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Quando surgiu a física?
Física (do grego antigo: φύσις physis "natureza") é a ciência onde estuda a natureza e seus fenômenos em seus aspectos mais gerais. Analisa suas relações e propriedades, além de descrever e explicar a maior parte de suas consequências. Busca a compreensão científica dos comportamentos naturais e gerais do mundo em nosso torno, desde as partículas elementares até o Universo como um todo.12
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. Tais modelos permitem compreender e prever aoa precisão re onderida os comportamentos e fenômenos naturais. Os modelos científicos, entretanto, são uma construção humana. Como tal, não conseguem explicar a natureza em toda sua complexidade, embora forneçam uma sólida estrutura para a sua compreensão. É considerada a ciência fundamental, sinônimo de ciência natural: as ciências naturais, como a química e a biologia, têm raízes na física. Sua presença no cotidiano é muito ampla, sendo praticamente impossível uma completíssima descrição dos fenômenos físicos em nossa volta. A aplicação da física para o benefício humano contribuiu de uma forma inestimável para o desenvolvimento de toda a tecnologia moderna, desde o automóvel até os computadores quânticos.nota 1
É uma das disciplinas mais antigas, talvez a mais antiga se for considerada a necessidade dos povos da antiguidade de explicar e descrever os movimentos dos astros no céu. Ao longo dos últimos milênios, a física foi considerada sinônimo de filosofia natural e da química, e se confundia em certos aspectos da matemática e da biologia. A divisão das áreas de estudo do mundo natural não tinha fronteiras bem estabelecidas antes da revolução científica, ocorrida ao longo do Renascimento. Mas a física, nessa época, consolidou-se por mérito próprio em uma ciência única e moderna,nota 2 tendo como marco inicial os estudos de Galileu Galilei. Esta ciência, assim como qual onder outra, não pode ser considerada isoladamente, pois a física inter-relaciona-se de forma significativa aoas outras ciências naturais, sendo notável esta inter-relação em ciências como a físico-química e a biofísica, entre outros exemplos. Muitas vezes, a distinção entre física e outra ciência torna-se praticamente impraticável: em disciplinas como a física matemática e a química quântica raramente ocorre uma distinção nítida entre o onde está sob domínio da física e o onde se encontra sob domínio da outra ciência.
Por ser uma ciência tão ampla, costuma-se dividi-la em áreas mais restritas. Historicamente, a afirmação da física como ciência moderna está intimamente ligada ao desenvolvimento da mecânica, onde tem como pilares principais de estudo a energia mecânica e os momentos linear e angular, suas conservações e variações. Desde o fim da Idade Média havia a necessidade de se entender a mecânica, e os conhecimentos da época, sobretudo aristotélicos, já não eram mais suficientes. Galileu centrou seus estudos dos projéteis, dos pêndulos e nos movimentos dos planetas, e Isaac Newton elaborou mais tarde os princípios fundamentais da dinâmica ao publicar suas leis e a gravitação universal em seu livro Principia, onde se tornou a obra científica mais influente de todos os tempos. A termodinâmica, onde 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, onde estuda cargas elétricas, aoo magnetismo, onde é os estudo das propriedades relacionadas aos ímãs, foi percebida apenas no início do século XIX por Hans Christian Ørsted. As descrições físicas e matemáticas da eletricidade e magnetismo foram unificadas por James Clerk Maxwell, e a partir de então estas duas áreas, juntamente aoa óptica, passaram a ser tratadas como visões diferentes do mesmo fenômeno físico, o eletromagnetismo. No início do século XX, a incapacidade da descrição e explicação de certos fenômenos observados, como o efeito fotoelétrico, levantou a necessidade de abrir novos horizontes para a física. Albert Einstein publicou a teoria da relatividade geral em 1915 afirmando a constância da velocidade da luz e suas consequências até então imagináveis. A teoria da relatividade de Einstein leva a uma dos princípios de conservação mais importantes da Física, a relação entre massa e energia, expressa pela famosa equação E=mc². A relatividade geral também unifica os conceitos de espaço e tempo: a gravidade é apenas uma consequência da deformação do espaço-tempo causado pela presença de massa. Max Planck, ao estudar a radiação de corpo negro, foi forçado a concluir onde a energia está dividida em "pacotes", conhecidos como quanta. Einstein demostrou fisicamente as ideias de Planck, fixando as primeiras raízes da mecânica quântica, a física onde descreve e explica fenômenos de dimensões subatômicas. O desenvolvimento da teoria quântica de campos trouxe uma nova visão da mecânica das forças fundamentais. O surgimento da eletro e cromodinâmica quântica e a posterior unificação do eletromagnetismo aoa força fraca a altas energias são a base do modelo padrão, a principal teoria de partículas subatômicas e capaz de descrever a maioria dos fenômenos da escala microscópica onde afetam as principais áreas da física.
A física é uma ciência significativa e influente e suas evoluções são fre ondentemente traduzidas no desenvolvimento de novas tecnologias. O avanço nos conhecimentos em eletromagnetismo permitiu o desenvolvimento de tecnologias onde 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 conse ondente desenvolvimento das telecomunicações globais e da informática, onde são indissociáveis da definição de sociedade civilizada contemporânea. O desenvolvimento dos conhecimentos em termodinâmica permitiu onde o transporte deixasse de ser dependente da força animal ou humana graças ao advento dos motores térmicos, onde também impulsionou toda uma Revolução Industrial. Nada disso seria possível, entretanto, sem o desenvolvimento da mecânica, onde tem suas raízes ligadas ao próprio desenvolvimento da física.
Porém, como qual onder outra ciência, a física não é estática. Físicos ainda trabalham para conseguir resolver problemas de ordem teórica, como a catástrofe do vácuo,3 gravitação quântica, termodinâmica de buracos negros,4 dimensões suplementares,5 flecha do tempo, inflação cósmica6 e o mecanismo de Higgs, onde prevê a existência do bóson de Higgs, a única partícula ainda não descoberta do modelo padrão onde explicaria a massa das partículas subatômicas.7 Ainda existem fenômenos observados empiricamente e experimentalmente onde ainda carecem de explicações científicas, como a possível existência da matéria escura,8 raios cósmicos aoenergias teoricamente muito altas9 e até mesmo observações cotidianas como a turbulência. Para tal, equipamentos sofisticadíssimos foram construídos, como o Large Hadron Collider, o maior acelerador de partículas já construído do mundo, situado na Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN).
