Física Moderna

A Física Moderna se refere, geralmente, a um conjunto de teorias desenvolvidas nas primeiras décadas do século XX. Dentre essas teorias estão a Física Quântica e a Teoria da Relatividade. Entre os principais cientistas desse período estão: Marie Curie, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Max Planck, entre outros.

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Física moderna: uma história através do tempo

Ao fim do século XIX, alguns físicos acreditavam que a Física já estava acabada e que existiam pequenos problemas a serem resolvidos. Até aquela época, diversas áreas da Física já estavam consolidadas, por exemplo: a mecânica newtoniana, a óptica, a termodinâmica, a eletricidade e o magnetismo.

Além disso, a tecnologia também havia avançado bastante no fim do século XIX. Os submarinos já eram usados em guerras. Os balões dirigíveis pareciam um meio de transporte muito promissor e seguro. A fotografia e o cinema se desenvolviam rapidamente. Entre diversas outros avanços, os primeiros automóveis movidos a vapor também surgiram.

No ano de 1900, alguns físicos acreditavam que a Física havia atingido o seu maior avanço e, consequentemente, estaria completa. Ou seja, não haveria mais motivos para pesquisar. Um desses cientistas era Lord Kelvin, que, em uma conferência, chegou a recomendar que os jovens não se dedicassem à Física porque só faltavam poucos detalhes a serem acertados. Kelvin se referiu a esses detalhes como “duas pequenas nuvens no horizonte da Física”.

As “pequenas nuvens” as quais Kelvin se referia eram: a não detecção do éter no Experimento de Michelson-Morley e a dificuldade de explicar a distribuição de energia da Radiação de Corpo Negro. As tentativas de explicar as duas “nuvenzinhas” que Kelvin citou deram origem à Teoria da Relatividade e à Física Quântica, respectivamente.

Além disso, diversos novos fenômenos foram observados pela primeira vez ao fim do século XIX, como exemplo: a detecção dos raios X, a descoberta dos raios catódicos, a descoberta do elétron, a descoberta da radioatividade por Marie Curie, entre outros fenômenos.

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A partir do que era chamado do “fim da Física”, diversas novas áreas acabaram surgindo e um novo período da História da Física se iniciou: a Física Moderna.

Importância da Física Moderna

A Física Moderna marcou a Ciência no início do século XX porque, com ela, diversos avanços tecnológicos foram possíveis. Na tecnologia, com o entendimento da Física Moderna foi possível construir computadores e smartphones, desenvolver a transmissão de dados à longa distância.

Por exemplo, o efeito fotoelétrico, que é um dos pilares da Física Moderna, está muito presente em nosso cotidiano, mesmo que as pessoas nem percebam: em leitores de códigos de barras, controle remoto da televisão, iluminação pública, portas automáticas, painéis de energia solar, entre outras aplicações.

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Principais marcos e contribuições

Além das aplicações da Física Moderna no dia a dia do ser humano que foram citadas anteriormente, alguns marcos podem ser destacados porque são considerados o núcleo duro da Física Moderna:

• Teoria atômica e o modelo atômico de Niels Bohr;
• Radiação de Corpo Negro;
• Efeito fotoelétrico;
• Dualidade onda-partícula;
• Entre outros.

Principais físicos modernos

• Marie Curie (1867-1934);
• Albert Einstein (1879-1955);
• Max Planck (1858-1947);
• Niels Bohr (1885-1962);
• Erwin Schrödinger (1887-1961);
• Werner Heisenberg (1901-1976);
• Louis de Broglie (1892-1987);
• entre outros.

Áreas de estudos

A Física Moderna é um conjunto de teorias e áreas de estudo da Física que surgiram a partir do início do século XX, juntamente com o surgimento da Teoria da Relatividade e da Física Quântica. Atualmente, os estudos relacionados à Física Moderna e Contemporânea estão em todas as áreas da Física. Alguns dos diretamente derivados da Teoria da Relatividade e da Mecânica Quântica são:

• Teoria Relatividade: teoria postulada originalmente por Hendrik Lorentz e, posteriormente, Albert Einstein. Estuda o movimento de objetos e entes físicos que viajam próximos à velocidade da luz.
• Física Quântica: estuda os fenômenos físicos em escalas abaixo da escala atômica.
• Física de partículas: estuda as partículas elementares da matéria e da radiação. Também estuda a interação mútua entre essas partículas e suas aplicações.
• Física Computacional: une os conhecimentos da Física e da Ciência da Computação para resolver problemas de sistemas físicos.
• Mecânica Estatística: ramo da Física que usa conceitos de probabilidade e de física para compreender sistemas macroscópicos compostos por um número de entidades muito grande

Além dessas áreas citadas, os conceitos originários com o surgimento da Física Moderna estão presentes em diversas outras áreas da Física consideradas “Física Clássica”. Por exemplo: usar os conhecimentos da Física Moderna para compreender o comportamento de galáxias.

Principais teorias

As teorias da Física Moderna podem exigir uma compreensão matemática muito avançada, porém algumas delas podem ser entendidos a partir de equações mais simples.

Radiação de Corpo Negro

Na física, um Corpo Negro é um objeto hipotético que absorve toda a radiação eletromagnética que incide sobre ele. Max Planck, ao tentar explicar a distribuição de energia em um corpo negro, como na imagem, supôs que a energia era distribuida em pacotes discretos. Ou seja, a energia teria apenas valores inteiros e não qualquer valor. A partir daí, Planck chegou à equação da radiação de corpo negro:

Em que:

• ΔE: é o intervalo entre os valores possíveis de energia (J)
• h: é a Constante de Planck e vale 6,26 x 10^-34Js.
• v: é a frequência de oscilação da radiação (Hz).

