Física -Physics

Vários exemplos de fenômenos físicos

A física é a ciência natural que estuda a matéria , seus constituintes fundamentais , seu movimento e comportamento através do espaço e do tempo , e as entidades relacionadas de energia e força . A física é uma das disciplinas científicas mais fundamentais , tendo como principal objetivo entender como o universo se comporta. Um cientista que se especializa no campo da física é chamado de físico .

A física é uma das disciplinas acadêmicas mais antigas e, pela inclusão da astronomia , talvez a mais antiga. Durante grande parte dos últimos dois milênios, física, química , biologia e certos ramos da matemática fizeram parte da filosofia natural , mas durante a Revolução Científica no século XVII, essas ciências naturais surgiram como empreendimentos de pesquisa únicos por direito próprio. A física cruza-se com muitas áreas interdisciplinares de pesquisa, como biofísica e química quântica , e os limites da física não são rigidamente definidos . Novas idéias em física geralmente explicam os mecanismos fundamentais estudados por outras ciências e sugerem novos caminhos de pesquisa nessas e em outras disciplinas acadêmicas, como matemática e filosofia .

Os avanços na física geralmente permitem avanços em novas tecnologias . Por exemplo, os avanços na compreensão do eletromagnetismo , física do estado sólido e física nuclear levaram diretamente ao desenvolvimento de novos produtos que transformaram dramaticamente a sociedade moderna, como televisão , computadores , eletrodomésticos e armas nucleares ; avanços na termodinâmica levaram ao desenvolvimento da industrialização ; e avanços na mecânica inspiraram o desenvolvimento do cálculo .

História

A palavra "física" vem do grego antigo : φυσική (ἐπιστήμη) , romanizadophysikḗ (epistḗmē) , que significa "conhecimento da natureza".

Astronomia antiga

A astronomia egípcia antiga é evidente em monumentos como o teto da tumba de Senemut da XVIII Dinastia do Egito .

A astronomia é uma das mais antigas ciências naturais . As primeiras civilizações que datam de antes de 3000 aC, como os sumérios , os antigos egípcios e a civilização do Vale do Indo , tinham um conhecimento preditivo e uma consciência básica dos movimentos do Sol, da Lua e das estrelas. As estrelas e planetas, que se acredita representarem deuses, eram frequentemente adorados. Embora as explicações para as posições observadas das estrelas fossem muitas vezes não científicas e carentes de evidências, essas observações iniciais lançaram as bases para a astronomia posterior, pois as estrelas percorreram grandes círculos no céu, o que, no entanto, não explicava as posições das estrelas. planetas .

De acordo com Asger Aaboe , as origens da astronomia ocidental podem ser encontradas na Mesopotâmia , e todos os esforços ocidentais nas ciências exatas são descendentes da astronomia babilônica tardia . Astrônomos egípcios deixaram monumentos mostrando o conhecimento das constelações e os movimentos dos corpos celestes, enquanto o poeta grego Homero escreveu sobre vários objetos celestes em sua Ilíada e Odisseia ; astrônomos gregos posteriores forneceram nomes, que ainda são usados ​​hoje, para a maioria das constelações visíveis do Hemisfério Norte .

Filosofia natural

A filosofia natural tem suas origens na Grécia durante o período arcaico (650 aC - 480 aC), quando filósofos pré-socráticos como Tales rejeitaram explicações não naturalistas para fenômenos naturais e proclamaram que todo evento tinha uma causa natural. Eles propuseram idéias verificadas pela razão e observação, e muitas de suas hipóteses foram bem sucedidas em experimentos; por exemplo, o atomismo foi considerado correto aproximadamente 2.000 anos depois de ter sido proposto por Leucipo e seu pupilo Demócrito .

Medieval europeu e islâmico

O Império Romano do Ocidente caiu no século V, e isso resultou em um declínio nas atividades intelectuais na parte ocidental da Europa. Por outro lado, o Império Romano do Oriente (também conhecido como Império Bizantino ) resistiu aos ataques dos bárbaros e continuou a avançar em vários campos de aprendizado, incluindo a física.

No século VI, Isidoro de Mileto criou uma importante compilação das obras de Arquimedes que são copiadas no Palimpsesto de Arquimedes .

Desenho de Ibn Al-Haytham (Alhazen)
Ibn al-Haytham (c. 965–c. 1040), Livro de Óptica Livro I, [6,85], [6,86]. O Livro II, [3.80] descreve seus experimentos com a câmera escura .

