Física
Física é a ciência que estuda a natureza e analisa as relações e propriedades dos seus fenômenos, além de descrever e explicar a maior parte das consequências deles. Busca a compreensão científica dos comportamentos naturais e gerais do mundo em nosso entorno, desde as partículas elementares até o universo como um todo. Com o amparo do método científico e da lógica, e tendo a matemática como linguagem natural, esta ciência descreve a natureza por meio de modelos científicos. É considerada a ciência fundamental, sinônimo de ciência natural: as ciências naturais, como a química e a biologia, têm raízes na física. Sua presença no cotidiano é muito ampla, sendo praticamente impossível uma completíssima descrição dos fenômenos físicos em nossa volta. A aplicação da física para o benefício humano contribuiu de uma forma inestimável para o desenvolvimento de toda a tecnologia moderna, desde o automóvel até os computadores quânticos.
Antiguidade pré-clássica
Desde tempos remotos sabia-se que o ciclo lunar era de aproximadamente 28 dias, e que os objetos, na ausência de suporte, caíam. Inicialmente, tentaram explicar tais regularidades usando a metafísica e a mitologia; tais regularidades eram obras de deuses e deusas, que controlavam o mundo ao seu bel prazer. Entretanto, a física, conhecida desde a antiguidade até o século XVIII como filosofia natural, iniciou-se como uma tentativa de se obter explicações racionais para os fenômenos naturais, evitando-se sobremaneira as infiltrações religiosas ou mágicas. Povos de diferentes partes da Terra começaram a desenvolver ciência, sempre em torno da filosofia natural, em épocas e com ênfases diferentes. Os Indianos já refletiam sobre questões físicas desde o terceiro milênio antes de Cristo. Entre o nono e o sexto século a.C. os filósofos indianos já defendiam o heliocentrismo e o atomismo. No quarto século a.C., os chineses já haviam enunciado o que é conhecido hoje como a Primeira lei de Newton. No primeiro século a.C. os povos maias já haviam elaborado a noção de zero, antes mesmo dos europeus.
Grécia Antiga
As primeiras tentativas ocidentais de prover uma explicação racional para os fenômenos naturais vieram com os gregos. Tales de Mileto foi historicamente o primeiro filósofo ocidental a recusar explicações sobrenaturais, religiosas ou mitológicas para os fenômenos naturais, defendendo que todo evento físico tem uma causa natural. Pitágoras e seus seguidores acreditavam que o mundo, assim como o sistema numérico inteiro, era dividido em elementos finitos, concebendo, assim, as noções de atomismo. Demócrito de Abdera, Leucipo de Mileto e Epicuro, entre o quinto e o terceiro séculos a.C., impulsionaram a filosofia do atomismo, onde propuseram que toda matéria seria constituída de pequenos átomos indivisíveis. Aristarco de Samos foi um dos primeiros defensores do heliocentrismo, embora na Grécia Antiga prevalecesse o paradigma geocentrista. A experiência, assim como todo trabalho braçal, na Grécia Antiga, eram ignorados, pois as explicações sobre o mundo físico eram baseadas em um pequeno número de princípios filosóficos. Arquimedes, entretanto, prezava a experiência: os fundamentos da estática e da hidrostática têm suas origens em Arquimedes. Os princípios do conceito de empuxo foram primeiramente formulados por ele. Tal conceito ficou conhecido como o princípio de Arquimedes.
Idade Média e filosofia natural Islâmica
Com a queda do Império Romano, no século IV d.C., a maior parte da filosofia natural grega, assim como toda a educação em geral, perde importância. Esta época ficou conhecida como a "idade das trevas" para a evolução do conhecimento natural. Entretanto, o conhecimento natural dos gregos não foi totalmente perdido, migrou para o Oriente Médio e para o Egito. Os árabes, que já viviam naquela região, traduziram a literatura grega para o árabe. Assim, os árabes não só adquiriram o conhecimento grego, mas também o refinaram. [ligação inativa] Alcuarismi é considerado o fundador da álgebra que hoje conhecemos. O astrolábio, presumidamente inventado por Ptolomeu, foi aperfeiçoado pelos persas.