Efeito Fotoelétrico

Quando um material, geralmente, metálico, é exposto a uma radiação eletromagnética com uma frequência suficientemente alta, ele passa a liberar elétrons. Os elétrons que são ejetados do metal são chamados de fotoelétrons. Dessa forma, o efeito fotoelétrico explica como a luz em alta frequência pode liberar elétrons de certos materiais. Matematicamente:

Em que:

• h: é a Constante de Planck e vale 6,26 x 10^-34Js.
• f: frequência da luz incidente (Hz).
• ϕ: é a energia mínima para remover o elétron do átomo (J).
• E_cMax: é a energia cinética máxima dos elétrons ejetados (J).

Dualidade onda-partícula

Após séculos de debate sobre a natureza da luz ser ondulatória ou corpuscular, a Física Moderna postulou que entes físicos subatômicos (como elétrons, fótons e afins) podem se comportar tanto como onda quanto como partícula. Em 1924, Louis de Broglie chegou à primeira definição da dualidade onda-partícula. De Broglie chegou à conclusão que elétrons apresentariam características corpusculares ou ondulatórias, dependendo do experimento realizado.

Princípio da Incerteza

É um enunciado da Mecânica Quântica proposto por Werner Heisenberg. Esse princípio estabelece um grau de precisão em que certas propriedades da matéria podem ser conhecidos. Heisenberg propôs que quanto menor for a incerteza na posição da partícula, maior será a incerteza em seu momento linear (relação entre massa e velocidade) e vice-versa.

Relatividade restrita

Também conhecida como Teoria da Relatividade Especial, essa teoria tem como autor original o físico Hendrik Lorentz, porém sua versão mais conhecida é a que foi adaptada por Albert Einstein. Ela descreve o movimento das partículas em velocidades próximas à da luz. Sua equação é uma das mais conhecidas da física moderna:

Em que:

• E: é a energia da partícula (J)
• m: é a massa da partícula (kg)
• c: é a velocidade da luz, que é uma constante e vale 3 x 10⁸m/s.

Além dessas teorias, existem diversas outras que requerem um maior conhecimento matemático. Por exemplo: a Função de Onda de Schrödinger.

5 curiosidades sobre Física Moderna

Existem diversos acontecimentos e conceitos da Física Moderna que parecem estranhos, mas, na verdade, são muito interessantes. Por exemplo:

• A física moderna surgiu em uma época que alguns físicos consideravam que a Física já estava terminada e que haviam apenas dois pequenos problemas a serem resolvidos. A solução desses problemas deu origem à Mecânica Quântica e à Teoria da Relatividade de Einstein, que são os pilares da Física Moderna.
• Ao contrário de que muita gente acredita, Albert Einstein não recebeu o Prêmio Nobel de Física devido aos seus estudos na Teoria da Relatividade. Ele foi laureado com o prêmio devido a sua explicação teórica do efeito fotoelétrico.
• O Paradoxo dos Gêmeos é um experimento mental proposto por Paul Langevin, em resposta à Teoria da Relatividade de Einstein. Nesse paradoxo, dois irmãos gêmeos seriam separados. Um ficaria na Terra e o outro faria uma viagem de longa duração em uma velocidade muito próxima à da luz. Após o retorno à Terra, devido à dilatação do tempo proposta na teoria de Einstein, o gêmeo que ficou na Terra teria envelhecido mais do que o irmão que foi viajar. Esse paradoxo é explorado no filme Interestelar, de 2014.
• O Emaranhamento Quântico é um fenômeno proposto pela Física Quântica que diz que dois (ou mais) objetos estejam tão ligados que não é possível descrever um sem que a outra parte seja mencionada. Isso pode acontecer mesmo que os objetos estejam fisicamente separados. O Emaranhamento Quântico é a base para o funcionamento dos computadores quânticos.
• Outra base da Computação Quântica são as Caminhadas Quânticas. Elas são uma ferramenta para construção de algoritmos para computadores quânticos. As Caminhadas Quânticas são superposições de posições de probabilidades sobre o ente físico que está caminhando.

A Física Moderna, apesar de ter mais de 100 anos de idade, ainda possui diversos campos a serem explorados. Nossa sociedade e tecnologia avançam devido aos conceitos da Física Moderna e de outras áreas do conhecimento.

Vídeos sobre Física Moderna

Agora que já aprendemos um pouco mais sobre a Física Moderna, veja os vídeos que selecionamos para você:

Como a Física Quântica surgiu?

Nesse vídeo, Henrique Sobrinho Ghizoni, doutorando em Física Quântica pela Universidade Federal do Paraná, fala como um dos pilares da Física Moderna surgiu, a Física Quântica. No vídeo, ele fala sobre como Max Planck contribuiu para o surgimento da Física Moderna na tentativa de explicar a distribuição de energia em um Corpo Negro.

Introdução à Relatividade Restrita

O professor Douglas dá uma aula introdutória sobre os conceitos da Teoria da Relatividade Restrita. Na aula, ele apresenta os problemas com a mecânica clássica que levaram ao desenvolvimento da Teoria da Relatividade.

Emissão de Radiação de um Corpo Negro

Os professores Gil Marques e Claudio Furukawa mostram experimentalmente como a temperatura e a emissão de radiação de um corpo pode variar conforme ele é exposto a outra forma de radiação eletromagnética.

A Física Moderna é parte fundamental do avanço tecnológico alcançado pela nossa sociedade atual. Além disso, constitui um grande conjunto de teorias físicas que devem ser estudadas a fundo. Por exemplo, o estudo do Efeito fotoelétrico

Referências