Na Europa do século VI, João Filopono , um estudioso bizantino, questionou o ensino de física de Aristóteles e notou suas falhas. Ele introduziu a teoria do ímpeto . A física de Aristóteles não foi examinada até que Filopono apareceu; ao contrário de Aristóteles, que baseou sua física em argumentos verbais, Filopono baseou-se na observação. Sobre a física de Aristóteles, Filopono escreveu:

Mas isso é completamente errôneo, e nossa visão pode ser corroborada pela observação real de forma mais eficaz do que por qualquer tipo de argumento verbal. Pois se você deixar cair da mesma altura dois pesos dos quais um é muitas vezes mais pesado que o outro, verá que a razão dos tempos necessários para o movimento não depende da razão dos pesos, mas que a diferença no tempo é muito pequeno. E assim, se a diferença de pesos não for considerável, isto é, de um é, digamos, o dobro do outro, não haverá diferença, ou então uma diferença imperceptível, no tempo, embora a diferença de peso seja de não significa desprezível, com um corpo pesando duas vezes mais que o outro

A crítica de Filopono aos princípios aristotélicos da física serviu de inspiração para Galileu Galilei dez séculos depois, durante a Revolução Científica . Galileu citou Filopono substancialmente em suas obras ao argumentar que a física aristotélica era falha. Nos anos 1300 , Jean Buridan , professor da faculdade de artes da Universidade de Paris, desenvolveu o conceito de ímpeto. Foi um passo em direção às ideias modernas de inércia e impulso.

A erudição islâmica herdou a física aristotélica dos gregos e durante a Idade de Ouro islâmica a desenvolveu ainda mais, especialmente enfatizando a observação e o raciocínio a priori , desenvolvendo formas primitivas do método científico .

A maneira básica como uma câmera pinhole funciona

As inovações mais notáveis ​​foram no campo da óptica e da visão, que vieram dos trabalhos de muitos cientistas como Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi e Avicenna . O trabalho mais notável foi The Book of Optics (também conhecido como Kitāb al-Manāẓir), escrito por Ibn al-Haytham, no qual ele refutou conclusivamente a ideia grega antiga sobre visão, mas também apresentou uma nova teoria. No livro, ele apresentou um estudo sobre o fenômeno da câmera obscura (sua versão milenar da câmera pinhole ) e aprofundou o funcionamento do próprio olho. Usando dissecações e o conhecimento de estudiosos anteriores, ele conseguiu começar a explicar como a luz entra no olho. Ele afirmou que o raio de luz é focado, mas a explicação real de como a luz projetada na parte de trás do olho teve que esperar até 1604. Seu Tratado sobre a Luz explicou a câmera escura, centenas de anos antes do desenvolvimento moderno da fotografia.

O Livro de Óptica de sete volumes ( Kitab al-Manathir ) influenciou enormemente o pensamento em todas as disciplinas, desde a teoria da percepção visual até a natureza da perspectiva na arte medieval, tanto no Oriente quanto no Ocidente, por mais de 600 anos. Muitos estudiosos europeus posteriores e colegas polímatas, de Robert Grosseteste e Leonardo da Vinci a René Descartes , Johannes Kepler e Isaac Newton , estavam em dívida com ele. De fato, a influência da Óptica de Ibn al-Haytham está ao lado da obra de Newton com o mesmo título, publicada 700 anos depois.

A tradução de The Book of Optics teve um enorme impacto na Europa. A partir dele, estudiosos europeus posteriores foram capazes de construir dispositivos que replicavam aqueles que Ibn al-Haytham havia construído e entender como a luz funciona. A partir disso, importantes invenções como óculos, lupas, telescópios e câmeras foram desenvolvidas.

Clássico

Galileu Galilei mostrou uma apreciação moderna pela relação adequada entre matemática, física teórica e física experimental.
Sir Isaac Newton (1643-1727), cujas leis do movimento e da gravitação universal foram marcos importantes na física clássica

A física tornou-se uma ciência separada quando os primeiros europeus modernos usaram métodos experimentais e quantitativos para descobrir o que hoje são consideradas as leis da física .

Os principais desenvolvimentos neste período incluem a substituição do modelo geocêntrico do Sistema Solar pelo modelo heliocêntrico de Copérnico , as leis que regem o movimento dos corpos planetários (determinadas por Kepler entre 1609 e 1619), o trabalho pioneiro de Galileu em telescópios e astronomia observacional no séculos 16 e 17, e a descoberta e unificação de Newton das leis do movimento e da gravitação universal (que viria a levar seu nome). Newton também desenvolveu o cálculo , o estudo matemático da mudança, que forneceu novos métodos matemáticos para resolver problemas físicos.

A descoberta de novas leis em termodinâmica , química e eletromagnetismo resultou de maiores esforços de pesquisa durante a Revolução Industrial, à medida que as necessidades de energia aumentaram. As leis que compõem a física clássica continuam sendo amplamente utilizadas para objetos em escalas cotidianas que viajam em velocidades não relativísticas, pois fornecem uma aproximação muito próxima em tais situações, e teorias como a mecânica quântica e a teoria da relatividade simplificam para seus equivalentes clássicos em tais situações . escalas. No entanto, imprecisões na mecânica clássica para objetos muito pequenos e velocidades muito altas levaram ao desenvolvimento da física moderna no século XX.