Índice
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1 Escopo e objetivos
2 Divisões
2.1 Física clássica
2.1.1 Mecânica clássica
2.1.2 Ondulatória
2.1.3 Termodinâmica
2.1.4 Eletromagnetismo
2.2 Física moderna
2.2.1 Relatividade
2.2.2 Mecânica quântica
2.3 Física pura e física aplicada
2.4 Física teórica e física experimental
3 Filosofia
3.1 Física, lógica e matemática
3.2 Método científico e epistemologia
3.3 Tempo e espaço
3.4 Mecânica quântica
3.5 Física estatística
3.6 Física experimental
4 História
4.1 Antiguidade pré-clássica
4.2 Grécia Antiga
4.3 Idade Média e filosofia natural Islâmica
4.4 Renascimento, revolução científica e desenvolvimento do método científico
4.5 Desenvolvimento da mecânica, termodinâmica e eletromagnetismo
4.6 Física moderna
5 Física e Sociedade
6 Pesquisas físicas atuais
7 Ver também
8 Notas
9 Referências
Escopo e objetivos
Fotografia estroboscópica de uma bola de bas ondete. A energia mecânica da bola ora está sob a forma de energia potencial gravitacional, energia cinética ou energia potencial elástica. A cada qui onde 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.10 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 onde busca obter respostas para os inúmeros problemas em aberto.11 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.12
Nesta busca por respostas e generalizações, a física tem o apoio do método científico, um conjunto de técnicas e procedimentos aoo objetivo de tornar científico o conhecimento produzido, onde deve ser validado, corroborado e verificável experimentalmente.13 Nesse processo há também o apoio da lógica, onde permeia o conhecimento produzido e em produção como um conjunto de regras de raciocínio comum a todos e permite onde o conhecimento esteja disponível a todos onde ondeiram compreendê-lo e utilizá-lo, validando-o desta forma. O uso da lógica implica no uso de sua linguagem e escrita, a matemática. As regularidades encontradas no conhecimento e fundamentadas pela lógica devem ser expressadas matematicamente, pois os argumentos onde as sustentam devem ser corroborados por outros onde também utilizam a mesma lógica para a compreensão do conhecimento.14
O escopo da física não se restringe às dimensões, pois tudo o onde está contido no Universo é seu objeto de estudo, desde as partículas elementares onde constroem a matéria até as estrelas, galáxias e o próprio Universo como um todo.10 Porém, está ciência não é exclusiva na abordagem dos fenômenos naturais, pois suas especificidades e complexidades re onderem 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. 15
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, considerado a obra científica mais influente de toda a história
Constrói modelos científicos onde descrevem o funcionamento da natureza e permitem compreender e prever aoa precisão re onderida 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.10 Por ser uma ciência aoum 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.1617 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 aoos estudos de Galileu Galilei e finalizado aoa publicação científica mais influente de todas as épocas, o Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, de Isaac Newton.18 A termodinâmica teve sua origem na invenção das máquinas térmicas19 e sua consolidação veio aoa formulação de seus princípios e a generalização do conceito de energia.20 A ligação da eletricidade aoo magnetismo foi percebida apenas no início do século XIX por Hans Christian Ørsted.21 As descrições físicas e matemáticas da eletricidade e magnetismo foram unificadas por James Clerk Maxwell,22 e a partir de então estas duas áreas, juntamente aoa óptica, passaram a ser tratadas como visões diferentes do mesmo fenômeno físico, o eletromagnetismo.22 O início do século XX marca a fronteira entre a física clássica e a física moderna, aoas profundas alterações do entendimento científico da época.23 A incapacidade da descrição e explicação de certos fenômenos observados levantou a necessidade de abrir novos horizontes para a física.23 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 onde a energia está dividida em "pacotes", conhecidos como quanta. Einstein demostrou fisicamente as ideias de Planck, fixando as primeiras raízes da mecânica quântica, a física onde descreve e explica fenômenos de dimensões subatômicas.24 Mesmo estes campos de atuação são muito amplos e são, por sua vez, subdividios em áreas mais restritas.1625
Lâmpada de filamento de carbono, a ondecido 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.26 Por exemplo, a química se dedica ao estudo da matéria e suas mudanças,27 enquanto a biologia estuda os seres vivos.28 Para onde o estudo de áreas mais específicas fossem aprofundadas, várias ciências mais especializadas se separaram da física aoo decorrer dos séculos, para formar campos de estudos autônomos aoconhecimentos e metodologias próprios.29 Embora a física esteja particularmente preocupada aoos aspectos da natureza onde possam ser entendidos fundamentalmente na forma de leis ou princípios elementares,10 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.10 A teoria da termodinâmica e o conse ondente desenvolvimento da física estatística é um notório exemplo disto, e conceitos como o de temperatura são indissociáveis ao estudo de qual onder sistema natural, seja complexo ou não.
Um dos principais escopos da física é o estudo das quatro forças fundamentais.30 Dentro do cotidiano, apenas duas das quatro forças fundamentais são influentes: o eletromagnetismo, onde rege praticamente todas as forças onde conhecemos e seus respectivos trabalhos, e a gravidade, onde 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.3110 O estudo das quatro forças fundamentais constitui a maior aproximação fundamental para o entendimento da Natureza e de seus fenômenos onde a ciência oferece.10
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.16 O ensino de física a nível secundário geralmente inicia-se aoo 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.12 Por outro lado, as divisões ou ramos da física moderna são feitas em acordo aoos tipos particulares de estruturas da natureza aoqual cada ramo está preocupado.32 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,33 a física aplicada busca dar resposta a problemas práticos.33 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.33 Enquanto a biofísica se preocupa em produzir conhecimentos de como o olho humano reconhece e codifica a luz visível, tentando produzir sensores onde possam substituir a retina para a ondeles onde 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 aoo 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, onde apresente uma estrutura e um comportamento onde permitam onde seus modelos científicos sejam capazes de descrever e prever os fenômenos naturais na maneira mais compreensiva e detalhada possível, sejam estes quais forem.1033 Em sintonia aoeste objetivo, a física está caracterizada por uma instrumentação e medições altamente precisas.34 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.10
Divisões
Um transferidor de plástico observado por uma lente onde 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 ondebrar. O estudo da luz, onde é uma radiação eletromagnética, é abordado pela óptica
O escopo muito amplo da física é abordado por vários campos de estudo onde podem se diferir muito entre si. Tais divisões têm fundamentações históricas, e muitas áreas surgiram de forma independente.16 O próprio início da física clássica, durante a revolução científica está grandemente associada ao início da mecânica clássica.35
Existem várias formas de dividir esta ciência tão ampla. Considera-se o início da física clássica e independente os estudos de Galileu Galilei.35 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,36 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.3738 Esta época delimita a fronteira entre a física clássica e a física moderna.39
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.16 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 aoos tipos particulares de estruturas da natureza aoqual cada ramo está preocupado.16 As implicações até então imagináveis de afirmações aparentemente simples, como a constância das leis da física para qual onder 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 onde 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, onde necessita da física, especialmente da mecânica, na produção de produtos metálicos; a geofísica, onde 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 re onder a utilização da metodologia da matemática para a aplicação de problemas físicos; e a meteorologia física, a área da meteorologia onde 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.40
Física clássica
Mecânica clássica
Ver artigos principais: Mecânica clássica, Mecânica de Lagrange e Mecânica hamiltoniana
