Física contemporânea: campo de estudo, ramos e aplicações - Ciência - 2023

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o física contemporânea É o que se desenvolve na contemporaneidade, desde a Revolução Francesa até a atualidade, ou seja, do século XVIII até a atualidade. Dessa forma, a física moderna e as teorias mais recentes sobre partículas e cosmologia são consideradas parte da física contemporânea.

As conhecidas leis da mecânica e da gravitação universal de Isaac Newton, bem como as leis do movimento planetário formuladas por Johannes Kepler, são consideradas parte da física clássica, uma vez que datam do século XVII e não fazem parte da física contemporânea.

Campo de estudo

Formalmente, o estudo da Física inclui fenômenos naturais, como a mudança no estado de movimento dos corpos, as propriedades características da matéria, seus componentes fundamentais e as interações entre eles.

Claro, desde que essas mudanças não envolvam a formação de novas substâncias ou processos biológicos. Essa definição é válida tanto para a física clássica quanto para a contemporânea.

Agora vamos nos concentrar nas principais descobertas e teorias físicas desenvolvidas desde a Revolução Francesa até os dias atuais, brevemente e em ordem mais ou menos cronológica:

Séculos 18 e 19

-A eletricidade foi redescoberta e o modelo eletrostático de força, magnetismo e teoria eletromagnética foram criados.

-Surgiram os conceitos de energia potencial e energia cinética, assim como o campo.

-As leis de conservação de energia, matéria e carga elétrica foram estabelecidas.

-A teoria ondulatória da luz apareceu e pela primeira vez houve uma medição precisa da velocidade da luz. As interações da luz com os campos elétricos e magnéticos também foram estudadas.

-Com a Revolução Industrial, ocorreu o surgimento da Termodinâmica. Foi enunciada a segunda lei da termodinâmica e posteriormente o conceito de entropia, também a teoria cinética dos gases, a mecânica estatística e a equação de Boltzmann.

- Foi descoberta a lei da radiação dos corpos (lei de Stefan) e a lei do deslocamento do comprimento de onda emitido por um corpo quente em função da sua temperatura (lei de Wien).

-As ondas eletromagnéticas surgem, teoricamente previstas, além dos raios X, da radioatividade natural e do elétron, tudo isso no final do século XIX.

Física moderna até a primeira metade do século 20

Nessa época, as teorias clássicas passavam por um período de crise, já que muitos dos fenômenos descobertos no século 19 não podiam ser explicados com essas teorias. Por isso foi necessário desenvolver uma nova física, conhecida como a física moderna, que inclui fundamentalmente a mecânica quântica e a teoria da relatividade.

Principais áreas de desenvolvimento da Física contemporânea

A física moderna começou em 1900 com a descoberta do lei de radiação de corpo negro de Max Planck, em que o conceito de quanta energia na interação da radiação com a matéria.

Modelos atômicos

Nesse período, foram desenvolvidos modelos atômicos nos quais o átomo parece ser composto de partículas menores do que o próprio átomo. Estes são elétrons, prótons e nêutrons.

No início do século 20, Ernest Rutherford descobriu o núcleo atômico e desenvolveu um modelo atômico com um núcleo central positivo e massivo, rodeado por partículas de luz com carga negativa. Porém. este modelo foi deixado de lado em pouco tempo, em favor de modelos mais ajustados às novas descobertas.

O fóton

Albert Einstein propôs em 1905 que os quanta luminosos, chamados fótons,eles eram a única maneira de explicar o efeito fotoelétrico. Um fóton é o menor feixe de energia luminosa, que depende de sua frequência.

Teorias da Relatividade e Unificação

A teoria da relatividade especial, a criação mais conhecida de Einstein, afirma que o tempo e a massa são quantidades físicas que dependem do referencial.

Desta forma, foi necessário implementar correções relativísticas às leis clássicas do movimento.

Por outro lado, a teoria geral da relatividade de Albert Einstein estabelece que a gravidade não é uma força, mas uma consequência da curvatura do espaço-tempo, produzida por corpos com massa como o Sol e os planetas. Isso explicaria a precessão do periélio de Mercúrio e prevê a curvatura da luz.

A curvatura da luz por um corpo maciço como o Sol foi comprovada sem sombra de dúvida. Esse fenômeno é o que produz as lentes gravitacionais.

Assim, os cientistas começaram a pensar em teorias de unificação, nas quais a gravidade e o eletromagnetismo são manifestações de espaços distorcidos de mais de quatro dimensões, como a teoria de Kaluza-Klein.

Cosmologia

A possibilidade teórica de um universo em expansão surgiu então, graças aos trabalhos de Alexander Friedman baseados na teoria geral da relatividade, fato que foi confirmado posteriormente.

Os buracos negros apareceram como soluções para as equações de Einstein. O físico hindu Chandrasekhar estabeleceu o limite para o colapso estelar gerar um buraco negro.

Uma descoberta importante foi o efeito Compton, que estabelece que os fótons, apesar de não terem massa, possuem momento proporcional ao inverso de seu comprimento de onda. A constante de proporcionalidade é Constante de Planck.