Moderno

Max Planck (1858-1947), o criador da teoria da mecânica quântica
Albert Einstein (1879-1955), cujo trabalho sobre o efeito fotoelétrico e a teoria da relatividade levaram a uma revolução na física do século XX

A física moderna começou no início do século 20 com o trabalho de Max Planck na teoria quântica e na teoria da relatividade de Albert Einstein . Ambas as teorias surgiram devido a imprecisões na mecânica clássica em certas situações. A mecânica clássica previu uma velocidade variável da luz , que não poderia ser resolvida com a velocidade constante prevista pelas equações de eletromagnetismo de Maxwell; essa discrepância foi corrigida pela teoria da relatividade especial de Einstein , que substituiu a mecânica clássica por corpos em movimento rápido e permitiu uma velocidade constante da luz. A radiação de corpo negro forneceu outro problema para a física clássica, que foi corrigido quando Planck propôs que a excitação de osciladores de materiais só é possível em passos discretos proporcionais à sua frequência; isso, juntamente com o efeito fotoelétrico e uma teoria completa prevendo níveis discretos de energia de orbitais de elétrons , levou à teoria da mecânica quântica tomando o lugar da física clássica em escalas muito pequenas.

A mecânica quântica viria a ser pioneira por Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger e Paul Dirac . A partir deste trabalho inicial, e trabalhos em áreas afins, o Modelo Padrão da física de partículas foi derivado. Após a descoberta de uma partícula com propriedades consistentes com o bóson de Higgs no CERN em 2012, todas as partículas fundamentais previstas pelo modelo padrão, e nenhuma outra, parecem existir; no entanto, a física além do Modelo Padrão , com teorias como a supersimetria , é uma área ativa de pesquisa. Áreas da matemática em geral são importantes para este campo, como o estudo de probabilidades e grupos .

Filosofia

De muitas maneiras, a física deriva da filosofia grega antiga . Da primeira tentativa de Tales de caracterizar a matéria, à dedução de Demócrito de que a matéria deve reduzir a um estado invariável, a astronomia ptolomaica de um firmamento cristalino e o livro de Aristóteles Física (um livro antigo sobre física, que tentou analisar e definir o movimento a partir de um ponto de vista filosófico), vários filósofos gregos avançaram suas próprias teorias da natureza. A física era conhecida como filosofia natural até o final do século XVIII.

No século 19, a física foi percebida como uma disciplina distinta da filosofia e das outras ciências. A física, como o resto da ciência, depende da filosofia da ciência e de seu "método científico" para avançar nosso conhecimento do mundo físico. O método científico emprega o raciocínio a priori , bem como o raciocínio a posteriori e o uso da inferência bayesiana para medir a validade de uma determinada teoria.

O desenvolvimento da física respondeu a muitas perguntas dos primeiros filósofos, mas também levantou novas questões. O estudo das questões filosóficas que cercam a física, a filosofia da física, envolve questões como a natureza do espaço e do tempo , o determinismo e perspectivas metafísicas como o empirismo , o naturalismo e o realismo .

Muitos físicos escreveram sobre as implicações filosóficas de seu trabalho, por exemplo , Laplace , que defendeu o determinismo causal , e Schrödinger, que escreveu sobre mecânica quântica. O físico matemático Roger Penrose foi chamado de platônico por Stephen Hawking , uma visão que Penrose discute em seu livro, The Road to Reality . Hawking se referiu a si mesmo como um "reducionista sem vergonha" e discordou das opiniões de Penrose.

Teorias centrais

Embora a física lide com uma grande variedade de sistemas, certas teorias são usadas por todos os físicos. Cada uma dessas teorias foi testada experimentalmente inúmeras vezes e considerada uma aproximação adequada da natureza. Por exemplo, a teoria da mecânica clássica descreve com precisão o movimento dos objetos, desde que sejam muito maiores que os átomos e se movam a uma velocidade muito menor que a da luz. Essas teorias continuam a ser áreas de pesquisa ativa hoje. A teoria do caos , um aspecto notável da mecânica clássica, foi descoberta no século 20, três séculos após a formulação original da mecânica clássica por Newton (1642-1727).

Essas teorias centrais são ferramentas importantes para a pesquisa de tópicos mais especializados, e espera-se que qualquer físico, independentemente de sua especialização, seja alfabetizado nelas. Estes incluem mecânica clássica, mecânica quântica, termodinâmica e mecânica estatística , eletromagnetismo e relatividade especial.

Clássico

A física clássica inclui os ramos e tópicos tradicionais que foram reconhecidos e bem desenvolvidos antes do início do século 20 - mecânica clássica, acústica , óptica , termodinâmica e eletromagnetismo. A mecânica clássica está preocupada com corpos sob a ação de forças e corpos em movimento e pode ser dividida em estática (estudo das forças sobre um corpo ou corpos não sujeitos a uma aceleração), cinemática (estudo do movimento sem levar em conta suas causas) e dinâmica (estudo do movimento e das forças que o afetam); a mecânica também pode ser dividida em mecânica dos sólidos e mecânica dos fluidos (conhecidas em conjunto como mecânica do contínuo ), esta última inclui ramos como hidrostática , hidrodinâmica , aerodinâmica e pneumática . A acústica é o estudo de como o som é produzido, controlado, transmitido e recebido. Importantes ramos modernos da acústica incluem ultra -som , o estudo de ondas sonoras de frequência muito alta além do alcance da audição humana; bioacústica , a física das chamadas e audição de animais, e eletroacústica , a manipulação de ondas sonoras audíveis usando eletrônica.

