimental do século dezenove, aprofunda o estudo dos efeitos magnético e químico da corrente elétrica, descobre as leis da eletrólise, cria a noção de campo (elétrico e magnético), com suas linhas de força, e descobre a indução eletromagnética (1831), a qual, na mesma época, foi descoberta independentemente, nos Estados Unidos, pelo norteamericano  Joseph Henry (1797 – 1878); Faraday constrói ainda o primeiro gerador elétrico (1831), Joule (já citado) faz o cálculo do efeito térmico da corrente elétrica (1841), Thomas Andrews (inglês, 1813 – 1885) consegue realizar a liquefação dos gases presentes na atmosfera (1863). O físico austríaco Christian Doppler (1803 – 1853) descobre, em 1842, o efeito que tem o seu nome, e que consiste na variação de frequência de um som, registrada por um observador, quando se movimenta a fonte sonora em relação ao meio onde o som esteja se propagando: quando a fonte se aproxima, o observador percebe uma frequência aumentada, e uma frequência diminuída quando a fonte se afasta. Em 1848, o francês Hippolyte Fizeau (já citado) descobriu análogo fenômeno para as fontes luminosas, ou seja, quando uma fonte luminosa (estrela, por exemplo) se aproxima de nós, seu espectro luminoso se desvia para o azul (de frequência mais alta), e quando se afasta, desvia-se para o vermelho (frequência mais baixa). Este último fenômeno, relativo à luz, ficou conhecido como efeito Doppler – Fizeau.

     Os alemães Carl Friedrich Gauss (1777 – 1855) e Wilhelm Weber (1804 – 1891) constroem o primeiro telégrafo magnético (1833), Samuel Morse (norteamericano, 1791 – 1872) inventa o código alfabético que tem o seu nome (1837), e que é usado até hoje, o norteamericano Alexander Graham Bell (1847 – 1922) presenteia o mundo, em 1876, com a invenção do telefone.

     Em 1864, o já citado Clark Maxwell, talvez o maior físico teórico do século dezenove, faz uma magistral síntese matemática das leis do eletromagnetismo (utilizando o conceito de campo devido a Faraday), e prevê a existência de ondas eletromagnéticas propagando-se no vácuo com uma velocidade de cerca de 300.000 km/s, ondas estas que, em 1887, são produzidas e detectadas por Heinrich Hertz (alemão, 1857 – 1894) e, por isso, foram denominadas ondas hertzianas. Em 1901, utilizando como meio de comunicação as ondas hertzianas, o engenheiro e físico italiano Guglielmo Marconi (1874 – 1937) empreende a invenção do rádio.

     A tecnologia alcançou agora tal desenvolvimento a ponto de exigir especialistas próprios, os inventores (em contraste com os pesquisadores e descobridores). Suas produções aumentam em ritmo gigantesco. Todas as invenções que serão citadas abaixo ocorreram na segunda metade do século dezenove.

     Nicolaus Otto (alemão, 1832 – 1891) inventa o motor a explosão, Thomas Edison (norteamericano, 1847 – 1931) inventa a lâmpada elétrica incandescente, o fonógrafo (toca-discos) e descobre o efeito termoiônico, os franceses Nicéphore Niepce (1765 – 1833) e Louis Daguerre (1787 – 1851) a fotografia, os irmãos Lumière, Auguste (1862 – 1954) e Louis (1864 – 1948) o cinema, Gottlieb Daimler (alemão, 1834 – 1900) o motor a gasolina, Karl Benz (alemão, 1844 – 1929) o automóvel, John Dunlop (escocês, 1840 – 1921) o pneumático, David Hughes (anglo-norteamericano, 1831 – 1900) o microfone, Nikola Tesla (iugoslavo-norteamericano, 1856 – 1943) o transformador eletromagnético, Werner von Siemens (alemão, 1816 – 1892) os modernos geradores elétricos e os cabos de telégrafo submarino, e o Conde Ferdinand von Zeppelin (alemão, 1838 – 1917) o tipo de dirigível que tem o seu nome.