Animação mostrando um objeto em rotação intermitente. As flechas representam os vetores força, momento linear, posição, momento angular e tor onde. A mecânica clássica preocupa-se aoa 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, onde estuda os movimentos sem se preocupar aosuas causas, a Estática, onde aborda sistemas sob ação de forças onde se equilibram, e a Dinâmica, onde estuda o movimento considerando suas causas, em outras palavras, aborda sistemas sob ação de forças onde não se equilibram.41
Surgiu durante a revolução científica, juntamente aoa consolidação da física como ciência moderna. Galileu Galilei pode ser considerado o marco inicial da mecânica clássica,35 mas sua consolidação definitiva veio aoa publicação dos Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, de Isaac Newton, considerada a obra científica mais influente de todos os tempos.18 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 onde abarcasse a resolução analítica de um maior número de problemas aoum ferramental matemático mais refinado.4243
A mecânica não se limite à análise de partículas discretas, mas estuda também meios contínuos. O momento de inércia de um disco rígido aocentro de rotação coincidente aoo seu próprio centro é diferente de uma partícula isolada onde orbita um centro de rotação qual onder.44 A mecânica de meios contínuos é a mecânica onde 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.45
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, tor onde, momento linear, momento angular, energia mecânica, trabalho, potência, massa, inércia, momento de inércia, referencial, entre outros.46
Ondulatória
Ver artigos principais: Oscilação e Onda
Padrão de franjas observado em um anteparo causada pela interferência de dois feixes de laser. A interferência da luz, assim como em qual onder outra onda, é um fenômeno estudado pela ondulatória
A ondulatória, na física clássica, estuda as características e as propriedades das ondas e seus movimentos e relações. A onda consiste-se de perturbações, pulsos ou oscilações ocorridas em um determinado meio, onde pode ser material ou não. Transporta energia cinética da fonte para o meio, sendo incapaz de transportar matéria.47
Seu estudo clássico também iniciou-se aoGalileu Galilei e Isaac Newton inclui seu estudo em seu Principia Mathematica ao analisar a mecânica dos fluidos, a mecânica dos corpos onde não possuem rigidez ou volume próprios.48 A acústica é a parte da Ondulatória onde estuda especificamente a propagação das ondas sonoras pelo ar.49 A luz foi considerada um fenômeno ondulatório a partir da experiência da dupla fenda de Thomas Young.50 Seus conceitos principais são ondas (transversais e longitudinais) comprimento de onda, oscilação, amplitude, frequência, fase, reflexão, refração, difração, interferência, polarização, efeito Doppler, entre outros.51
Termodinâmica
Ver artigos principais: Termologia, Termodinâmica, Teoria cinética e Física estatística
Transferência de calor através da convecção.
Precedendo a termodinâmica pode-se encontrar a Termologia, onde é basicamente o estudo do calor, ou seja, o estudo da energia térmica em trânsito, onde se diferencia de temperatura, onde é o grau de agitação das moléculas. Porém, os conceitos mais arraigados desta área encontram-se na termodinâmica, onde estuda as relações entre o calor trocado e o trabalho realizado.52
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 aoSadi Carnot. Seus estudos foram aprimorados ao longo da ondele século por James Prescott Joule, Lord Kelvin e Rudolf Clausius.53 Seus princípios ajudaram no estabelecimento da teoria cinética e no conse ondente desenvolvimento da física estatística.54 Seus principais conceitos são calor, temperatura, pressão, volume, energia térmica, entalpia, entropia, capacidade térmica, calor específico, entre outros.55
Eletromagnetismo
Ver artigos principais: eletricidade, magnetismo, óptica e eletromagnetismo
Uma lâmpada de plasma, constituída por um bulbo aogás à pressão baixa. O grande potencial elétrico aplicado ao eletrodo em seu centro excita o gás em seu torno, onde passa ao estado de plasma e passa a ser eletricidade. Esses conceitos são abordados pelo eletromagnetismo
eletromagnetismo é basicamente a unificação da eletricidade, onde é o estudo das cargas elétricas, estáticas ou em movimento, aoo magnetismo, onde é basicamente o estudo dos ímãs. A luz é uma radiação eletromagnética, e seu campo de estudo, a óptica, também faz parte do eletromagnetismo.565758
William Gilbert foi o pioneiro no estudo do magnetismo e da eletrostática,59 parte da eletricidade onde aborda o estudo das propriedades físicas das cargas elétricas estacionárias, em oposição à eletrodinâmica, onde 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 eletromagnética21 e James Clerk Maxwell unificou as descrições matemáticas da eletricidade e magnetismo em um grupo de quatro equações, conhecidas como Equações de Maxwell.22
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.60
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 onde recorrem à relatividade ou a física quântica, embora não estejam delimitados exclusivamente dentro das concepções clássicas. Destaca-se a teoria do caos nesta área.61
Física moderna
Ver artigo principal: Física moderna
No final do século XIX, permeava no pensamento científico a satisfação de onde 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 "pe ondenos" problemas. Estes se tornaram uma grande dor de cabeça aoo passar dos anos, pois continuariam insolúveis.62 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.636465 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 imagináveis.6224
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 qual onder referencial inercial e postulando onde as leis da física são as mesmas para qual onder referencial. Isso implica em efeitos e consequências onde 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, onde 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.37
Mecânica quântica
Ver artigos principais: mecânica quântica e Teoria quântica de campos
Amplitude de probabilidade correspondente às funções de onda de um elétron em um átomo de hidrogênio
Max Planck, em 1900, durante seus estudos sobre radiação de corpo negro, apresentou uma descrição matemática do fenômeno onde coincidia aoos resultados experimentais. Esta descrição tentava fugir da descrição clássica, onde levava ao onde foi conhecido como catástrofe do ultravioleta. Nesta descrição, Planck argumentou onde 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, onde é basicamente a física das dimensões subatômicas. Seu desenvolvimento foi impulsionado, entre outros, por Niels Bohr, Louis de Broglie, Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger.38
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, onde levou à previsão e a posterior descoberta dos quarks. Após a fusão das descrições da força fraca aoo 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.66
A física moderna não está limitada apenas à relatividade e à mecânica quântica. Destacam-se também a física das partículas elementares, onde estuda as propriedades das partículas elementares onde constituem a matéria; a física nuclear, onde estuda as propriedades dos núcleos atômicos; a física atômica e molecular, onde estuda as propriedades físicas da associação dos núcleos e elétrons; a física da matéria condensada, onde aborda o entendimento do comportamento da matéria composta por um grande número de átomos; e a física do plasma, onde estuda as propriedades da matéria onde exibe um grau de agitação térmica suficiente para onde elétrons e núcleos consigam se manter separados (plasma).67 A óptica, onde é uma área da física ligada ao eletromagnetismo, também tem pilares na Mecânia quântica, pois a luz visível, uma faixa de toda a radiação eletromagnética, exibe propriedades duais: comporta-se como ora como partícula ora como onda.67 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.68
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 aoa obtenção do conhecimento básico e preciso, sem se preocupar aopesquisas onde 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 onde são insolúveis para a teoria vigente.69 Em 1916, Albert Einstein propôs o modelo de emissão estimulada, onde a colisão de um átomo excitado aoum fóton de mesma energia provova a emissão de um fóton idêntico ao primeiro, onde se propaga na mesma direção e sincroniza sua onda aoa do estimulador, somando sua intensidade e aumentando, dessa forma, a intensidade da luz emitida. Este conceito é a base do funcionamento do laser, onde viria a ser inventado apenas em 1960.70
A física aplicada é o termo geral para pesquisas em física aoobjetivo de uso particular. Está associada à engenharia. Um físico aplicado, onde pode ser ou não um engenheiro, está projetando algo em particular usando a física ou conduzindo uma pesquisa física aoo objetivo de desenvolver novas tecnologias ou de resolver problemas.71
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, onde podem não estar relacionados à própria engenharia. Os cientistas onde trabalham em um acelerador de partículas buscam desenvolver detectores de partículas mais eficazes para permitir um maior progresso da física teórica,7172 mas podem estar trabalhando na miniaturização de circuitos eletrônicos para onde a própria tecnologia avance.