Óptica, o estudo da luz , está preocupado não apenas com a luz visível, mas também com a radiação infravermelha e ultravioleta , que exibe todos os fenômenos da luz visível, exceto a visibilidade, por exemplo, reflexão, refração, interferência, difração, dispersão e polarização da luz. . O calor é uma forma de energia , a energia interna possuída pelas partículas das quais uma substância é composta; a termodinâmica lida com as relações entre o calor e outras formas de energia. A eletricidade e o magnetismo têm sido estudados como um único ramo da física desde que a íntima conexão entre eles foi descoberta no início do século XIX; uma corrente elétrica dá origem a um campo magnético , e um campo magnético variável induz uma corrente elétrica. A eletrostática lida com cargas elétricas em repouso, a eletrodinâmica com cargas em movimento e a magnetostática com pólos magnéticos em repouso.

Moderno

A física clássica geralmente se preocupa com a matéria e a energia na escala normal de observação, enquanto grande parte da física moderna se preocupa com o comportamento da matéria e da energia sob condições extremas ou em escala muito grande ou muito pequena. Por exemplo, a física atômica e nuclear estuda a matéria na menor escala em que os elementos químicos podem ser identificados. A física das partículas elementares está em uma escala ainda menor, pois se preocupa com as unidades mais básicas da matéria; este ramo da física também é conhecido como física de alta energia por causa das energias extremamente altas necessárias para produzir muitos tipos de partículas em aceleradores de partículas . Nessa escala, as noções ordinárias e do senso comum de espaço, tempo, matéria e energia não são mais válidas.

As duas principais teorias da física moderna apresentam uma visão diferente dos conceitos de espaço, tempo e matéria daquela apresentada pela física clássica. A mecânica clássica aproxima a natureza como contínua, enquanto a teoria quântica se preocupa com a natureza discreta de muitos fenômenos no nível atômico e subatômico e com os aspectos complementares de partículas e ondas na descrição de tais fenômenos. A teoria da relatividade está preocupada com a descrição de fenômenos que ocorrem em um referencial que está em movimento em relação a um observador; a teoria da relatividade especial está preocupada com o movimento na ausência de campos gravitacionais e a teoria geral da relatividade com o movimento e sua conexão com a gravitação . Tanto a teoria quântica quanto a teoria da relatividade encontram aplicações em todas as áreas da física moderna.

Conceitos fundamentais da física moderna

Diferença

Os domínios básicos da física

Enquanto a física visa descobrir leis universais, suas teorias estão em domínios explícitos de aplicabilidade.

Falando livremente, as leis da física clássica descrevem com precisão sistemas cujas escalas de comprimento importantes são maiores que a escala atômica e cujos movimentos são muito mais lentos que a velocidade da luz. Fora desse domínio, as observações não correspondem às previsões fornecidas pela mecânica clássica. Einstein contribuiu com a estrutura da relatividade especial, que substituiu as noções de tempo e espaço absolutos por espaço -tempo e permitiu uma descrição precisa de sistemas cujos componentes têm velocidades próximas à velocidade da luz. Planck, Schrödinger e outros introduziram a mecânica quântica, uma noção probabilística de partículas e interações que permitia uma descrição precisa das escalas atômicas e subatômicas. Mais tarde, a teoria quântica de campos unificou a mecânica quântica e a relatividade especial. A relatividade geral permitiu um espaço-tempo dinâmico e curvo, com o qual sistemas altamente massivos e a estrutura em grande escala do universo podem ser bem descritos. A relatividade geral ainda não foi unificada com as outras descrições fundamentais; várias teorias candidatas da gravidade quântica estão sendo desenvolvidas.

Relação com outros campos

Este fluxo de lava em forma de parábola ilustra a aplicação da matemática na física - neste caso, a lei de queda de corpos de Galileu .
A matemática e a ontologia são usadas na física. A física é usada em química e cosmologia.

Pré-requisitos

A matemática fornece uma linguagem compacta e exata usada para descrever a ordem na natureza. Isso foi observado e defendido por Pitágoras , Platão , Galileu e Newton.

A física usa a matemática para organizar e formular resultados experimentais. A partir desses resultados, são obtidas soluções precisas ou estimadas , ou resultados quantitativos, a partir dos quais novas previsões podem ser feitas e confirmadas ou negadas experimentalmente. Os resultados dos experimentos físicos são dados numéricos, com suas unidades de medida e estimativas dos erros nas medidas. Tecnologias baseadas em matemática, como a computação , tornaram a física computacional uma área ativa de pesquisa.

A distinção entre matemática e física é clara, mas nem sempre óbvia, especialmente na física matemática.

A ontologia é um pré-requisito para a física, mas não para a matemática. Isso significa que a física está, em última análise, preocupada com as descrições do mundo real, enquanto a matemática está preocupada com padrões abstratos, mesmo além do mundo real. Assim, as declarações da física são sintéticas, enquanto as declarações matemáticas são analíticas. A matemática contém hipóteses, enquanto a física contém teorias. As declarações matemáticas devem ser apenas logicamente verdadeiras, enquanto as previsões das declarações físicas devem corresponder aos dados observados e experimentais.