     A própria Física iniciava agora pesquisas de transcendental importância, devassando o mistério das moléculas e dos átomos. Os alemães Gustav Kirchhoff (1824 – 1887) e Robert Bunsen (1811 – 1899) descobrem, em 1859, a análise espectral, que lhes permite conhecer a matéria de que se constituem os corpos celestes. Em 1879, William Crookes (inglês, 1832 – 1919) estuda, em tubos de gás rarefeito, os raios catódicos e suas propriedades, Eugen Goldstein (alemão, 1850 – 1931), em 1886, descobre os raios canais (ou raios positivos), em 1887 Swante Arrhenius (sueco, 1859 – 1927) consegue explicar a eletrólise pela teoria dos íons ou da dissociação eletrolítica, em 1895 Konrad Röntgen (alemão, 1845 – 1923) descobre os raios X, em 1896 Henry Becquerel (francês, 1852 – 1908) descobre a radioatividade, em 1898 o casal francês Curie, Marie (1867 – 1934) e Pierre (1859 – 1906) isola o rádio e o polônio, em 1997 Joseph John Thomson (inglês, 1856 – 1940) descobre a primeira partícula subatômica, o elétron, e o inglês Ernest Rutherford (1871 – 1937), o maior físico experimental do século vinte (como Faraday o foi do século anterior) descobre o núcleo do átomo, criando o modelo clássico conhecido até hoje, de um núcleo massivo e positivamente carregado, em torno do qual rodopiam elétrons levíssimos, de carga negativa. Em 1913, o dinamarquês Niels Bohr (1885 – 1962) propõe um modelo atômico bulboso, tipo “cascas de cebola”, em que os elétrons se dispõem em camadas em torno do núcleo, segundo órbitas bem específicas e derminadas, com energias crescentes e discretas, modelo que vinha explicar as propriedades periódicas dos elementos, observadas primeiramente em 1869 pelo russo Dmitri Mendeleiev (1834 – 1907), e, independentemente, pelo alemão Lothar Meyer (1830 – 1895), em 1870 (falaremos ainda sobre o modelo atômico de Bohr).

     Começa então a época moderna da Física, época das radiações, das transmutações atômicas e do estabelecimento de uma Física completamente nova. Em 1914, Ernest Rutherford descobriu o próton (positivamente carregado), e em 1932, James Chadwick (inglês, 1891 - 1974) descobriu o nêutron (desprovido de carga), partículas integrantes do núcleo atômico. Em 1913, o inglês Frederick Soddy (1877 - 1956) postulou a existência dos isótopos, ou seja, átomos do mesmo elemento, portanto com o mesmo número de prótons no núcleo, mas com número diferente de nêutrons. Aqueles com menor número de nêutrons foram denominados isótopos leves, e os com maior número isótopos pesados.

     Mas em 1919, Rutherford consegue uma proeza inédita: realiza a primeira desintegração atômica artificial, bombardeando átomos de nitrogênio com partículas alfa (núcleos do elemento hélio), emitidas por elementos radioativos, e obtendo, como consequência, oxigênio e um próton (núcleo do hidrogênio leve, o mais presente na natureza). Em 1931, os ingleses John Cockroft (1897 – 1967) e Ernest Walton (1903 – 1995), bombardeando átomos de lítio com prótons, obtiveram, como resultado, duas partículas alfa, e em 1932, o casal francês Joliot-Curie, Irène (1897 – 1956) e Frédéric Joliot (1900 – 1958) descobriu a radiatividade artificial, bombardeando átomos de silício com partículas alfa, e obtendo fósforo radioativo e um nêutron. Durante a década de 1930, o ítalo-norteamericano Enrico Fermi (1901 – 1954) especializou-se no bombardeio de vários elementos com nêutrons lentos, obtendo mais de quarenta desintegrações. Todavia, todas as desintegrações obtidas até aqui se limitavam a extrair pequenas “lascas” do átomo, deixando-o quase intacto. A situação veio a mudar radicalmente quando, em 1939, os alemães Otto Hahn (1879 – 1968) e Fritz Strassmann (1902 – 1980) descobriram a fissão (divisão quase ao meio) do átomo de urânio, quando bombardeado com nêutrons, gerando os elementos radioativos criptônio e bário, e liberando, em média, dois nêutrons extremamente velozes. Este fato, no limiar da 2ª GM, assinala, ao que parece, o início da era atômica e nuclear. 