Renascimento, revolução científica e desenvolvimento do método científico
O renascimento foi a época do redescobrimento do conhecimento na Europa. Vários acontecimentos revolucionaram a forma de pensar da sociedade europeia. Em 1543, Nicolau Copérnico publica De revolutionibus orbium coelestium, apresentando um modelo matemático completo de um sistema heliocêntrico. Galileu Galilei é considerado o fundador da ciência moderna. Segundo Galileu, o cientista não tem o papel de explicar porque os fenômenos acontecem na Natureza, apenas pode descrevê-los. Em uma de suas obras, Galileu não afirmou que estava explicando a queda livre, apenas estava descrevendo-o. Galileu também foi o primeiro a conceber o conceito de inércia na Europa e foi o fundador da física como conhecemos hoje ao empregar a matemática na descrição de fenômenos naturais, que eram endossados pela experimentação. A sua contribuição para o desenvolvimento do telescópio contribuiu para a gradual consolidação do heliocentrismo, com a descoberta dos satélites galileanos.
Desenvolvimento da mecânica, termodinâmica e eletromagnetismo
Após Galileu, Isaac Newton foi um dos cientistas mais importantes para o desenvolvimento da mecânica clássica. Sua mecânica tornou-se modelo para a construção de teorias científicas futuras. Em seu livro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, considerado a publicação mais influente de toda a história, descreveu a universalidade de suas leis e concluiu a primeira grande unificação da História da física, já iniciada por Galileu, ao unir Céus e Terra sob as mesmas leis físicas, a gravitação universal. [ligação inativa] A invenção da máquina a vapor, aprimorada por Thomas Newcomen e James Watt, levou a um grande interesse científico no estudo do calor. [ligação inativa] O francês Sadi Carnot, já no século XIX, formulou as bases para o entendimento de máquinas térmicas. Joseph Black começou a quantificar o calor através da medida da capacidade térmica das substâncias. James Prescott Joule estabeleceu uma equivalência numérica entre trabalho e calor e mostrou que o calor produzido por uma corrente elétrica I em um condutor de resistência R era dado por I²R, conhecido atualmente como Lei de Joule. Os trabalhos de Joule estabeleceram o princípio da conservação da energia, que se tornou a base para a primeira lei da termodinâmica, formulada por Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin). [ligação inativa] Clausius também formulou o conceito de entropia, que é a base para a segunda lei da termodinâmica. Assim como a mecânica Newtoniana se apoia em três leis fundamentais, as quatro leis da termodinâmica apoiam todo o conhecimento nesta área.
Física moderna
No final do século XIX, as teorias clássicas da física estavam firmemente estabelecidas. Restavam aos físicos realizar medidas mais precisas para as constantes universais e aplicar o conhecimento obtido em tecnologias vindouras. [ligação inativa] Os "fenômenos rebeldes" consistiam um problema, embora fosse "uma questão de tempo" adequá-las às teorias vigentes. Entretanto, tais "fenômenos rebeldes" se tornaram um imenso desafio para física no final do Século XIX e no início do Século XX. Entre os "fenômenos rebeldes", destacavam-se a radiação de corpo negro, o efeito fotoelétrico [ligação inativa] e o espectro de raias dos elementos. [ligação inativa] Max Planck, em 1900, em uma tentativa de dar suporte matemático à radiação de corpo negro, propôs a tese de que havia uma limitação energética na vibração dos osciladores causadores da radiação; um oscilador não poderia vibrar com qualquer energia, mas apenas com algumas energias "demarcadas", ou seja, discretas, sendo que seus valores seriam múltiplos de números naturais. As regiões discretas de energia ficaram conhecidas como quanta de energia. A energia desses quanta seria dada pelo produto de um número natural pela frequência e por uma constante universal, que ficou conhecida como a constante de Planck.