A distinção é clara, mas nem sempre óbvia. Por exemplo, a física matemática é a aplicação da matemática na física. Seus métodos são matemáticos, mas seu assunto é físico. Os problemas neste campo começam com um " modelo matemático de uma situação física " (sistema) e uma "descrição matemática de uma lei física" que será aplicada a esse sistema. Cada afirmação matemática usada para resolver tem um significado físico difícil de encontrar. A solução matemática final tem um significado mais fácil de encontrar, porque é o que o solucionador está procurando.

A física pura é um ramo da ciência fundamental (também chamada de ciência básica). A física também é chamada de " ciência fundamental" porque todos os ramos da ciência natural, como química, astronomia, geologia e biologia, são restringidos pelas leis da física. Da mesma forma, a química é frequentemente chamada de ciência central por causa de seu papel na ligação das ciências físicas. Por exemplo, a química estuda propriedades, estruturas e reações da matéria (o foco da química na escala molecular e atômica a distingue da física ). As estruturas são formadas porque as partículas exercem forças elétricas umas sobre as outras, as propriedades incluem características físicas de determinadas substâncias e as reações são limitadas por leis da física, como conservação de energia , massa e carga . A física é aplicada em indústrias como engenharia e medicina.

Aplicação e influência

Física clássica implementada em um modelo de engenharia acústica de som refletido de um difusor acústico
Experimente com um laser

A física aplicada é um termo geral para pesquisa em física, que se destina a um uso específico. Um currículo de física aplicada geralmente contém algumas aulas em uma disciplina aplicada, como geologia ou engenharia elétrica. Geralmente difere da engenharia , pois um físico aplicado pode não estar projetando algo em particular, mas usando física ou realizando pesquisas em física com o objetivo de desenvolver novas tecnologias ou resolver um problema.

A abordagem é semelhante à da matemática aplicada . Os físicos aplicados usam a física na pesquisa científica. Por exemplo, pessoas que trabalham com física de aceleradores podem procurar construir detectores de partículas melhores para pesquisas em física teórica.

A física é muito usada na engenharia. Por exemplo, a estática, um subcampo da mecânica , é usada na construção de pontes e outras estruturas estáticas. A compreensão e uso da acústica resulta em controle de som e melhores salas de concerto; da mesma forma, o uso de óptica cria melhores dispositivos ópticos. Uma compreensão da física contribui para simuladores de voo , videogames e filmes mais realistas, e muitas vezes é fundamental em investigações forenses .

Com o consenso padrão de que as leis da física são universais e não mudam com o tempo, a física pode ser usada para estudar coisas que normalmente estariam atoladas na incerteza . Por exemplo, no estudo da origem da Terra , pode-se modelar razoavelmente a massa, temperatura e taxa de rotação da Terra, em função do tempo, permitindo extrapolar para frente ou para trás no tempo e assim prever eventos futuros ou anteriores. Também permite simulações em engenharia que aceleram drasticamente o desenvolvimento de uma nova tecnologia.

Mas há também uma interdisciplinaridade considerável , tantos outros campos importantes são influenciados pela física (por exemplo, os campos da econofísica e sociofísica ).

Pesquisar

Método científico

Os físicos usam o método científico para testar a validade de uma teoria física . Ao usar uma abordagem metódica para comparar as implicações de uma teoria com as conclusões tiradas de seus experimentos e observações relacionadas, os físicos são mais capazes de testar a validade de uma teoria de maneira lógica, imparcial e repetível. Para tanto, são realizados experimentos e observações para determinar a validade ou invalidade da teoria.

Uma lei científica é uma declaração verbal ou matemática concisa de uma relação que expressa um princípio fundamental de alguma teoria, como a lei da gravitação universal de Newton.

Teoria e experimento

O astronauta e a Terra estão ambos em queda livre .

Os teóricos procuram desenvolver modelos matemáticos que concordem com os experimentos existentes e prevejam com sucesso resultados experimentais futuros, enquanto os experimentalistas planejam e realizam experimentos para testar previsões teóricas e explorar novos fenômenos. Embora teoria e experimento sejam desenvolvidos separadamente, eles afetam fortemente e dependem um do outro. O progresso na física frequentemente ocorre quando os resultados experimentais desafiam a explicação pelas teorias existentes, levando ao foco intenso na modelagem aplicável, e quando novas teorias geram previsões experimentalmente testáveis , que inspiram o desenvolvimento de novos experimentos (e muitas vezes equipamentos relacionados).

Os físicos que trabalham na interação entre teoria e experimento são chamados de fenomenólogos , que estudam fenômenos complexos observados em experimentos e trabalham para relacioná-los com uma teoria fundamental .

A física teórica inspirou-se historicamente na filosofia; o eletromagnetismo foi unificado dessa maneira. Além do universo conhecido, o campo da física teórica também lida com questões hipotéticas, como universos paralelos , um multiverso e dimensões superiores . Os teóricos invocam essas ideias na esperança de resolver problemas particulares com teorias existentes; eles então exploram as consequências dessas ideias e trabalham para fazer previsões testáveis.