     Doravante, dividiremos a Física Moderna (elaborada basicamente no século vinte) em dois grandes ramos: a Física Quântica, que tem por base a “teoria dos quanta”, e a Física Relativística, que se baseia na “teoria da relatividade”.

Física Quântica. Supunha-se, até 1900, que qualquer quantidade de energia podia ser intercambiada entre radiação e matéria. As pesquisas realizadas com a radiação, especialmente dos corpos negros, pareciam demonstrar que aquela suposição não era correta. A teoria ondulatória clássica indicava que a energia irradiada por um corpo negro deveria ser igualmente distribuída entre todas as frequências, a partir de uma frequência mínima. Mas os resultados dos experimentos tendiam a mostrar que, em geral, havia uma preferência pela irradiação em frequências médias, decaindo gradativamente a zero tanto nas baixas quanto nas altas frequências. Em 1900, o físico alemão Max Planck (1858 – 1947) resolveu satisfatoriamente esse problema postulando que a troca de energia entre radiação e matéria não é contínua, mas descontínua, isto é, realizada através de quantidades discretas e muito pequenas denominadas “quanta” (plural de “quantum”, do latim). A energia E de cada “quantum” depende da frequência f da radiação segundo a expressão: E = h.f, em que h é chamada constante de Planck, cujo valor experimental é cerca de 6,63 x 10^-34 joules.segundo, em unidades do SI (Sistema Internacional). A consequência desta teoria é que, no mundo atômico, as trocas de energia se dão descontinuamente, aos saltos (o chamado “salto quântico”). Elas ocorrem somente através de um número inteiro de “quanta”, 1, 2, 3, 4, ..., etc., mas não por um número fracionário. A fórmula da emissão ou absorção de energia por um átomo ou molécula se daria então pela expressão E = n.h.f, sendo n um número inteiro (n = 1, 2, 3, ..., etc.). Toda energia é, assim, “quantizada”, mas os efeitos desse fato são significativos apenas em nível atômico, devido ao valor extremamente pequeno da constante de Planck.

     Vimos que o pico das radiações emitidas por um corpo aquecido se dá nas frequências médias (embora esta frequência média aumente gradativamente com o aumento de temperatura), decaindo progressivamente a zero tanto nas mais baixas quanto nas mais altas frequências. Como a hipótese quântica de Planck resolveu esse enigma? Ora, a quantidade de energia que um corpo aquecido pode emitir é finita, mesmo que seja alta a temperatura. Planck aplicou as leis da probabilidade à emissão de radiação por corpos aquecidos (lembrêmo-nos da energia de um “quantum”:  E = h.f ) . Assim, radiações de mais baixa frequência, que exigem uma quantidade muito pequena de energia, têm uma grande probabilidade de ver a sua exigência atendida, a partir de um valor praticamente nulo; radiações de mais alta frequência, que exigem uma quantidade muito grande de energia, têm uma probabilidade muito pequena, decaindo até um valor praticamente nulo, de ver a sua exigência atendida.

     O chamado efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons por superfícies metálicas, quando iluminadas por luz violeta ou ultravioleta. Mas quando os elétrons abandonam a superfície do metal, eles não o fazem como deviam se fossem impulsionados por ondas, isto é, a princípio lenta e depois rapidamente, mas sim ou eles se movimentam ou não se movimentam. Caso os elétrons se ponham em movimento, fazem-no imediatamente em plena velocidade, como bolas de bilhar depois de uma tacada. A descoberta de Planck foi compreendida em primeiro lugar por Albert Einstein (germano-suíço-norteamericano, 1879 – 1955), talvez o segundo maior físico teórico de todos os tempos (depois de Newton). Em 1905, Einstein postulou que a luz, bem como todas as formas de radiação, não só era absorvida e emitida em “quanta”, mas também se propagava pelo espaço em “quanta” separados e descontínuos. Tais “quanta” receberam a denominação de fótons, cada fóton carregando uma energia E = h.f, como já mostrado. A luz apresenta, pois, um caráter dual, porque, conforme as circunstâncias, apresenta, ora uma natureza ondulatória, ora uma natureza corpuscular. Mas nunca apresenta, simultaneamente, ambas as características. Se o cientista realiza dois experimentos, com instrumentos diferentes, e um deles parece revelar que a luz é feita de partículas, ao passo que o outro sugere que a luz é feita de ondas, deve ele aceitar ambos os resultados, encarando-os como complementares, e não como contraditórios. Este é o princípio da complementaridade, de Niels Bohr (já citado). Nenhum dos dois conceitos, por si só, pode explicar a luz, mas ambos, combinadamente, podem fazê-lo. Ambos são necessários para descrever a realidade da luz e das outras radiações eletromagnéticas. 