A física estuda a natureza e seus fenômenos em seus aspectos mais essenciais e gerais. Analisa suas relações e propriedades, além de descrever e explicar a maior parte de suas consequências, mas não a sua totalidade, pois a física não é um objeto pronto e acabado, mas sim uma ciência que busca obter respostas para os inúmeros problemas em aberto. Tem como pilares fundamentais o estudo da matéria, energia, espaço e tempo, e deriva destes entes fundamentais e de suas propriedades e relações todo o vasto escopo da física. Nesta busca por respostas e generalizações, a física tem o apoio do método científico, um conjunto de técnicas e procedimentos com o objetivo de tornar científico o conhecimento produzido, que deve ser validado, corroborado e verificável experimentalmente. [ligação inativa] Nesse processo há também o apoio da lógica, que permeia o conhecimento produzido e em produção como um conjunto de regras de raciocínio comum a todos e permite que o conhecimento esteja disponível a todos que queiram compreendê-lo e utilizá-lo, validando-o desta forma. O uso da lógica implica o uso de sua linguagem e escrita, a matemática. As regularidades encontradas no conhecimento e fundamentadas pela lógica devem ser expressadas matematicamente, pois os argumentos que as sustentam devem ser corroborados por outros que também utilizam a mesma lógica para a compreensão do conhecimento.
O escopo muito amplo da física é abordado por vários campos de estudo que podem se diferir muito entre si. Tais divisões têm fundamentações históricas, e muitas áreas surgiram de forma independente. O próprio início da física clássica, durante a revolução científica está grandemente associada ao início da mecânica clássica. Existem várias formas de dividir esta ciência tão ampla. Considera-se o início da física clássica e independente os estudos de Galileu Galilei. O paradigma de René Descartes, uma visão mecanicista da ciência onde o mundo natural é uma máquina sem espiritualidade e, portanto, deve ser dominada pela inteligência humana e ser posta a seu serviço, permeou a produção e desenvolvimento científicos até o início do século XX, [ligação inativa] 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. [ligação inativa] Esta época delimita a fronteira entre a física clássica e a física moderna.
Física clássica
A mecânica clássica descreve o movimento de objetos macroscópicos, desde projéteis a partes de máquinas, além de corpos celestes, como espaçonaves, planetas, estrelas e galáxias. A mecânica clássica em si também é muito ampla e várias especializações são derivadas dela. Referente aos conceitos abordados, pode ser dividida em Cinemática, que estuda os movimentos sem se preocupar com suas causas, a Estática, que aborda sistemas sob ação de forças que se equilibram, e a Dinâmica, que estuda o movimento considerando suas causas, em outras palavras, aborda sistemas sob ação de forças que não se equilibram.{ Surgiu durante a revolução científica, juntamente com a consolidação da física como ciência moderna. Galileu Galilei pode ser considerado o marco inicial da mecânica clássica, mas sua consolidação definitiva veio com a publicação dos Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, de Isaac Newton, considerada a obra científica mais influente de todos os tempos.
Física moderna
No final do século XIX, permeava no pensamento científico a satisfação de que todos os fenômenos naturais poderiam ser descritos pela ciência já desenvolvida até então. Restava apenas a conquista de uma maior precisão do valor das constantes universais e da resolução de alguns "pequenos" problemas. Estes se tornaram uma grande dor de cabeça com o passar dos anos, pois continuariam insolúveis. Entre estes fenômenos "problemas" destacam-se a radiação de corpo negro e a catástrofe do ultravioleta, o espectro de raias dos elementos e o efeito fotoelétrico. As contribuições iniciais de Max Planck e sobretudo Albert Einstein abriram novos campos para a explicação destes fenômenos e abriram margens para descobertas e ponderações até então inimagináveis.
Física pura e física aplicada
A física pura está preocupada com a obtenção do conhecimento básico e preciso, sem se preocupar com pesquisas que tenham utilidade prática imediata. Almeja a obtenção de conhecimentos para a resolução de problemas de caráter mais geral, embora não tenha um objetivo bem delineado. Busca atender demandas exigidas pela própria comunidade científica, como a necessidade de se propor novas teorias para problemas que são insolúveis para a teoria vigente. Em 1916, Albert Einstein propôs o modelo de emissão estimulada, onde a colisão de um átomo excitado com um fóton de mesma energia provoca a emissão de um fóton idêntico ao primeiro, que se propaga na mesma direção e sincroniza sua onda com a do estimulador, somando sua intensidade e aumentando, dessa forma, a intensidade da luz emitida. Este conceito é a base do funcionamento do laser, que viria a ser inventado apenas em 1960.