Mecânica quântica

Com o advento da mecânica quântica, a dualidade onda-partícula também é estabelecida. A teoria previa a existência de antimatéria, que de fato foi descoberta. O nêutron também apareceu e com ele um novo modelo atômico: o modelo da mecânica quântica.

Uma contribuição importante é a de girar, uma propriedade das partículas subatômicas capaz, entre outras coisas, de explicar os efeitos magnéticos.

Física nuclear

Este ramo da física contemporânea surge quando os processos nucleares de fissão e fusão são descobertos. O primeiro levou à bomba atômica e à energia nuclear, o segundo explica a produção de energia pelas estrelas, mas também levou à bomba H.

Na busca por fusão nuclear controlada, descobriu-se que o próton e o nêutron possuem estruturas internas: quarks, constituintes fundamentais de prótons e nêutrons.

Desde então, quarks e elétrons foram considerados partículas fundamentais, mas novas partículas fundamentais também surgiram: o múon, o píon, o tau leptão e os neutrinos.

Descobertas importantes

A primeira metade do século 20 culmina com importantes contribuições da física contemporânea:

-Supercondutividade e superfluidez

-O maser e o laser.

-Ressonância magnética dos núcleos atômicos, descoberta que dá origem aos sistemas diagnósticos não invasivos de hoje.

-Grandes desenvolvimentos teóricos como eletrodinâmica quântica e diagramas de Feynman para explicar as interações fundamentais.

A física dos nossos tempos (segunda metade do século 20)

Teoria BCS

Esta teoria explica a supercondutividade, que afirma que os elétrons, que são partículas fermiônica, interagem com a rede cristalina de tal forma que pares eletrônicos são formados com comportamento de bóson.

Teorema de Bell

Isso dá origem ao conceito de emaranhamento quântico e suas possíveis aplicações em computação quântica. Além disso, são propostos teletransporte quântico e criptografia quântica, dos quais as primeiras implementações experimentais já foram realizadas.

O modelo padrão

A descoberta de quarks foi seguida pela criação de modelo padrão de partículas elementais, com mais dois membros: os bósons W e Z.

Matéria escura

Foram observadas anomalias na velocidade de rotação das estrelas ao redor do centro das galáxias, então Vera Rubin propõe a existência de matéria escura como uma possível explicação.

Aliás, há evidências importantes da matéria escura, devido à descoberta de lentes gravitacionais sem massa visível que explica a curvatura da luz.

Outra importante área de estudo é a entropia do buraco negro e a radiação Hawking.

A expansão acelerada do universo também foi confirmada e acredita-se que a energia escura seja a responsável.

Física hoje

O neutrino Tau

O século 21 começou com a produção experimental de um plasma quark-gluon e a descoberta do neutrino Tau.

A radiação cósmica de fundo

Observações precisas da radiação cósmica de fundo também foram feitas, lançando luz sobre as primeiras teorias de formação do universo.

O bóson de Higgs

Uma descoberta muito discutida é a do bóson de Higgs, a partícula responsável pela massa das diferentes partículas fundamentais, sustentando o modelo padrão de partículas.

Ondas gravitacionais

Detectadas em 2015, as ondas gravitacionais foram previstas na primeira metade do século 20 por Albert Einstein. Eles são o resultado da colisão entre dois buracos negros supermassivos.

A primeira imagem de um buraco negro

Em 2019, foi obtida pela primeira vez a imagem de um buraco negro, mais uma das previsões da teoria da relatividade.

Ramos da física contemporânea atual

Entre os ramos da física contemporânea atual estão:

1.- Física de partículas

2.- Física do Plasma

3.- Computação quântica e fotônica

4.- Astrofísica e cosmologia

5.- Geofísica e biofísica.

6.- Física atômica e nuclear

7.- Física da matéria condensada

Desafios e aplicações da física atual

As disciplinas de física atualmente consideradas abertas e em pleno desenvolvimento são:

-A física de sistemas complexos, teorias do caos e fractais.

- Sistemas dinâmicos não lineares. Desenvolvimento de novas técnicas e modelos que conduzam à solução de tais sistemas. Entre suas aplicações está uma melhor previsão do tempo.

-Teorias de unificação como as teorias das cordas e a teoria M. Desenvolvimento da gravidade quântica.

-A física dos fluidos e plasmas em regime turbulento, que pode ser aplicada no desenvolvimento da fusão nuclear controlada.

-Teorias sobre a origem da matéria escura e da energia escura. Se esses fenômenos fossem compreendidos, talvez a navegação espacial pudesse ser desenvolvida, por meio da antigravidade e da construção de motores WARP.

-A supercondutividade em alta temperatura, aplicável na criação de sistemas de transporte mais eficientes.

Referências

Feynman, R.P.; Leighton, R.B.; Sands, M. (1963). The Feynman Lectures on Physics. ISBN 978-0-201-02116-5.
Feynman, R.P. (1965). O caráter da lei física. ISBN 978-0-262-56003-0.
Godfrey-Smith, P. (2003). Teoria e realidade: uma introdução à filosofia da ciência.
Gribbin, J.R.; Gribbin, M.; Gribbin, J. (1998). Q é para Quantum: An Encyclopedia of Particle Physics. Imprensa livre ..
Wikipedia. Física. Recuperado de: en.wikipedia.com