      Em 1913, Bohr postulou que os elétrons que gravitam em torno do núcleo devem fazê-lo em órbitas bem determinadas e de energias discretas, aplicando ao interior do átomo a teoria quântica de Planck. Assim, conforme Bohr, quando o átomo absorve energia, um elétron pode saltar para uma órbita mais externa (de maior energia). Diz-se, então, que o átomo está em estado de excitação. Como um átomo em estado de excitação é instável, ele pode saltar para uma órbita interna, irradiando, neste processo, um fóton de radiação de Planck - Einstein, isto é: emissão de energia = h.f   . Em virtude do grande número de átomos presentes em uma substância aquecida, muitos fótons podem ser irradiados em diferentes frequências. 

     Em 1923, o príncipe Louis de Broglie (francês, 1892 – 1987) intuiu, de forma magistral, que a dupla natureza da luz (onda e partículas) não devia dizer respeito apenas à radiação, mas deveria se aplicar também a partículas como o elétron e, provavelmente, aos próprios átomos e moléculas. Segundo de Broglie, o comprimento de onda associado ao movimento de uma partícula de matéria pode ser relacionado ao seu momento linear p (massa x velocidade) através da fórmula: comprimento de onda = h/p , onde h é a nossa já conhecida constante de Planck. A dualidade onda-partícula, seja para a radiação, seja para a matéria, traz consequências importantes para a Física. Em sua tese de doutorado, de Broglie sustentou que as órbitas específicas do átomo de Bohr são aquelas para as quais as ondas de matéria do elétron, que são ondas estacionárias, podem projetar-se num número inteiro exato de comprimentos de onda. A comprovação experimental da propriedade ondulatória dos elétrons foi feita, em 1927, pelos físicos norteamericanos Clinton Davisson (1881 – 1858) e Lester Germer (1896 – 1971), e, independentemente, pelo inglês George Paget Thomson (1892 – 1975), filho de J. J. Thomson. 

     Em 1926, Erwin Schrödinger (austríaco, 1887 – 1961), aperfeiçoando bastante o modelo de Bohr, apresenta o seu modelo para o átomo, lançando mão da ideia de De Broglie sobre as ondas de matéria. Segundo tal modelo, as pequenas ondas eletrônicas de matéria são desviadas pelo minúsculo núcleo atômico, formando um halo difração em torno do núcleo, uma nuvem difusa, de contornos indefinidos. Com base nesta ideia, Schrödinger desenvolveu uma equação ondulatória para os elétrons no átomo que é uma das bases da Mecânica Quântica. Cálculos mostram que essas ondas eletrônicas se tornam mais densas aproximadamente onde Bohr previa as suas órbitas específicas para o movimento dos elétrons em torno do núcleo. Tal fato levou o físico alemão Max Born (1882 – 1970) a substituir a expressão ondas de matéria por ondas de probabilidade, (que foi aceita desde então), isto é, probabilidade de encontrar o elétron numa determinada região da equação de ondas de Schrödinger.

     O princípio da incerteza proposto por Werner Heisenberg (alemão, 1901 – 1976), em 1927, é uma das consequências da Física Quântica. Estabelece que é impossível realizar medições precisas e simultâneas de propriedades como a posição x de uma partícula atômica e o seu momento linear p. Existe sempre uma incerteza quanto aos valores. A observação de um elétron, por exemplo, com um feixe de radiação de alta frequência (comprimento de onda igual ou menor que o elétron), revela colisões entre os fótons da radiação e o elétron. Este é afetado, sua velocidade se altera e, a partir de então, o seu momento linear exato e sua posição não podem ser determinados, ambos, com precisão. Isto não é fruto de uma imperfeição instrumental do homem, mas uma barreira extrema oposta pela própria natureza, no que se refere a medidas realizadas em níveis atômico e subatômico.