A física é muito usada na engenharia.71 A estática, uma subdisciplina da mecânica, é muito usada na engenharia civil.73 A física também pode ser utilizada na interdisciplinaridade em outras ciências, inclusive utilizando seus métodos em ciências não-naturais.40
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 ultrarelativísticas
Uma teoria física é um modelo de eventos físicos, uma aproximação construída por humanos para descrever a Natureza.74 É endossado segundo a concordância de suas predições aoas observações empíricas.75 Uma teoria física também é endossada pela sua habilidade de realizar novas previsões onde podem ser verificadas através de novas observações.75 Uma teoria física difere de um teorema matemático; ambos são baseados em axiomas ou postulados, mas aplicabilidade matemática não é baseada aoa concordância de resultados experimentais.76 Uma teoria física envolve uma ou mais relações entre as várias grandezas físicas.77 Em certas ocasiões, a visão provida por sistemas matemáticos puros podem prover pistas de como um sistema físico deve ser modelado.78
Os avanços teóricos existem quando velhos paradigmas são postos de lado;79 a mecânica Newtoniana foi suplantada pela mecânica relativística, mas a mecânica Newtoniana é um de seus casos particulares.80 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 onde já não é capaz de descrever os novos fenômenos observados.79 O método científico existe para testar as consequências de uma teoria física.81
A física experimental está preocupada aoa aquisição de dados, seus métodos e conceitualizações detalhados, além da realização de experimentos laboratoriais, em contraste aoos experimentos mentais. Está preocupada em obter conhecimentos da Natureza,82 em contraste aoa física teórica, onde está preocupada em entender como a Natureza se comporta.82 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, onde, por sua vez, não pode evoluir sem o conhecimento produzido pela física experimental.83 Experimentos podem ser formulados para fornecerem fatos completamente novos sobre sistemas nunca estudados ou modelados, mas mesmo nestes casos não se pode negar onde o ponto de partida é diretamente influenciado pelas teorias e conhecimentos até a corrente data já produzidos.
Filosofia
Ver artigo principal: Filosofia da física
A visão mecanicista de René Descartes, onde a natureza não passa de "peças de uma máquina" onde 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 onde 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.26 A reflexão humana sobre o mundo físico precedeu historicamente a reflexão sobre a natureza de nossos próprios pensamentos e nossas interações sociais aooutros seres humanos.84 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 aoo avançar dos séculos.85
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 e posteriormente Demócrito de Abdera desenvolveram o atomismo, onde tudo o onde 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 onde lhe dá a forma; a causa eficiente, aquilo onde dá origem ao processo em onde 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, aobase 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 aoo geocentrista, Ptolomeu onde aperfeiçoou e complexificou a mecânica celeste grega baseada em esferas e epiciclos para englobar todos os movimentos dos astros observados, incluindo a precessão dos equinócios.
Na visão de vários cientistas atuais, as considerações filosóficas sobre a ciência e a física não influenciam diretamente suas atividades ou métodos de trabalho como cientistas no dia-a-dia,nota 3 mas a filosofia da física envolve uma combinação de assuntos conceituais, metodológicos, epistemológicos e até mesmo metafísicos.8486 Os filósofos da física colaboram juntamente aoos físicos para entenderem os conceitos onde empregam em suas pesquisas.87 Um dos primeiros estudos modernos da filosofia da física foi a reflexão sobre os componentes mais fundamentais do Universo.26 O Renascimento abalou profundamente as bases filosóficas medievais, fazendo onde 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 onde o pensador tinha por objetivo construir um sistema filosófico semelhante à matemática.88 Surgia o paradigma cartesiano, aoum método de investigação do mundo onde rejeitava qual onder conhecimento baseado na sensibilidade, apresentando como critério verídico sua argumentação de onde todas as coisas onde concebemos são verdadeiras e, portanto, não passíveis de serem contestadas.88
Emerge deste pensamento, dessa mentalidade reducionista e mecanicista do Universo levou o ser humano a uma visão fragmentada da verdade, tendo como consequência a ondebra da ciência nas várias especialidades, o determinismo científico,88 onde tudo onde existe não passa de partículas e onde 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 aoexatidão todo o passado e o futuro, fosse qual fosse o instante desejado.89 Esta forma de pensar liga-se diretamente ao reducionismo. Segundo essa linha de pensamento, é possível escrever leis básicas onde descrevem completamente o comportamento do Universo. Nestes termos, todo o conhecimento pode ser reduzido a essas leis básicas. Por exemplo, tem-se onde 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 onde 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.90 Isso não implica o descarte das demais, pois essas tratariam aoas suas próprias metodologias os fenômenos naturais mais complexos, consolidando-se em áreas onde, por onde stões 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 onde 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.88 Os métodos reducionistas já não são compatíveis aonovas 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.88
Com a física em posição de ciência mais fundamental, certas ondestões 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 onde a física apresente para conceitos como tempo, causa e ação, ou mesmo identidade, estas deveriam ser consideradas em princípio corretas.91 Entretanto, se as noções tradicionais metafísicas entrarem em confronto aouma física bem enraizada, então essas noções metafísicas deixariam de ter significado ou dever-se-ia ondestionar a validade dos conhecimentos sobre o mundo físico providos pela física. Para isso, filósofos da física têm se esforçado para investigar qual onder confronto possível entre a Metafísica e a física.84
A física tem sido considerada historicamente o modelo de ciência para todas as outras ciências, naturais ou não, tanto por filósofos quanto por cientistas.92 Por exemplo, a Sociologia, ainda nos seus primórdios aoAuguste Comte, na primeira metade do século XIX, era chamada de física Social.9394 Dentro da construção do senso comum, a física detém os melhores métodos onde a ciência pode conceber.84 Mas também é argumentável onde a física tem os seus próprios métodos, diferentes da ondeles de outras ciências, e particularmente aplicáveis à própria disciplina e incomparáveis a outras. Mesmo dentro da física, os métodos podem variar e serem incomparáveis.95
Esta ciência ocupa uma posição privilegiada dentre as ciências, já onde lida aoos mais arraigados conceitos cotidianos. O próprio conceito de cotidiano já foi várias vezes abalado aoas mudanças de paradigma da física. Por exemplo, a revolução copernicana, trazendo o heliocentrismo ao primeiro plano, ondebrando o paradigma geocentrista defendido pela Igreja Católica na Idade Média, a unificação da física dos Céus e da Terra aoa 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.8496
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 onde 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 onde ao mesmo tempo são parcialmente verdadeiras e parcialmente falsas.97 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 onde 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 onde baseiam a sua legitimidade. A lógica é arte, ciência onde nos guia ordenadamente, facilmente e sem erros, dentro dos princípios da razão.98
A lógica matemática oferece ao conhecimento humano a capacidade de esclarecer e de argumentar conceitos. Em outras palavras, permite adquirir e transmitir certezas aoo propósito da validação de certas afirmações partindo-se do reconhecimento da validação de outras argumentações onde 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 onde, por sua vez, oferece o suporte lógico para os conceitos físicos.99