Física teórica e física experimental
Uma teoria física é um modelo de eventos físicos, uma aproximação construída por humanos para descrever a Natureza. É endossado segundo a concordância de suas predições com as observações empíricas. Uma teoria física também é endossada pela sua habilidade de realizar novas previsões que podem ser verificadas através de novas observações. Uma teoria física difere de um teorema matemático; ambos são baseados em axiomas ou postulados, mas aplicabilidade matemática não é baseada com a concordância de resultados experimentais. Uma teoria física envolve uma ou mais relações entre as várias grandezas físicas. [ligação inativa] Em certas ocasiões, a visão provida por sistemas matemáticos puros podem prover pistas de como um sistema físico deve ser modelado. [ligação inativa]
Tendo em consideração que a física sempre esteve associada à filosofia natural desde a antiguidade até o século XVIII, a filosofia da física pode ser considerada a mais antiga disciplina filosófica da história. A reflexão humana sobre o mundo físico precedeu historicamente a reflexão sobre a natureza de nossos próprios pensamentos e nossas interações sociais com outros seres humanos. No entanto, filosofia da física, como disciplina moderna, surge durante o Renascimento e começa a ser aprofundada durante o Iluminismo, tendo um caráter mais epistemológico com o avançar dos séculos. A filosofia natural é debatida desde a antiguidade pré-clássica. As primeiras reflexões vieram sobre discussões de ordem prática acerca da mecânica, óptica e astronomia. Babilônicos e egípcios eram capazes de prever eclipses solares e lunares. Porém, os debates acerca do mundo natural estavam sempre associados a geometria. Os gregos foram os primeiros a desenvolver uma filosofia natural sem pretensões práticas. Tales de Mileto é às vezes referido como "pai da ciência", pois recusou-se aceitar explicações sobrenaturais, mitológicas e religiosas para os fenômenos naturais. Leucipo de Mileto e posteriormente Demócrito de Abdera desenvolveram o atomismo, onde tudo o que há na natureza é formado por átomos indivisíveis e eternos. Para Aristóteles, as mudanças na natureza podem ser explicadas através de quatro causas: a causa material, aquilo do qual é feita alguma coisa; a causa formal, a coisa em si e o que lhe dá a forma; a causa eficiente, aquilo que dá origem ao processo em que a coisa surge; e a causa final, aquilo para o qual a coisa é feita. Aristóteles foi pioneiro em construir uma teoria altamente coerente e elaborada para a explicação do mundo natural, com base filosófica bem muito bem fundamentada, registrada em seu livro Física. Para ele, os elementos naturais buscavam seu lugar próprio no Universo: a terra buscaria seu centro, onde a Terra está situada, enquanto o fogo tenderia a fugir. Aristóteles também relacionou o movimento como algo provocado por uma força. Embora Aristarco de Samos tenha defendido o heliocentrismo, o auge da astronomia grega vem com o geocentrista, Ptolomeu que aperfeiçoou e complexificou a mecânica celeste grega baseada em esferas e epiciclos para englobar todos os movimentos dos astros observados, incluindo a precessão dos equinócios.