Física Relativística. A fim de explicar o resultado de um experimento realizado pelos físicos norteamericanos Albert A. Michelson (já citado) e Edward Morley (1838 – 1923) em 1887, Albert Einstein (já citado), propôs, em 1905, a sua teoria da relatividade restrita (ou especial). O objetivo daquele experimento consistia em descobrir se a velocidade da luz variava, dependendo da direção desta em relação à Terra: os experimentadores comparavam a velocidade da luz no sentido do movimento de translação da Terra em torno do Sol, com a velocidade da luz no sentido oposto. Mas em nenhum dos dois casos foi encontrada diferença alguma na velocidade da luz. Por outro lado, a luz de estrelas duplas que giram, ambas, em torno do seu centro de gravidade comum, uma se aproximando e a outra se afastando da Terra, também chegam ao nosso planeta com a mesma velocidade, que é costume designar por C . Assim, quando interrogada, a natureza repete como um papagaio: C, C, C, C,..., jamais C + V, ou C – V . Deste fato, Einstein concluiu que a velocidade da luz é uma constante absoluta no universo, independente da velocidade do observador ou da fonte luminosa. Portanto, quem medir a velocidade da luz, esteja parado ou se movendo, seja para onde for, com pequena ou enorme velocidade, encontrará sempre o mesmo valor, isto é, C .

     A lei clássica para relacionar velocidades consiste em simples adição ou subtração:  V_AB = V_A + V_B , ou V_AB = V_A – V_B , em que V_AB é a velocidade de A em relação a B, sendo V_A a velocidade de A e V_B a velocidade de B (ambas em relação à Terra, por exemplo), dependendo o sinal de serem as duas velocidades, respectivamente, de sentidos contrários ou de mesmo sentido. No entanto, se duas espaçonaves se movem, paralelamente, em sentidos contrários, com uma velocidade de (3/4) C ou 0,75 C, sua velocidade relativa não será (3/4 + 3/4) C, isto é, 1,5 C (uma vez e meia a velocidade da luz). A lei de relação das velocidades, proposta por Einstein, não é uma simples adição            
V_AB = V_A + V_B , mas

     V_AB =  (V_A + V_B) dividido por:  1 + (V_A.V_B /C²)

 Substituindo nessa equação e V_A e V_B por (3/4) C, obteremos V_AB = (24/25) C ou 0,96 C. Mesmo se for V_A = (3/4) C  e  V_B = C, o resultado será V_AB = C . Esta é uma lei geral para relacionar todas as velocidades e explica o resultado do experimento de Michelson e Morley. Se, porém, V_A e V_B forem pequenos em comparação a C, a equação se reduz à simples adição V_AB = V_A + V_B . Como C é muito grande, cerca de 300.000 km/s, mesmo que V_A e V_B sejam iguais a 20.000 km/s, haverá menos de 0,5 % de diferença entre as duas maneiras de calcular V_AB . Na prática, efeitos relativísticos só são levados em consideração para partículas que se movem entre um sétimo da velocidade da luz (C/7) e a velocidade da luz (C). Outra consequência da nova lei de cálculo das velocidades relativas é a afirmação de que a velocidade da luz funciona como uma barreira de velocidades, ou seja: no nosso universo, nenhuma partícula de matéria pode viajar a uma velocidade igual ou superior à velocidade da luz no vácuo.

     Esta é a base da teoria da relatividade restrita – chamada restrita porque só se aplica a corpos que se movem em linha reta e com velocidade constante. A teoria geral aplica-se a corpos submetidos à aceleração. A teoria restrita tem consequências de longo alcance. Se existissem transmissões instantâneas e velocidades infinitas, grandezas como comprimento, massa e tempo seriam absolutas, como previa a Física Clássica. A existência de um limite superior para as velocidades é que faz com que aquelas grandezas sejam relativas.

     Em primeiro lugar, pode ser demonstrado, a partir da relatividade das velocidades, que, se o comprimento de uma espaçonave A, medido por um astronauta A (que viaja com ela), for L_A , quando esta viajar a uma velocidade V_AB  em relação a outra espaçonave B, o comprimento de A parecerá ao astronauta B como sendo: 
L_AB = L_A . V 1 – [(V_AB)²/C²] . (Obs.: o termo V significa raiz quadrada).