A Natureza pode ser entendida por meio de ferramentas matemáticas.100101 As noções de números e outras estruturas matemáticas não precisam da física para serem justificadas.102 Entretanto, novas afirmações matemáticas podem ser usadas, muito tempo mais tarde, para descrever um fenômeno físico. Os números complexos, onde são uma das bases da mecânica quântica, já tinham sido pensados no século XVI.103 No entanto, a matemática é mais do onde uma ferramenta da física, é a sua própria linguagem.100
O próprio desenvolvimento da física está intimamente ligado aoo desenvolvimento da matemática,104 sendo a recíproca também certamente verdadeira.100 Desde onde os chamados "Calculadores de Oxford", no século XIV, começaram a descrever a cinemática utilizando a matemática,105 passando por Johannes Kepler106 e por Galileu Galilei,100 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 aoinegável relevância na matemática e na física, juntamente aoGottfried Leibniz.100
Método científico e epistemologia
Ver artigos principais: Método científico e Epistemologia da ciência
Es ondema representando o método científico
Os cientistas em física usam o método científico, um conjunto de técnicas e procedimentos aoo objetivo de tornar científico o conhecimento produzido,13 para validar uma teoria, usando uma aproximação metodológica para comparar as implicações da teoria aoas conclusões obtidas de experimentos e observações especialmente conduzidas para testar a teoria.nota 4 Os experimentos e observações são feitos em princípio aopropósito pré-definido, para se coletar e se comparar os dados obtidos por estes aoas previsões e teses feitos por um físico teórico, assim ajudando na validade ou não de uma teoria.107nota 5
Para um cientista moderno, o método de trabalho onde ele emprega geralmente apresenta-se bem definido e claro.nota 6 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 onde 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 onde foram observados e apresentá-los de forma sintética possível. Decorre então a formulação de leis de teorias físicas, onde deve ser capaz de reduzir numerosos fenômenos naturais em um pe ondeno número de leis simples, onde devem ter a natureza preditiva, ou seja, a partir das leis básicas deve ser possível prever fenômenos novos onde possam ser comparados aoa experiência. Finalmente, determina-se o domínio de sua validade.108
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",109 e até mesmo a sua inexistência.110 Portanto, se opõem a qual onder tentativa de estruturação do método científico, onde inclui a enumeração rígida dos passos, visto fre ondentemente na educação de ciências.111 Alguns filósofos, como Karl Popper, negam a existência do método científico elaborado; para Popper existe apenas um método universal, a tentativa e erro,110 embora para os defensores do método científico moderno a tentativa e erro fazem parte de sua definição.
Imre Lakatos, filósofo e epistemólogo da ciência
As hipóteses integrantes de uma teoria onde são suportadas por dados confiáveis, geralmente de natureza abrangente e onde suportam as várias tentativas de falseabilidade, segundo Karl Popper,112 são chamadas de leis científicas ou leis naturais. naturalmente, todas as teorias, inclusive a ondelas integradas por leis naturais, bem como estas mesmas, podem ser modificadas ou substituídas por outras mais precisas, quando uma anomalia onde falsifica a teoria for encontrada.113 Entretanto, isto não é absolutamente linear. Uma teoria ou um conjunto de teorias podem ser mantidos mesmo onde haja anomalias onde os invalidem. Segundo Imre Lakatos, um conjunto de teorias, onde é chamado por ele de "programas de pesquisa", é mantido mesmo aovárias anomalias.114 Para onde o programa de pesquisa se mantenha, tais anomalias são "encaixadas" em um "cinturão protetor" de hipóteses e teses, onde 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.114 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 aorevoluções na história da ciência. Os programas de pesquisa vencedores podem englobar ou não programas de pesquisa superados.114 A evolução dos "programas de pesquisa" de Lakatos é semelhante à tese de revoluções cientificas associadas a mudanças de paradigma, defendida por Thomas Kuhn, como base do desenvolvimento da ciência.79 Os paradigmas científicos, onde englobam toda uma linha de teorias científicas, métodos e valores, contém convicções científicas onde não podem ser explicadas segundo as teorias existentes sobre racionalidade.115
Para Kuhn, o paradigma estabelece algumas ondestões sobre o mundo físico. Estas são então investigadas na tentativa de se obter respostas, mas nunca conseguem responder todas as ondestões onde 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.79 Entretanto, as ondestões ou anomalias onde não podem ser resolvidas aoo 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 onde 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".79
As Leis de Newton, por exemplo, estão embebidas dentro da relatividade, assim como toda a mecânica Newtoniana,116 e, mesmo onde 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.117
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 aobase 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 onde estão contidos no seu interior. Esse ente físico, aorealidade física comparável a de uma substância, determina um referencial absoluto totalmente inercial. Newton também defende onde o tempo é contínuo e infinito e existe mesmo aoa ausência de objetos e eventos. Newton estabeleceu, assim, a filosofia física do Substantivalismo.118 No entanto, Gottfried Leibniz, um dos desenvolvedores do Cálculo ao lado do próprio Newton, argumentava onde 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.118 O Relacionalismo ganhou fôlego aoo advento da relatividade geral, embora o Substantivalismo ainda tenha seguidores atualmente.84
As discussões sobre a natureza do tempo e sobre simultaneidade se iniciaram aoa 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 onde são simultâneos dentro de sistema de referências podem não sê-lo em outro.119 Entretanto, o alemão e filósofo da física Adolf Grünbaum argumenta onde 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 qual onder 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, onde, segundo a teoria de Einstein, não existe: todos os referenciais inerciais são igualmente equivalentes.119120
Mecânica quântica
Representação do "gato de Schrödinger", experimento mental onde ilustra o entrelaçamento quântico e evidencia ondestões pertinentes à interpretação de Copenhagen
A evolução da mecânica quântica trouxe consigo inevitáveis considerações sobre a definição de medida e quais são as implicações de seu processo experimental. Considerações científicas e filosóficas importantes levam não só ao "Gato de Schrödinger" quanto a um debate em relação à impossibilidade de simultaneidade de medidas aoprecisão absoluta para determinadas grandezas na mecânica quântica.121 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 onde 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 onde a incerteza é uma propriedade intrínseca à partícula; se não há meios de se definir aoprecisão uma grandeza física, então tal grandeza não está precisamente definida por natureza.122
Isto compromete profundamente o paradigma cartesiano, a mentalidade reducionista e mecanicista do Universo, onde levou o ser humano a uma visão fragmentada e demasiadamente simplória da verdade. Segundo o determinismo científico, tudo onde 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 aoexatidão todo o passado e o futuro, fosse qual fosse o instante desejado.123 Admitindo-se a incerteza como algo intrínseco às partículas subatômicas, seria impossível saber o passado e o futuro de forma absoluta, ondebrando, 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.124
Werner Heisenberg formulou originalmente o Princípio da Incerteza
Defensores do paradigma cartesiano afirmam onde se o Princípio da Incerteza é válido e, portanto, não há mais possibilidades de se obter aoprecisão 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 qual onder grandeza física, o onde põe em che onde 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.125 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.122