Física, lógica e matemática
A física tem o apoio da lógica, pilar central do conhecimento humano para a sua fundamentação, estruturação e expressão. Está ligada ao pensamento humano e distingue interferências e argumentos falsos e verdadeiros. É basicamente um conjunto de regras rígidas para que argumentações e conclusões pudessem ser aceitas como logicamente válidas. O uso da lógica leva a um raciocínio baseado em premissas e conclusões. Tem sido binária, pois aceita duas assunções, falso ou verdadeiro e nega a existência da simultaneidade de conclusões, como por exemplo, conclusões que ao mesmo tempo são parcialmente verdadeiras e parcialmente falsas. [ligação inativa] Tal conclusão e suas leis da identidade (X deve ser X), da impossibilidade da contradição (X nunca é Y), e da exclusão do terceiro elemento (X deve ser X e, portanto, nunca deverá ser Y) abordam todas as possibilidades e são a base do pensamento lógico. Define as leis ideais do pensamento e estabelece as regras do pensamento correto, sendo uma arte de pensar. E como o raciocínio é a atividade intelectual que leva a todas as outras atividades humanas, define-se a lógica como a ciência do raciocínio correto. Para tanto, a lógica é necessária para tornar o pensamento humano mais eficaz e ajuda-o a justificar suas atividades recorrendo aos princípios que baseiam a sua legitimidade. A lógica é arte, ciência que nos guia ordenadamente, facilmente e sem erros, dentro dos princípios da razão. [ligação inativa]
Método científico e epistemologia
Os cientistas em física usam o método científico, um conjunto de técnicas e procedimentos com o objetivo de tornar científico o conhecimento produzido, para validar uma teoria, usando uma aproximação metodológica para comparar as implicações da teoria com as conclusões obtidas de experimentos e observações especialmente conduzidas para testar a teoria.[nota 3] Os experimentos e observações são feitos em princípio com propósito pré-definido, para se coletar e se comparar os dados obtidos por estes com as previsões e teses feitos por um físico teórico, assim ajudando na validade ou não de uma teoria.[nota 4] Para um cientista moderno, o método de trabalho que ele emprega geralmente apresenta-se bem definido e claro.[nota 5] Nesta visão, o método científico apresenta passos bem delineados e objetivos. A observação e a experimentação são o ponto de partida e o mais importante teste para a formulação das leis naturais. A abstração é o primeiro passo para a compreensão de um fenômeno natural, concentrando-se em seus aspectos mais importantes. Assim que se atinge o estágio durante o desenvolvimento de conceitos e modelos, pode-se procurar através do processo indutivo, a formulação das leis fenomenológicas obtidas diretamente dos fenômenos que foram observados e apresentá-los de forma sintética possível. Decorre então a formulação de leis de teorias físicas, que deve ser capaz de reduzir numerosos fenômenos naturais em um pequeno número de leis simples, que devem ter a natureza preditiva, ou seja, a partir das leis básicas deve ser possível prever fenômenos novos que possam ser comparados com a experiência. Finalmente, determina-se o domínio de sua validade.
Tempo e espaço
Os filósofos de física discutem os assuntos tradicionais referentes ao espaço e ao tempo com base nas teorias historicamente concebidas, desde Aristóteles à relatividade geral de Einstein. Segundo Isaac Newton, o espaço é um ente físico separado e independente dos objetos que estão contidos no seu interior. Esse ente físico, com realidade física comparável a de uma substância, determina um referencial absoluto totalmente inercial. Newton também defende que o tempo é contínuo e infinito e existe mesmo com a ausência de objetos e eventos. Newton estabeleceu, assim, a filosofia física do Substantivalismo. [ligação inativa] No entanto, Gottfried Leibniz, um dos desenvolvedores do Cálculo ao lado do próprio Newton, argumentava que o espaço contém propriedades estritamente relacionais. Se não existissem objetos, seria impossível a definição de espaço. De modo semelhante, se não existissem objetos ou eventos, também não se poderia definir o tempo. Leibniz desenvolveu, assim, a filosofia física do Relacionalismo. O Relacionalismo ganhou fôlego com o advento da relatividade geral, embora o Substantivalismo ainda tenha seguidores atualmente.