     Esta redução no comprimento é chamada contração de Fitzgerald – Lorentz, em homenagem aos dois físicos que a propuseram, George Fitzgerald (irlandês, 1851 – 1901), e Hendrik Lorentz (holandês, 1853 – 1928), embora o primeiro imaginasse uma contração puramente mecânica, e o segundo de natureza eletromagnética. Tal contração é desprezível a pequenas velocidades. Entretanto, a 0,9 C, reduz o comprimento a menos da metade (cerca de 0,44) do seu comprimento em repouso. Nenhum dos dois observadores nas espaçonaves notará qualquer diferença na própria nave, uma vez que, viajando com ela, acha-se em repouso em relação à mesma. O efeito só é notado por observadores em movimento relativo, uns em relação aos outros. Logicamente, a espaçonave B também parecerá encurtada quando observada pelo astronauta A.

     Outra consequência da relatividade restrita é o aumento de massa com a velocidade. Sendo a massa a medida da inércia de um corpo, se é impossível que ele atinja a velocidade da luz, é porque sua massa aumenta indefinidamente. À velocidade da luz, ela se tornaria infinita. A fórmula que exprime o aumento de massa com a velocidade é:                                
M = M₀ / V 1 – (V²/C²)  (Obs.: V representa raiz quadrada, ou seja M é igual a M₀ dividido pela raiz quadrada de:  1 – (V²/C²), onde M₀ é a massa do corpo em repouso e M a massa à velocidade V. Esta equação mostra que, a velocidades normais, o aumento de massa é desprezível, mas que, por exemplo, a 0,9 C, a massa de um corpo é cerca de 2,3 vezes a sua massa em repouso.

     Como efeito ainda mais evidente deste aumento de massa com a velocidade está uma relação entre massa e energia, diretamente resultante dele. De acordo com a relatividade restrita, toda massa é um reservatório de energia, e toda energia carrega consigo uma certa massa. Poderíamos dizer que massa é uma energia congelada e dotada de grande inércia, e energia (ou radiação) é uma massa extremamente diluída (e, portanto, com pouquíssima inércia) e que se propaga pelo espaço com a velocidade da luz. Einstein demonstrou que a quantidade de energia E contida numa certa massa m é dada pela famosa equação  E = mC² . Assim, mesmo uma pequena massa, quando destruída, converte-se numa enorme quantidade de energia, devido ao fator C², que vale 9 x 10¹⁶, em unidades do SI (Sistema Internacional).

     Outra consequência da relatividade restrita reside no fato de que, se dois observadores se moverem a velocidade constante, e em linhas retas, um relativamente ao outro, parecerá a cada um deles que o relógio do outro está atrasado. Isto interfere com o conceito de eventos simultâneos, que só ocorreriam se a velocidade da luz fosse infinita. Se, por exemplo, um evento ocorrer no Sol, num determinado instante t, só tomaremos conhecimento dele em (t + 8,3) minutos, pois a luz gasta 8,3 minutos para vir do Sol até nós. Para um observador no planeta Júpiter, o evento só será conhecido depois de (t + 43) minutos. Para os observadores da Terra e de Júpiter, o evento no Sol não parecerá simultâneo. A fim de localizar exatamente um evento no tempo e no espaço, Hermann Minkowski (russo-alemão, 1864 – 1909), que havia sido professor de Einstein, completando o trabalho do seu eminente discípulo, chegou à conclusão de que os intervalos de tempo e as posições de um corpo no espaço, deveriam ser considerados em conjunto. Sugeriu, portanto, que o universo passasse a ser considerado de quatro dimensões – três de espaço e uma de tempo, formando um contínuo tetradimensional espaço-tempo.   

     Quando, em 1916, Einstein publicou a sua teoria da relatividade geral, ele a fundamentou em um contínuo espaço-tempo tetradimensional e verificou que, nesse contínuo, a geometria euclidiana não era mais válida. Euclides definiu a linha reta como o caminho mais curto entre dois pontos. Mas na superfície terrestre, o caminho mais curto entre dois pontos é uma linha curva (que acompanha a superfície terrestre), denominada geodésica. (Geodésicas são linhas cortadas na superfície da Terra por um plano que passa pelo centro da própria Terra). São geodésicas o equador terrestre e os meridianos. Não são geodésicas os paralelos geográficos. Na superfície terrestre, quando se trata de um triângulo cuja base é um segmento do equador e cujos lados são meridianos que se cortam num polo, a soma dos seus ângulos internos é maior do que 180°, pois 180° já representa a soma dos ângulos internos da base desse triângulo.