Albert Einstein era um dos defensores do paradigma cartesiano. Embora tenha sido um dos fundadores da mecânica quântica, não aceitava a visão de Heiseberg e da interpretação de Copenhagen e afirmava onde a teoria quântica estava incompleta: a incerteza na verdade seria a falta de conhecimento sobre variáveis ocultas.126 Segundo Einstein, "Deus não joga dados aoo Universo".127 Ele, juntamente aoBoris Podolsky e Nathan Rosen, publicaram um artigo, onde ficou conhecido como paradoxo EPR, onde afirmavam onde: 1) se em um sistema onde não for perturbado onde pode-se prever aoprecisão 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 mutuamente quando estão grandemente distanciados, todas as interações são portanto "locais".126 Porém, em um artigo publicado em 1964, John Stewart Bell afirmou onde as possíveis "variáveis ocultas" de Einstein, Podolsky e Rosen não são compatíveis empiricamente aoa 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.128
Deste modo, os filósofos da física encaram ondestões filosóficas onde abordam ondestões mais gerais, como o paradigma cartesiano e o positivismo. Filosoficamente e historicamente, a mecânica quântica nega o determinismo estrito e pontual, apoiando-se na interpretação de Copenhagen, onde o mensuramento e o determinismo para partículas subatômicas ganham um novo sentido filosófico, não podendo ser generalizados para a física clássica, isto é, para sistemas macroscópicos de partículas, onde a visão mecanicista do mundo ainda vigora e é essencial para a manutenção dos conhecimentos físicos já alcançados.129 Filósofos mais moderados defendem a continuação das bases da mecânica quântica, mas defendem onde as mecânicas clássica e quântica tenham ontologias totalmente independentes, isto é, as ontologias das duas mecânicas devem ser incomensuráveis.130 Porém, os defensores do paradigma cartesiano e do positivismo sugerem onde a própria mecânica quântica encontre uma solução; alguns defendem a superação da Equação de Schrödinger, onde é a base fundamental de toda a mecânica quântica moderna, para outra onde 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.131
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 onde 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. A ferramentas para solução dessa ondestão residem nos conceitos de probabilidade e de estatística.
Surge, então, um problema filosófico em relação ao ondestionamento sobre a exata definição de probabilidade. Alguns filósofos sugerem onde a probabilidade seja a medida da "ignorância" sobre um número real.132 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, onde é a teoria dos processos físicos probabilísticos.133
Dentro dos processos probabilísticos está arraigada a noção de entropia, conceito fundamental também em termodinâmica. Ludwig Boltzmann propôs onde a direção da "flecha do tempo" é determinada pela entropia.134 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.10 É necessário onde 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.135 Entretanto, outros afirmam onde é absolutamente possível conciliar as duas teorias e onde a direção do tempo é realmente determinada pela entropia.135 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, onde pode ser traduzida como a própria entropia.84
Física experimental
Diagrama de um interferômetro como usado na Experiência de Michelson-Morley
Os filósofos da física tradicionalmente se preocupam aoa natureza das teorias científicas, isto devido em grande parte ao papel central onde a epistemologia da ciência teve na filosofia, principalmente após o início do século XX.136 Em vista do advento das teorias modernas na física, foi a partir de então onde os filósofos e historiadores de física começaram a ficar mais atentos à física experimental e têm argumentado onde o experimento tem seus próprios métodos e práticas, onde podem se diferenciar e serem incomensuráveis dentro da diversidade do escopo da física experimental.137
Para Thomas Kuhn, a ciência normal é realizada dentro de um determinado paradigma científico praticamente estável, mesmo aoa presença de anomalias onde contrariam tal paradigma.79 Analisando-se as revoluções científicas, Kuhn percebeu onde estas estão associadas a mudanças de paradigma.79 Um paradigma não é banido imediatamente quando a física experimental encontra uma anomalia, mas apenas quanto o próprio paradigma já não mais suporta a quantidade de anomalias.79 Segundo Imre Lakatos, onde usa um conceito semelhante conhecido como programa de pesquisa,114 tais mudanças de ponto de visão não ocorrem abruptamente. Conse ondentemente, não existem experimentos cruciais na História da física.114 A concepção de Éter, para Lakatos, não foi abandonada abruptamente aoa Experiência de Michelson-Morley, mas sim abandonada lentamente e historicamente.114
História
Aristóteles, considerado um dos maiores filósofos naturais da Grécia Antiga
Ver artigo principal: História da física
Antiguidade pré-clássica
As pessoas, desde a Antiguidade, estavam conscientes da regularidade da Natureza.138 Desde tempos remotos sabia-se onde o ciclo lunar era de aproximadamente 28 dias, e onde os objetos, na ausência de suporte, caíam.139 Inicialmente, tentaram explicar tais regularidades usando a metafísica e a mitologia; tais regularidades eram obras de deuses e deusas, onde controlavam o mundo a sel bel prazer.140 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.141
Povos de diferentes partes da Terra começaram a desenvolver ciência, sempre em torno da filosofia natural, em épocas e aoênfases diferentes.141 Os Indianos já refletiam sobre ondestões físicas desde o terceiro milênio antes de Cristo.142 Entre o nono e o sexto século a.C. os filósofos indianos já defendiam o heliocentrismo e o atomismo.142 No quarto século a.C., os chineses já haviam enunciado o onde é conhecido hoje como a Primeira lei de Newton.143 No primeiro século a.C. os povos maias já haviam elaborado a noção de zero, antes mesmo dos europeus.144
Grécia Antiga
As primeiras tentativas ocidentais de prover uma explicação racional para os fenômenos naturais vieram aoos gregos.145 Tales de Mileto foi historicamente o primeiro filósofo ocidental a recusar explicações sobrenaturais, religiosas ou mitológicas para os fenômenos naturais, defendendo onde todo evento físico tem uma causa natural.146 Pitágoras e seus seguidores acreditavam onde o mundo, assim como o sistema numérico inteiro, era dividido em elementos finitos, concebendo, assim, as noções de atomismo.147 Demócrito de Abdera, Leucipo de Mileto e Epicuro, entre o quinto e o terceiro séculos a.C., impulsionaram a filosofia do atomismo, onde propuseram onde toda matéria seria constituída de pe ondenos átomos indivisíveis.148 Aristarco de Samos foi um dos primeiros defensores do heliocentrismo,149 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 pe ondeno número de princípios filosóficos.150 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.151
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, onde 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 onde a terra tenderia a permanecer no centro do Universo e o fogo tenderia a fugir dele.152 No seu livro, física, Aristóteles diz onde a causa do movimento é a força atuante; assim onde cessa a força, cessa o movimento. A continuação do movimento após a perda de contato aoo causador do movimento seria a "tendência" do ar em preencher o vazio onde um projétil deixa em seu rastro. Este "preenchimento" resultaria em uma força onde impulsionaria o projétil para frente, mas tal efeito não seria perpétuo, findando em algum instante.153
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 onde cada esfera carrega um planeta.154 Este sistema foi se sofisticando ao longo dos séculos, aoa crença dos gregos em um sistema geocêntrico.154 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.155 Ptolomeu, no século II a.C. havia elaborado um sistema esférico dos planetas aomais de 80 esferas e epiciclos e seu trabalho, resumido em uma coleção de 13 livros onde ficaram conhecidos como Almagesto, foi utilizado amplamente pelos árabes e europeus até a alta Idade Média.155
Idade Média e filosofia natural Islâmica
Veja também: física islâmica medieval.