A física experimental se expande e é expandida pela engenharia e tecnologia . Os físicos experimentais que estão envolvidos em pesquisa básica , projetam e realizam experimentos com equipamentos como aceleradores de partículas e lasers , enquanto os envolvidos em pesquisa aplicada geralmente trabalham na indústria, desenvolvendo tecnologias como ressonância magnética (MRI) e transistores . Feynman observou que os experimentalistas podem buscar áreas que não foram bem exploradas pelos teóricos.

Escopo e objetivos

A física envolve modelar o mundo natural com teoria, geralmente quantitativa. Aqui, o caminho de uma partícula é modelado com a matemática do cálculo para explicar seu comportamento: o escopo do ramo da física conhecido como mecânica .

A física abrange uma ampla gama de fenômenos , desde partículas elementares (como quarks, neutrinos e elétrons) até os maiores superaglomerados de galáxias. Incluídos nesses fenômenos estão os objetos mais básicos que compõem todas as outras coisas. Portanto, a física às vezes é chamada de "ciência fundamental". A física visa descrever os vários fenômenos que ocorrem na natureza em termos de fenômenos mais simples. Assim, a física visa conectar as coisas observáveis ​​​​pelos seres humanos às causas-raiz e, em seguida, conectar essas causas.

Por exemplo, os antigos chineses observaram que certas rochas ( magnetita e magnetita ) eram atraídas umas pelas outras por uma força invisível. Esse efeito foi mais tarde chamado de magnetismo, que foi rigorosamente estudado pela primeira vez no século XVII. Mas mesmo antes de os chineses descobrirem o magnetismo, os antigos gregos sabiam de outros objetos, como o âmbar , que quando esfregado com pele causaria uma atração invisível semelhante entre os dois. Isso também foi estudado rigorosamente pela primeira vez no século 17 e veio a ser chamado de eletricidade. Assim, a física passou a entender duas observações da natureza em termos de alguma causa raiz (eletricidade e magnetismo). No entanto, trabalhos posteriores no século 19 revelaram que essas duas forças eram apenas dois aspectos diferentes de uma força – o eletromagnetismo. Esse processo de forças "unificadoras" continua até hoje, e o eletromagnetismo e a força nuclear fraca são agora considerados dois aspectos da interação eletrofraca . A física espera encontrar uma razão final (teoria de tudo) para por que a natureza é como é (veja a seção Pesquisa atual abaixo para mais informações).

Campos de pesquisa

A pesquisa contemporânea em física pode ser amplamente dividida em física nuclear e física de partículas; física da matéria condensada ; física atômica, molecular e óptica ; astrofísica ; e física aplicada. Alguns departamentos de física também apóiam a pesquisa em educação física e a divulgação da física .

Desde o século 20, os campos individuais da física tornaram-se cada vez mais especializados, e hoje a maioria dos físicos trabalha em um único campo durante toda a sua carreira. "Universalistas" como Einstein (1879-1955) e Lev Landau (1908-1968), que trabalharam em vários campos da física, são agora muito raros.

Os principais campos da física, juntamente com seus subcampos e as teorias e conceitos que empregam, são mostrados na tabela a seguir.

Campo Subcampos Principais teorias Conceitos
Física nuclear e de partículas Física nuclear , Astrofísica nuclear , Física de partículas , Física de astropartículas , Fenomenologia da física de partículas Modelo Padrão , Teoria Quântica de Campos , Eletrodinâmica Quântica , Cromodinâmica Quântica , Teoria Eletrofraca , Teoria Efetiva de Campos , Teoria de Campos Reticulados , Teoria de Gauge , Supersimetria , Grande Teoria Unificada , Teoria das Supercordas , Teoria M , Correspondência AdS/CFT Interação fundamental ( gravitacional , eletromagnética , fraca , forte ), Partícula elementar , Spin , Antimatéria , Quebra espontânea de simetria , Oscilação de neutrinos , Mecanismo de gangorra , Brana , Corda , Gravidade quântica , Teoria de tudo , Energia do vácuo
Física atômica, molecular e óptica Física atômica , Física molecular , Astrofísica atômica e molecular , Física química , Óptica , Fotônica Óptica quântica , Química quântica , Ciência da informação quântica Fóton , Átomo , Molécula , Difração , Radiação eletromagnética , Laser , Polarização (ondas) , Linha espectral , Efeito Casimir
Física de matéria condensada Física do estado sólido , física de alta pressão , física de baixa temperatura , física de superfície , física de nanoescala e mesoscópica , física de polímeros Teoria BCS , Teorema de Bloch , Teoria do funcional da densidade , Gás de Fermi , Teoria do líquido de Fermi , Teoria dos muitos corpos , Mecânica estatística Fases ( gás , líquido , sólido ), condensado de Bose-Einstein , condução elétrica , Phonon , Magnetismo , Auto-organização , Semicondutor , supercondutor , superfluidez , Spin ,
Astrofísica Astronomia , Astrometria , Cosmologia , Física gravitacional , Astrofísica de alta energia , Astrofísica planetária , Física de plasma , Física solar , Física espacial , Astrofísica estelar Big Bang , Inflação cósmica , Relatividade geral , Lei da gravitação universal de Newton , Modelo Lambda-CDM , Magnetohidrodinâmica Buraco negro , radiação cósmica de fundo , corda cósmica , cosmos , energia escura , matéria escura , galáxia , gravidade , radiação gravitacional , singularidade gravitacional , planeta , sistema solar , estrela , supernova , universo
Física aplicada Física de aceleradores , Acústica , Agrofísica , Física atmosférica , Biofísica , Física química , Física da comunicação , Econofísica , Física de engenharia , Dinâmica dos fluidos , Geofísica , Física do laser , Física dos materiais , Física médica , Nanotecnologia , Óptica , Optoeletrônica , Fotônica , Fotovoltaica , Química física , Oceanografia física , Física da computação , Física de plasma , Dispositivos de estado sólido , Química quântica , Eletrônica quântica , Ciência da informação quântica , Dinâmica veicular

