O século XX é comumente chamado de
“o século fantástico” por conta das inúmeras descobertas
realizadas pela Física neste período. Não é exagero
algum dizer que o período marca uma verdadeira revolução
na maneira como a Física lidava com suas leis e teorias,
sobretudo com a Física de Partículas.
A primeira grande descoberta do
século XX acontece logo em 1900, quando o físico alemão
Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 - 1947), estudava a
radiação de corpo negro como parte de seu trabalho de
doutorado, e ao se deparar com resultados inesperados,
em que afirma que, ao contrário do que sempre se pensou,
a energia das partículas era trocada em pacotes
quantizados, cujos valores eram sempre números inteiros.
Mesmo com a desconfiança de muitos cientistas – e do
próprio Planck – a respeito dos resultados e da
possibilidade de a energia ser não ser contínua, os
resultados posteriores mostraram que Planck estava
correto. Estava criada a Física Quântica. |
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Representação
do modelo atômico de Thomson, de 1904. - EDUCAR -
USP |
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Quatro anos após a
descoberta de Planck, em 1904, o físico inglês
Joseph John Thomson (1856 – 1940) formulou a teoria
segundo a qual a matéria, independente de suas
propriedades, contém partículas de massa muito
menores que o átomo do hidrogênio. Inicialmente
denominou-as de corpúsculos, depois conhecidas como
elétrons. A demonstração se deu ao comprovar a
existência daqueles corpúsculos nos raios catódicos
disparados na ampola de crookes (um tubo que
continha vácuo), depois da passagem da corrente
elétrica. Através de suas experiências, Thomson
concluiu que a matéria era formada por um modelo
atômico diferente do modelo atômico de Dalton (que
previa que o átomo era indivisível): uma esfera de
carga positiva continha corpúsculos (elétrons) de
carga negativa distribuída uniformemente. Este
modelo ficou conhecido como “pudim de passas”. |
Annus Mirabilis
Mas é em 1905 que a Física é novamente
revolucionada, tal qual foi na época de Isaac
Newton. O físico alemão Albert Einstein (1879 –
1955) publica uma dois artigos que mudam
completamente a forma como a ciência lidava com
partículas que se movimentam a altas
velocidades, assim como auxilia na explicação de
fenômenos de natureza quântica, como o efeito
fotoelétrico. |
| O
primeiro deles, “On the Electrodynamics of Moving
Bodies" , propôs a ideia dos "quanta de luz" (os
fótons) e mostrou como é que poderiam ser utilizados
para explicar fenômenos como o efeito fotoelétrico,
que é a emissão de elétrons por um material,
geralmente metálico, quando exposto a uma radiação
eletromagnética (como a luz) de frequência
suficientemente alta, que depende do material. Ele
pode ser observado quando a luz incide numa placa de
metal, literalmente arrancando elétrons da placa.
Observado a primeira vez por Heinrich Hertz em 1887.
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O efeito fotoelétrico,
observado por Hertz e explicado por Einstein em
1905. |
O segundo dos quatro
artigos de Einstein publicado em 1905 é "On the
Motion—Required by the Molecular Kinetic Theory
of Heat—of Small Particles Suspended in a
Stationary Liquid", que fala a respeito do
movimento browniano, que constitui uma evidência
experimental da existência dos átomos. Antes
deste artigo, os átomos eram considerados um
conceito útil, mas sua existência concreta era
controversa. Einstein relacionou as grandezas
estatísticas do movimento browniano com o
comportamento dos átomos e deu aos
experimentalistas um método de contagem dos
átomos através de um microscópio vulgar.
O terceiro artigo é a descrição da Teoria da
Relatividade restrita, chamado de: “On the
Electrodynamics of Moving Bodies". Nele,
Einstein estabeleceu uma relação entre os
conceitos de tempo e distância. Algumas das
ideias matemáticas já haviam sido introduzidas
um ano antes pelo físico neerlandês Hendrik
Lorentz, mas Einstein mostrou como era possível
entender esses conceitos. O seu trabalho
baseou-se em dois axiomas: um foi a ideia de
Galileu de que as leis da natureza são as mesmas
para todos os observadores que se movem a uma
velocidade constante relativamente uns aos
outros; o outro, a ideia de que a velocidade da
luz é a mesma para todos os observadores. A
relatividade restrita tem algumas consequências
importantes, já que são rejeitados conceitos
absolutos de tempo e tamanho.
O último dos artigos do Annus Mirabilis, “Does
the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy
Content?", é uma extensão do terceiro. Einstein
introduz o conceito de massa inercial, além de
deduzir a conhecida relação entre massa e
energia: E = mc2. Esta equação esteve na base de
construção de bombas nucleares; mais tarde, a
ideia serviu para explicar como é que o Big
Bang, uma explosão de energia, poderia ter dado
origem à matéria.
O átomo
A busca por um modelo atômico que explicasse
diversas propriedades da matéria também foi uma
busca constante no século XX. Após a introdução
do modelo atômico de Thomson, no qual partículas
negativas estavam imersas em uma região de
partículas positivas, tal qual passas em um
pudim (daí o apelido do modelo), o modelo
atômico necessitava de algumas correções.
Em 1911, Ernest Rutherford deduziu a partir do
experimento de deflexão a existência de um
compacto núcleo atômico, com cargas
positivamente carregadas, denominado prótons.