     Façamos agora um experimento mental: suponhamos que dois indivíduos A e B (sendo B um físico) partem de dois pontos distintos do equador terrestre, caminhando perpendicularmente ao mesmo, seguindo, portanto, ao longo de dois meridianos distintos. Já se vê que eles acabarão se encontrando num dos polos da Terra. O indivíduo A chega à conclusão que eles se encontraram em virtude de uma suposta força gravitacional que os atraiu mutuamente. O indivíduo B, que é um físico, não vê necessidade disso, e percebe que a atração foi produzida pela curvatura do terreno, isto é, da superfície da Terra. Nesse experimento mental, A representa Newton, e B representa Einstein. Se pudéssemos traçar um triângulo no espaço, com o Sol no centro do mesmo, e cujos três lados fossem formados por raios luminosos, a soma dos ângulos internos desse triângulo também seria maior do que 180º .

     Estabelecendo que os raios luminosos eram atraídos para os corpos possuidores de massa, Einstein, em vez de apelar para a ação de supostas forças gravitacionais que agem, reciprocamente, de forma instantânea, descreveu o espaço-tempo como sendo geometricamente curvo, dependendo essa curvatura da massa que ele contém (quanto maior a massa maior a curvatura), e sendo a trajetória dos raios luminosos uma geodésica no contínuo espaço-tempo tetradimensional, encurvado pela presença de matéria. Todos os corpos materiais descrevem geodésicas no espaço-tempo quando penetram em campos gravitacionais. Portanto, o conceito de gravidade como uma força instantânea desaparece completamente do nosso raciocínio, e é substituída pelos conceitos da geometria do espaço pura, na qual todos os objetos materiais se movem ao longo de geodésicas (as linhas mais curtas possíveis), seguindo a curvatura produzida pela presença de outras massas grandes.

     O desvio sofrido pelos raios de luz nos fortes campos gravitacionais, desvio que comprovou exatamente a previsão teórica de Einstein, como o demonstraram observações astronômicas posteriores, constituiu a primeira prova da relatividade geral. As outras duas provas são: o desvio para o vermelho espectral (diminuição de frequência ou retardamento do tempo) da luz que emerge de fortes campos gravitacionais, e a chamada translação anormal no periélio do planeta Mercúrio.

Unificação entre a teoria quântica e a relatividade restrita. Em 1930, o físico inglês Paul A. M. Dirac (1902 – 1984) conseguiu realizar a unificação entre as duas teorias citadas. A mecânica quântica, baseada na teoria ondulatória do elétron, devida a Schrödinger, tinha apenas poucos anos de existência, e fora formulada para o caso do movimento não relativístico, isto é, para o caso do movimento de partículas, como o elétron, com velocidades pequenas em relação à velocidade da luz, e os físicos teóricos estavam quebrando a cabeça numa tentativa de unir as duas teorias: relatividade restrita e quântica. Além disso, a equação ondulatória de Schrödinger considerava o elétron como um ponto e todas as tentativas de aplicá-la a um elétron em rotação, dotado das propriedades de um pequeno ímã, não conduziam a qualquer resultado satisfatório.

     Em seu famoso trabalho, Dirac formulou uma nova equação, que ora tem o seu nome, e que permite matar-se dois coelhos com uma só cajadada. Satisfaz a todas as exigências relativistas, sendo aplicável a um elétron, independentemente da rapidez do seu movimento e, ao mesmo tempo, leva automaticamente à conclusão de que o elétron se comporta como um pequeno pião imantado. A equação ondulatória relativista de Dirac assinala a unificação entre duas importantes teorias do século passado: relatividade restrita e teoria quântica. Só nos resta esperar o surgimento de um novo cientista capaz de obter uma unificação mais completa, entre a relatividade geral e a física quântica, a qual seria capaz de resolver muitos enigmas que hoje atordoam as mentes dos físicos. (A equação de Dirac também o levou à descoberta do antielétron, ou pósitron [de carga positiva] e, portanto, da antimatéria).