Nuclear e partícula

Um evento simulado no detector CMS do Large Hadron Collider , apresentando uma possível aparição do bóson de Higgs .

A física de partículas é o estudo dos constituintes elementares da matéria e da energia e as interações entre eles. Além disso, os físicos de partículas projetam e desenvolvem os aceleradores, detectores e programas de computador de alta energia necessários para esta pesquisa. O campo também é chamado de "física de alta energia" porque muitas partículas elementares não ocorrem naturalmente, mas são criadas apenas durante colisões de alta energia de outras partículas.

Atualmente, as interações de partículas elementares e campos são descritas pelo Modelo Padrão . O modelo considera as 12 partículas conhecidas de matéria ( quarks e léptons ) que interagem através das forças fundamentais forte , fraca e eletromagnética . A dinâmica é descrita em termos de partículas de matéria trocando bósons de calibre ( glúons , bósons W e Z e fótons , respectivamente). O Modelo Padrão também prevê uma partícula conhecida como bóson de Higgs. Em julho de 2012, o CERN, o laboratório europeu de física de partículas, anunciou a detecção de uma partícula consistente com o bóson de Higgs, parte integrante do mecanismo de Higgs .

A física nuclear é o campo da física que estuda os constituintes e as interações dos núcleos atômicos . As aplicações mais comumente conhecidas da física nuclear são geração de energia nuclear e tecnologia de armas nucleares , mas a pesquisa forneceu aplicação em muitos campos, incluindo aqueles em medicina nuclear e ressonância magnética, implantação de íons em engenharia de materiais e datação por radiocarbono em geologia e arqueologia . .

Atômica, molecular e óptica

A física atômica, molecular e óptica (AMO) é o estudo das interações matéria-matéria e luz-matéria na escala de átomos e moléculas individuais. As três áreas são agrupadas por causa de suas inter-relações, a semelhança dos métodos usados ​​e a semelhança de suas escalas de energia relevantes. Todas as três áreas incluem tratamentos clássicos, semiclássicos e quânticos ; eles podem tratar seu assunto de uma visão microscópica (em contraste com uma visão macroscópica).

A física atômica estuda as camadas eletrônicas dos átomos. A pesquisa atual se concentra em atividades de controle quântico, resfriamento e aprisionamento de átomos e íons, dinâmica de colisão de baixa temperatura e os efeitos da correlação eletrônica na estrutura e dinâmica. A física atômica é influenciada pelo núcleo (veja divisão hiperfina ), mas fenômenos intranucleares, como fissão e fusão , são considerados parte da física nuclear.

A física molecular se concentra em estruturas multiatômicas e suas interações internas e externas com a matéria e a luz. A física óptica é distinta da óptica, pois tende a se concentrar não no controle dos campos de luz clássicos por objetos macroscópicos, mas nas propriedades fundamentais dos campos ópticos e suas interações com a matéria no reino microscópico.

Matéria condensada

Dados de distribuição de velocidade de um gás de átomos de rubídio , confirmando a descoberta de uma nova fase da matéria, o condensado de Bose-Einstein

A física da matéria condensada é o campo da física que lida com as propriedades físicas macroscópicas da matéria. Em particular, está preocupado com as fases "condensadas" que aparecem sempre que o número de partículas em um sistema é extremamente grande e as interações entre elas são fortes.

Os exemplos mais familiares de fases condensadas são sólidos e líquidos , que surgem da ligação por meio da força eletromagnética entre os átomos. Fases condensadas mais exóticas incluem o superfluido e o condensado de Bose-Einstein encontrados em certos sistemas atômicos a temperaturas muito baixas, a fase supercondutora exibida por elétrons de condução em certos materiais e as fases ferromagnéticas e antiferromagnéticas de spins em redes atômicas .

A física da matéria condensada é o maior campo da física contemporânea. Historicamente, a física da matéria condensada surgiu da física do estado sólido, que agora é considerada um de seus principais subcampos. O termo física da matéria condensada foi aparentemente cunhado por Philip Anderson quando ele renomeou seu grupo de pesquisa - anteriormente teoria do estado sólido - em 1967. Em 1978, a Divisão de Física do Estado Sólido da Sociedade Americana de Física foi renomeada como Divisão de Física da Matéria Condensada . A física da matéria condensada tem uma grande sobreposição com a química, ciência dos materiais , nanotecnologia e engenharia.