Então, o átomo deveria ser composto por regiões
distintas, diferentemente do que Thomson propôs
alguns anos antes.
Este modelo foi muito bem aceito pela ciência.
Entretanto, este modelo não conseguia explicar
uma previsão teórica a respeito dos elétrons: se
eles emitem constantemente radiação, eles
deveriam perder e energia; com esta perda, eles
deveriam cair no núcleo atômico. De fato, a
ideia de que os elétrons estariam “condenados a
cair” no núcleo do átomo, onde estavam os
prótons, estava errada, mas a explicação só veio
algum tempo depois, graças a Niels Bohr. |
O modelo
atômico proposto por Bohr, onde os elétrons orbitam
ao redor do núcleo, onde se encontram os prótons. |
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Em 1920, nomeado diretor
do Instituto de Física Teórica, Bohr e após ter
trabalhado por dois anos com Ernest Rutherford
acabou desenvolvendo um modelo atômico que unificava
a teoria atômica de Rutherford e a teoria da
mecânica quântica de Max Planck.
Sua teoria consistia que ao girar em torno de um
núcleo central, os elétrons deveriam girar em
órbitas específicas com níveis energéticos bem
definidos. Que poderia haver a emissão ou absorção
de pacotes discretos de energia chamados de quanta
ao mudar de órbita. |
Realizando estudos
nos elementos químicos com mais de dois
elétrons, concluiu que se tratava de uma
organização bem definida em orbitais. Descobriu
ainda que as propriedades químicas dos elementos
eram determinadas pelo orbital mais externa.
Assim, chegou-se ao modelo atômico aceito
atualmente.
Algumas partículas que compõem o átomo foram
descobertas mais tarde. Por exemplo, os
nêutrons, o constituinte neutro do núcleo, foram
descobertos em 1932 por James Chadwick.
Mais teoria quântica
Em 1925, Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger
formularam a mecânica quântica, a qual
esclarecia a teoria quântica precedente de Max
Planck e Albert Einstein. Na mecânica quântica,
os resultados dos experimentos físicos eram de
origem probabilística. A teoria descreve o
calculo destas probabilidades. Ela foi bem
sucedida em descrever o comportamento da matéria
em escala reduzida.
Durante a Segunda Guerra Mundial
Algumas descobertas físicas no período antes da
Segunda Guerra Mundial (1939 – 1945) foram muito
importantes, principalmente na compreensão da
Cosmologia, Eletromagnetismo e Física de
Partículas.
Por volta de 1940, pesquisadores como George
Gamov propuseram a teoria do Big Bang, para a
qual foram descobertas evidências em 1964;
Enrico Fermi e Fred Hoyle estavam entre os que
duvidavam entre 1940 e 1950. Hoyle havia
denominado a teoria de Gamov Big Bang de forma a
ridicularizá-la. No presente, ela é um dos
principais resultados da cosmologia.
Mas com a II Guerra Mundial, a Física foi
utilizada para desenvolver armas e equipamentos
de defesa. Surge então, a Internet (como meio de
comunicação entre as tropas americanas), o botox
(como material que seria utilizado para
desenvolver fardas à prova de balas), os
primeiros trabalhos para a criação do GPS e de
satélites de comunicação. Mas, talvez o grande
desenvolvimento que a Segunda Guerra trouxe foi
a grande expansão da Física Nuclear,
possibilitando a criação de equipamentos médicos
para o tratamento de diversas doenças, e
melhoria de materiais e, principalmente, a
criação e a utilização da bomba atômica pelo
exército dos Estados Unidos.
O desenvolvimento da bomba atômica (termo não
adequado para esta bomba) se deve, em grande
parte, a contratação de diversos físicos
notórios de várias partes do mundo; entre eles,
Albert Einstein. Einstein participou dos
primeiros testes com a bomba no Novo México, mas
não teria ideia da destruição humana que a bomba
causaria quando utilizada. Dizem alguns
historiadores que Einstein não sabia que a bomba
seria utilizada no combate. Mas, a bomba foi
utilizada no Japão, nas cidades de Hiroshima e
Nagasaki, causando uma destruição sem
precedentes na história humana.
A Física pós-guerra e os dias atuais
A Física no período pós-guerra entrou em uma
fase que os historiadores têm chamado de "grande
ciência", requerendo enormes maquinas,
construções, e laboratórios de forma a testar
suas teorias e avançar para novas fronteiras. O
financiador principal da física tornou-se o
governo, que reconheceu que o suporte a pesquisa
"básica" poderia frequentemente levar a
tecnologias úteis tanto para aplicações
militares como industriais.
A eletrodinâmica quântica, a qual descreve a
interação eletromagnética, formulada com o
objetivo de estender a mecânica quântica de
forma a se tornar consistente com a relatividade
restrita por Dirac em 1928. A partir desta a
teoria do campo quântico obtém a sua forma
moderna no final de 1940 com o trabalho de
Richard Feynman, Julian Schwinger, Sin-Itiro
Tomonaga, e Freeman Dyson.
A teoria do campo quântico proveu um arcabouço
para a física de partículas moderna, a qual
estuda forças fundamentais e partículas
elementares. Em 1954 Yang Chen Ning e Robert
Mills desenvolveram uma classe de teoria de
gauge, a qual serviu de base para o modelo
padrão. O modelo padrão, completado em 1970,
descreve com sucesso a maior parte das
partículas observadas até nossos dias.
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