Mecânica ou Eletromagnetismo? (A unificação da Física Clássica)

     No final do século dezenove, duas teorias, aparentemente rivais, lutavam pela supremacia da Física: a Mecânica e o Eletromagnetismo.

     A Mecânica (de Newton) baseava-se na existência de uma força de atração entre duas massas, atuando instantaneamente de uma para a outra, força que dependia apenas dos valores das massas e da distância entre elas; tal força, agindo de maneira instantânea entre as massas, atuava de forma descontínua em relação à natureza do espaço que separava uma da outra.

     O Eletromagnetismo (de Maxwell) baseava-se na chamada teoria de campo, campo esse gerado a partir de uma carga elétrica ou ímã, propagando-se de maneira contínua, através do espaço, com uma velocidade finita (a velocidade da luz); a teoria de campo permitia, conhecendo-se o valor do mesmo num dado ponto do espaço, calcular (manejando-se corretamente as equações de campo de Maxwell), o valor do campo em outro ponto afastado, através de passos infinitamente pequenos. O espaço passou a ser fundamental para a teoria de campo, pois é nele que se propaga o campo.

     O chamado éter luminoso, hipotético meio de propagação das ondas luminosas, seria, por meio de suas propriedades mecânicas, o elemento capaz de unificar as duas teorias, com a preponderância da Mecânica newtoniana. De acordo com a hipótese do éter, este deveria uma substância muito mais tênue, muito mais sutil do que um gás, permeando todo o espaço do universo. Assim, a ondulação da luz deveria ser longitudinal, já que só nos corpos sólidos (e no máximo, nos líquidos) podem originar-se ondas transversais. Nos gases, as ondas são exclusivamente longitudinais, visto que há ausência quase completa de atração entre as moléculas, e só repulsão, quando aquelas se aproximam demais.

     Quando, pois, os fenômenos de polarização da luz evidenciaram que as ondas luminosas eram transversais, os físicos ficaram desconcertados. De fato, se as ondulações luminosas eram transversais, o éter teria que ser considerado como um sólido muito rígido, devido à grande velocidade das ondas e à sua enorme frequência vibratória. Neste caso, como era possível que os planetas pudessem se mover através do éter sem nenhuma desaceleração apreciável?

     Uma tentativa de salvar a ideia do éter e de encontrar um modelo mecânico para as suas propriedades, foi feita pelo físico britânico George Gabriel Stokes (1819 – 1903), o qual sugeriu que o éter seria como uma espécie de cera, que pode ser muito resistente a golpes repentinos fortes, mas cede facilmente a forças pequenas, porém contínuas. Assim a luz, propagando-se com uma velocidade de 300.000 km/s e cujas ondulações transversais sulcam o éter com uma frequência vibratória de centenas de trilhões de oscilações por segundo, encontraria um éter rígido, enquanto um planeta, movendo-se muito mais lentamente e sem oscilações transversais, encontraria um éter flácido. Bem se vê que essa “explicação” é mais um sofisma, que foi timidamente aceita na época porque os físicos do 19º século não estavam dispostos a abandonar a noção do éter cósmico como meio onde as ondas luminosas se propagavam.

     Uma nova e insuperável dificuldade surgiu quando o efeito fotoelétrico demonstrou que a luz também era formada por partículas (fótons) que percorriam o espaço, separadas e descontínuas. Neste caso, tais partículas não necessitam de meio algum de propagação. Ademais, Einstein armou as equações da relatividade (tanto restrita quanto geral) sem precisar do suporte de qualquer tipo de meio mecânico. Tais equações eram válidas por si mesmas. Rejeitando a ideia do éter, a relatividade optou pelo Eletromagnetismo e pela teoria de campo (englobando também o campo gravitacional), logrando obter, assim, a unificação de toda a chamada Física Clássica.

Nota: Como modesto autor deste blog, declaro que este breve sumário da história da Física não é um texto original, é fruto da compilação de trechos de vários livros que li, acrescido de algumas considerações minhas. Ele vai até a década de 1930, a partir da qual a Física Moderna  adquiriu grande especialização. Muitos lamentarão a ausência dos nomes de alguns cientistas importantes, porém, numa pequena súmula histórica, não seria possível incluir todos. Tive que fazer uma seleção que não pode deixar de apresentar falhas. Segue abaixo a bibliografia.

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