Astrofísica

A imagem de luz visível mais profunda do universo , o Hubble Ultra-Deep Field

A astrofísica e a astronomia são a aplicação das teorias e métodos da física ao estudo da estrutura estelar , evolução estelar , origem do Sistema Solar e problemas relacionados à cosmologia . Como a astrofísica é um assunto amplo, os astrofísicos normalmente aplicam muitas disciplinas da física, incluindo mecânica, eletromagnetismo, mecânica estatística, termodinâmica, mecânica quântica, relatividade, física nuclear e de partículas e física atômica e molecular.

A descoberta por Karl Jansky em 1931 de que os sinais de rádio eram emitidos por corpos celestes deu início à ciência da radioastronomia . Mais recentemente, as fronteiras da astronomia foram expandidas pela exploração espacial. Perturbações e interferências da atmosfera da Terra tornam as observações baseadas no espaço necessárias para a astronomia infravermelha , ultravioleta , raios gama e raios X.

A cosmologia física é o estudo da formação e evolução do universo em suas maiores escalas. A teoria da relatividade de Albert Einstein desempenha um papel central em todas as teorias cosmológicas modernas. No início do século 20, a descoberta de Hubble de que o universo está se expandindo, como mostrado pelo diagrama de Hubble , levou a explicações rivais conhecidas como universo de estado estacionário e Big Bang .

O Big Bang foi confirmado pelo sucesso da nucleossíntese do Big Bang e pela descoberta da radiação cósmica de fundo em 1964. O modelo do Big Bang repousa sobre dois pilares teóricos: a relatividade geral de Albert Einstein e o princípio cosmológico . Os cosmólogos estabeleceram recentemente o modelo ΛCDM da evolução do universo, que inclui inflação cósmica , energia escura e matéria escura .

Inúmeras possibilidades e descobertas devem surgir a partir de novos dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi na próxima década e revisar ou esclarecer amplamente os modelos existentes do universo. Em particular, o potencial para uma tremenda descoberta em torno da matéria escura é possível nos próximos anos. O Fermi procurará evidências de que a matéria escura é composta de partículas massivas de interação fraca , complementando experimentos semelhantes com o Grande Colisor de Hádrons e outros detectores subterrâneos.

O IBEX já está produzindo novas descobertas astrofísicas : "Ninguém sabe o que está criando a fita ENA (átomos neutros energéticos) " ao longo do choque de terminação do vento solar , "mas todos concordam que isso significa a imagem de livro didático da heliosfera - na qual o A bolsa envolvente do Sistema Solar cheia de partículas carregadas do vento solar está atravessando o 'vento galáctico' do meio interestelar na forma de um cometa - está errado."

Pesquisa atual

Um fenômeno típico descrito pela física: um ímã levitando sobre um supercondutor demonstra o efeito Meissner .

A pesquisa em física está progredindo continuamente em um grande número de frentes.

Na física da matéria condensada, um importante problema teórico não resolvido é o da supercondutividade de alta temperatura . Muitos experimentos de matéria condensada visam fabricar spintrônica e computadores quânticos viáveis .

Na física de partículas, as primeiras evidências experimentais para a física além do Modelo Padrão começaram a aparecer. A principal delas são as indicações de que os neutrinos têm massa diferente de zero . Esses resultados experimentais parecem ter resolvido o problema de longa data dos neutrinos solares , e a física dos neutrinos massivos continua sendo uma área de pesquisa teórica e experimental ativa. O Grande Colisor de Hádrons já encontrou o bóson de Higgs, mas pesquisas futuras visam provar ou refutar a supersimetria, que estende o Modelo Padrão da física de partículas. Pesquisas sobre a natureza dos principais mistérios da matéria escura e da energia escura também estão em andamento.

Embora muito progresso tenha sido feito na física de alta energia, quântica e astronômica, muitos fenômenos cotidianos envolvendo complexidade , caos ou turbulência ainda são pouco compreendidos. Problemas complexos que parecem poder ser resolvidos por uma aplicação inteligente de dinâmica e mecânica permanecem sem solução; exemplos incluem a formação de pilhas de areia, nós em água corrente, a forma de gotículas de água, mecanismos de catástrofes de tensão superficial e auto-classificação em coleções heterogêneas agitadas.

Esses fenômenos complexos têm recebido atenção crescente desde a década de 1970 por várias razões, incluindo a disponibilidade de métodos matemáticos modernos e computadores, que permitiram que sistemas complexos fossem modelados de novas maneiras. A física complexa tornou-se parte da pesquisa cada vez mais interdisciplinar , como exemplificado pelo estudo da turbulência na aerodinâmica e a observação da formação de padrões em sistemas biológicos. Na Revisão Anual da Mecânica dos Fluidos de 1932 , Horace Lamb disse:

Eu sou um homem velho agora, e quando eu morrer e for para o céu, há dois assuntos sobre os quais espero esclarecimento. Uma é a eletrodinâmica quântica e a outra é o movimento turbulento dos fluidos. E sobre o primeiro estou bastante otimista.

Veja também

Notas

Referências

Fontes

links externos