Mecânica quântica
A evolução da mecânica quântica trouxe consigo inevitáveis considerações sobre a definição de medida e quais são as implicações de seu processo experimental. Considerações científicas e filosóficas importantes levam não só ao "Gato de Schrödinger" quanto a um debate em relação à impossibilidade de simultaneidade de medidas com precisão absoluta para determinadas grandezas na mecânica quântica. [ligação inativa] Segundo Werner Heisenberg, em 1925, existe uma incerteza na determinação da posição de uma partícula subatômica. O produto da incerteza da posição pela incerteza de seu momento nunca será menor do que uma certa constante numérica. Não se pode, por exemplo, medir a posição e o momento de um elétron ao mesmo tempo; ao se medir a sua posição, comprometemos seu momento, e vice-versa. As relações de incerteza, à primeira vista, parecem derivar da impossibilidade inerente à natureza humana em obter tais grandezas físicas. Entretanto, Heisenberg afirmou que a incerteza é uma propriedade intrínseca à partícula; se não há meios de se definir com precisão uma grandeza física, então tal grandeza não está precisamente definida por natureza. [ligação inativa]
Física estatística
A física estatística tem por objetivo o estudo dos sistemas constituídos por "incontáveis" partículas, tão numerosas que se torna impraticável a sua descrição através da consideração de cada uma das suas partículas isoladamente. Tais sistemas não são raros e uma simples amostra de gás confinado em uma garrafa seria um exemplo. As ferramentas para solução dessa questão residem nos conceitos de probabilidade e de estatística. Surge, então, um problema filosófico em relação ao questionamento sobre a exata definição de probabilidade. Alguns filósofos sugerem que a probabilidade seja a medida da "ignorância" sobre um número real. Entretanto, esta definição é bastante subjetiva e não explica o sentido de probabilidade usada pela física estatística ou pela mecânica quântica. Em termos físicos, a probabilidade ganha um sentido mais concreto. A probabilidade é uma propriedade intrínseca a alguns processos físicos e não depende do "nível de conhecimento" do físico experimental. Um átomo pode decair radioativamente sob certa probabilidade entre 0 e 1 e isso não depende da quantidade de "ignorância" do observador. Isso é fundamental para a própria existência da física estatística, que é a teoria dos processos físicos probabilísticos.
Física experimental
Os filósofos da física tradicionalmente se preocupam com a natureza das teorias científicas, isto devido em grande parte ao papel central que a epistemologia da ciência teve na filosofia, principalmente após o início do século XX. Em vista do advento das teorias modernas na física, foi a partir de então que os filósofos e historiadores de física começaram a ficar mais atentos à física experimental e têm argumentado que o experimento tem seus próprios métodos e práticas, que podem se diferenciar e serem incomensuráveis dentro da diversidade do escopo da física experimental. Para Thomas Kuhn, a ciência normal é realizada dentro de um determinado paradigma científico praticamente estável, mesmo com a presença de anomalias que contrariam tal paradigma. Analisando-se as revoluções científicas, Kuhn percebeu que estas estão associadas a mudanças de paradigma. Um paradigma não é banido imediatamente quando a física experimental encontra uma anomalia, mas apenas quando o próprio paradigma já não mais suporta a quantidade de anomalias. Segundo Imre Lakatos, que usa um conceito semelhante conhecido como programa de pesquisa, [ligação inativa] tais mudanças de ponto de visão não ocorrem abruptamente. Consequentemente, não existem experimentos cruciais na História da física. A concepção de Éter, para Lakatos, não foi abandonada abruptamente com a Experiência de Michelson-Morley, mas sim abandonada lentamente e historicamente.
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, [ligação inativa] mas também o mais refinado contingente humano que se pode disponibilizar. Os países desenvolvidos e em desenvolvimento aplicam uma significativa parcela de seu produto interno bruto (PIB) na investigação científica em geral. Deste montante, uma parte importante é destinada para a física, suas divisões e aplicações à Engenharia e à Indústria. Tais países também mantêm um aparelho burocrático para a administração desses investimentos. Tais aparelhos constituem-se de órgãos executivos e de assessoria especializada na condução e organização dos assuntos relacionados à pesquisa científica pura e aplicada. A criação dessa máquina pública foi resultado de uma lentíssima evolução, dependente do amadurecimento de numerosos fatores e demandas que não necessariamente estavam ligados à pesquisa científica, mas sim originados no amplo processo de substituição da cultura durante a revolução científica.
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. [ligação inativa] Na física aplicada, muitos experimentos de matéria condensada estão objetivando a fabricação de aparelhos e computadores magnetoeletrônicos e quânticos. Na física de partículas, as primeiras evidências experimentais de física além do modelo padrão começaram a aparecer, como a possibilidade do neutrino ter massa. Atualmente, os aceleradores de partículas são capazes de operar em energias da ordem de tera-elétrons-volt. [ligação inativa] Os físicos teóricos e experimentais, no CERN e no Fermilab, tentam encontrar o bóson de Higgs, a única partícula ainda a ser descoberta segundo o Modelo Padrão. Para tal, equipamentos sofisticadíssimos foram construídos, como o Large Hadron Collider, o maior acelerador de partículas já construído do mundo.