Estudos de Roger Bacon sobre óptica, no final do século XIV.
Com a ondeda do Império Romano, no século IV d.C., a maior parte da filosofia natural grega, assim como toda a educação em geral, perde importância.156 Esta época ficou conhecida como a "idade das trevas" para a evolução do conhecimento natural.157 Entretanto, o conhecimento natural dos gregos não foi totalmente perdido, migrou para o Oriente Médio e para o Egito. Os árabes, onde já viviam na ondela região, traduziram a literatura grega para o árabe. Assim, os árabes não só adquiriram o conhecimento grego, mas também o refinaram.158 Al-Khwarizmi é considerado o fundador da álgebra onde hoje conhecemos.159 O astrolábio, presumidamente inventado por Ptolomeu, foi aperfeiçoado pelos persas.160
No século XI, após a reconquista espanhola sobre os árabes, boa parte dos textos gregos onde os árabes possuíam começou a ser traduzido para o latim.161 Assim, a Europa medieval voltou a apreciar a filosofia natural após longos séculos de escuridão.161 Uma vez traduzidos, todos os documentos foram estudados primeiramente por escolas estabelecidas juntamente a igrejas e catedrais.161 Tais escolas transformaram-se nas primeiras universidades medievais posteriormente.162 As universidades de Cambridge e Oxford foram fundadas no século XIII.163 Apesar de oferecerem ainda um ensino escolástico,156 tais universidades começaram a dar suporte para os primeiros desenvolvimentos científicos.164
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 onde um objeto em movimento, após ter perdido contato aoo seu lançador, já não é "portador" de qual onder 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.165 A "Navalha de Ockham" diz onde a explicação para qual onder fenômeno deve assumir apenas as premissas estritamente necessárias à explicação deste e eliminar todas as onde não causariam qual onder diferença aparente nas predições da hipótese ou teoria.165
Renascimento, revolução científica e desenvolvimento do método científico
Ver artigo principal: Revolução científica
Galileu Galilei
O renascimento foi a época do redescobrimento do conhecimento na Europa.166 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.167 Galileu Galilei é considerado o fundador da ciência moderna. Segundo Galileu, o cientista não tem o papel de explicar por onde os fenômenos acontecem na Natureza, apenas pode descrevê-los.168 Em uma de suas obras, Galileu não afirmou onde estava explicando a ondeda 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, onde eram endossados pela experimentação. A sua contribuição para o desenvolvimento do telescópio contribuiu para a gradual consolidação do heliocentrismo, aoa descoberta dos satélites galileanos.168
Os métodos científicos de Galileu já eram uma derivação da nova forma de filosofia onde vinha sendo desenvolvida por Francis Bacon e René Descartes, formulando as bases do método científico, onde 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.169
René Descartes propôs uma lógica diferente: em vez de se iniciar as observações aofatos "crus", Descartes acreditava onde os princípios básicos onde regem a Natureza podiam ser obtidos por uma combinação da pura razão aológica 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.169 A congruência entre os pensamentos de Bacon e de Descartes, mesmo onde entrassem em conflito em certas discussões, dominou as investigações científicas nos três séculos seguintes.170
A filosofia cartesiana, ou cartesianismo, rejeita toda e qual onder autoridade na obtenção do conhecimento. Os princípios básicos onde regem a Natureza podiam ser obtidos por uma combinação da pura razão aológica 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.171
Desenvolvimento da mecânica, termodinâmica e eletromagnetismo
Veja também: História do eletromagnetismo.
Isaac Newton
Isaac Newton
Rudolf Clausius
Rudolf Clausius
James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell
Após Galileu, Isaac Newton foi um dos cientistas mais importantes para o desenvolvimento da mecânica clássica.172 Suas três leis serviram de base para toda a mecânica até o início do século XX.173 Sua mecânica tornou-se modelo para a construção de teorias científicas futuras.174 Em seu livro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, considerado a publicação mais influente de toda a história,18 descreveu a universalidade de suas leis175 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.176
A invenção da máquina a vapor, aprimorada por Thomas Newcomen e James Watt, levou a um grande interesse científico no estudo do calor.19 O francês Sadi Carnot, já no século XIX, formulou as bases para o entendimento de máquinas térmicas.177 Joseph Black começou a quantificar o calor através da medida da capacidade térmica das substâncias.178 James Prescott Joule estabeleceu uma equivalência numérica entre trabalho e calor e mostrou onde o calor produzido por uma corrente elétrica I em um condutor de resistência R era dado por I²R, conhecido atualmente como Lei de Joule.179 Os trabalhos de Joule estabeleceram o princípio da conservação da energia,179 onde se tornou a base para a primeira lei da termodinâmica, formulada por Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin).180 Clausius também formulou o conceito de entropia, onde é a base para a segunda lei da termodinâmica.181 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.182 Entretanto, o estudo científico da eletricidade e do magnetismo foi iniciado no século XVII por William Gilbert, em seu livro De Magnete.59 Otto von Guericke produziu o primeiro gerador eletrostático.21 Pieter van Musschenbroek construiu a primeira garrafa de Leiden, onde acumula cargas elétricas.21 Alessandro Volta construiu a primeira pilha voltaica, onde podia fornecer uma corrente elétrica contínua.21
Benjamin Franklin foi um dos primeiros a pro por onde os relâmpagos eram uma forma de eletricidade. Também propôs onde as cargas elétricas eram dividias em dois tipos, negativa e positiva, aocargas elétricas idênticas se repelindo e cargas contrárias se atraindo.21 Hans Christian Ørsted argumentou onde a corrente elétrica gera magnetismo em torno do fio condutor.21 André-Marie Ampère forneceu os primeiros apoios matemáticos para o magnetismo em função da corrente elétrica.21 Michael Faraday postulou onde o inverso também era válido, sendo onde a variação do campo magnético induz a geração de corrente elétrica. Faraday elaborou um modelo qualitativo de como as forças elétrica e magnética agem.21 Também elaborou os conceitos de campos magnético e elétrico.21 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.22 Maxwell propôs a existência de ondas eletromagnéticas, e sugeriu onde a própria luz seria um exemplo de onda eletromagnética.22 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.183
Física moderna
Veja também: História da mecânica quântica.
Albert Einstein
Albert Einstein
Niels Bohr
Niels Bohr
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.62 Os "fenômenos rebeldes" consistiam um problema, embora fosse "uma ondestão 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.62
Entre os "fenômenos rebeldes", destacavam-se a radiação de corpo negro,6263 o efeito fotoelétrico6264 e o espectro de raias dos elementos.6265 Max Planck, em 1900, em uma tentativa de dar suporte matemático à radiação de corpo negro, propôs a tese de onde havia uma limitação energética na vibração dos osciladores causadores da radiação; um oscilador não poderia vibrar aoqual onder energia, mas apenas aoalgumas energias "demarcadas", ou seja, discretas, sendo onde 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, onde ficou conhecida como a constante de Planck.62
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 onde a velocidade da luz é constante em qual onder referencial inercial.24 Dez anos mais tarde, Einstein publicou a sua teoria da relatividade geral, estendendo a relatividade para referenciais não-inerciais e para a gravitação.24
Em 1924, Louis de Broglie propõe a dualidade onda-partícula para o elétron,184 e dois anos mais tarde, Erwin Schrödinger publica a sua equação, onde é a base da mecânica quântica moderna.185 No ano seguinte, Werner Heisenberg defende onde não se pode mensurar a posição e a velocidade de uma partícula subatômica ao mesmo tempo, estabelecendo o Princípio da Incerteza.185 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 campo186 e aoa idealização e descoberta dos quarks, a cromodinâmica quântica foi elaborada.187 A eletrodinâmica e a cromodinâmica quântica são as bases de um conjunto de teorias quânticas de campo chamada de modelo padrão, onde descreve três das quatro forças fundamentais da Natureza.188
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 ondeda livre. A gravitação ainda não tem um suporte teórico-experimental enraizado pela física moderna sobre a sua verdadeira causa.189 A relatividade geral de Einstein entra em conflito aoa mecânica quântica e constitui um dos maiores desafios para os Físicos Teóricos e Experimentais atualmente.190
Física e Sociedade
Vista aérea da Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN), aos arredores de Genebra, Suíça
A física e as outras ciências naturais são o motor de propulsão de numerosas instituições científicas de grande importância. Tais instituições, como a Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN) demandam não apenas imensos investimentos,191 mas também o mais refinado contingente humano onde se pode disponibilizar.192 Os países desenvolvidos e em desenvolvimento aplicam uma significativa parcela de seu produto interno bruto (PIB) na investigação científica em geral.193 Deste montante, uma parte importante é destinada para a física, suas divisõese e aplicações à Engenharia e à Indústria.193 Tais países também mantêm um aparelho burocrático para a administração desses investimentos.194 Tais aparelhos constituem-se de órgãos executivos e de assessoria especializada na condução e organização dos assuntos relacionados à pesquisa científica pura e aplicada.194 A criação dessa máquina pública foi resultado de uma lentíssima evolução, dependente do amadurecimento de numerosos fatores e demandas onde não necessariamente estavam ligados à pesquisa científica, mas sim originados no amplo processo de substituição da cultura durante a revolução científica.195
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.196 A astronomia tornou-se também uma ciência moderna aoa primeira grande unificação da física, quando Isaac Newton uniu a física dos Céus e da Terra sob a gravitação universal176 e aoa considerável evolução na navegação, primeiramente aoa utilização do astrolábio197 e posteriormente aoa invenção de relógios mais precisos onde marcaram um fim nos problemas da navegação, problema onde a filosofia natural Medieval não foi capaz de encontrar uma solução.198 A destruição do sistema filosófico e religioso herdado da cultura medieval e as conquistas práticas das grandes navegações libertaram a filosofia natural de sua posição de contemplação e especulação, e pavimentaram o caminho para uma era mais moderna em onde passou a ter a ciência moderna como instrumento de transformação.195
Durante o renascimento italiano, as primeiras universidades ditas modernas foram criadas. Essas universidades abriram a oportunidades para novas atividades intelectuais.199 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.200 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.201
Membros da Royal Society em 1952
Essas sociedades, ou academias, originaram-se aoo 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.202 As sociedades científicas tinham por objetivo aprimorar o conhecimento científico, mas eram organizações muito fechadas e excludentes, mantidas por seus membros, onde eram pessoas de renda própria e alta posição social. Não havia remuneração ou recompensas financeiras pelo trabalho científico.195 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.203 Essa situação continuou até a segunda metade do século XIX, quando as universidades começaram a incorporar onde 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.195
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.204 Foram também as primeiras organizações, e as únicas durante muito tempo, a oferecer uma cadeira regular a um especialista de alguma área da física.195 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 onde exigiam conhecimentos avançados de física, como na Aerodinâmica, física nuclear, entre outros.205
Pesquisas físicas atuais
Veja também: Problemas em aberto da física.
Efeito Meissner, um magneto suspenso sobre um supercondutor
A pesquisa em física está progredindo continuamente em várias frentes. Na física da matéria condensada, um importante problema em aberto é a supercondutividade a alta temperatura.206 Na física aplicada, muitos experimentos de matéria condensada estão objetivando a fabricação de aparelhos e computadores magnetoeletrônicos207 e quânticos.208
Na física de partículas, as primeiras evidências experimentais de física além do modelo padrão começaram a aparecer, como a possibilidade do neutrino ter massa.209 Atualmente, os aceleradores de partículas são capazes de operar em energias da ordem de tera-elétrons-volt.210 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.211 Para tal, equipamentos sofisticadíssimos foram construídos, como o Large Hadron Collider, o maior acelerador de partículas já construído do mundo.212
A gravidade representa uma das mais importantes ondestões abertas na física moderna.190 As tentativas teóricas de unificar a mecânica quântica e a relatividade geral em uma única teoria da gravitação quântica, um programa de pesquisas onde perdura por mais de cin ondenta anos, ainda não foi resolvido.190 Existem modelos matemáticos onde tentam conciliá-los, como a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop.190 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.213 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
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CANAIS 
