Física
Mundo Invisível - Simulação da colisão de dois prótons no super-acelerador de partículas
LHC
É a ciência que se ocupa de estudar causas e consequências de fenômenos naturais, tais como a interação entre matéria e energia. Em seus primórdios, na Antiguidade, filósofos como Aristóteles montam raciocínios lógicos fundamentalmente a partir do movimento dos corpos e das forças que provocaram esses movimentos. É só a partir do século XVII que a física assume um caráter quantitativo, baseando-se em cálculos e medidas. Nos séculos XIX e XX, o avanço dos instrumentos de observação e mensuração leva os físicos a desvendar alguns dos segredos do mundo invisível da radiação e das partículas fundamentais da matéria, como quarks e elétrons. Essa é a grande era da física, em que brilham nomes como James Clerk Maxwell, que unifica eletricidade e magnetismo em uma mesma força, o casal Marie e Pierre Curie, que estuda a radioatividade, e o físico alemão Albert Einstein, pai da famosa teoria da relatividade.
Por um lado, a física experimental atual, com seus potentes instrumentos, revela novos comportamentos da matéria e da energia. Por outro, as extrapolações matemáticas de teorias já existentes levantam novas hipóteses, que por vezes levam anos para ser comprovadas. Foi o que ocorreu, por exemplo, com o neutrino – uma partícula subatômica, prevista em 1931 pelo austríaco Wolfgang Pauli, mas só observada em 1956.
Ao mesmo tempo em que se beneficia dos avanços tecnológicos – como computadores superpotentes e telescópios cada vez mais precisos –, a física é uma das ciências cujas descobertas e teorias mais impulsionam a tecnologia. A criação da supercondutividade é exemplo disso. Supercondutores são materiais que, a temperaturas próximas do zero absoluto(273 ºC negativos), deixam passar correntes elétricas sem nenhuma resistência. Os materiais com propriedades supercondutoras já são usados em motores de alto desempenho, baterias e equipamentos de ressonância magnética. Outro exemplo de grande contribuição da física é a internet: a World Wide Web (WWW) teve início nos laboratórios do Cern como uma maneira eficiente de comunicação entre os físicos.
A física tem também grande influência na maneira como o homem interpreta a realidade. Durante séculos, o universo foi visto como um lugar em que todos os eventos possuem uma causa material e o futuro já está determinado pelo presente. No século XX, contudo, esse determinismo, sobre o qual se baseia a mecânica de Isaac Newton, começa a ser questionado. A relatividade de Einstein demonstra que alguns valores que imaginávamos absolutos, como o tempo, são, na verdade, relativos. O Princípio da Incerteza, proposto pelo físico alemão Werner Heisenberg durante a segunda metade da década de 1920, como parte da física quântica, abala de maneira definitiva essa antiga visão determinista.A partir de então, a natureza deixa de ser previsível. Seu comportamento só pode ser estudado probabilisticamente.
O que faz um Físico?
A Física e a Sociedade
A Física é o campo da ciência que investiga os fenômenos e as estruturas mais fundamentais da natureza. O conhecimento acumulado neste campo tem possibilitado à humanidade compreender aspectos cada vez mais complexos da natureza e, através dele criar sistemas, dispositivos e materiais artificiais que tem contribuído decisivamente para o progresso tecnológico.
Foram as investigações de físicos europeus sobre os fenômenos elétricos e magnéticos, no século XIX, que levaram à invenção do gerador e do motor elétricos utilizados atualmente para gerar energia elétrica e para produzir movimento numa variedade enorme de aplicações que afetam nossa vida diária. Essas mesmas investigações levaram à descoberta, no século passado, de que a luz é uma onda eletromagnética. Ondas desta natureza, mas com menor frequência propiciaram a invenção do rádio, da televisão, do radar e dos sofisticados meios de telecomunicações que estão incorporados na sociedade moderna.
A descoberta da mecânica quântica na década de 1920 possibilitou a compreensão detalhada da estrutura atômica e das partículas fundamentais da natureza. Além de abrir espaço para um grande desenvolvimento da Física e de outros campos da ciência, como a química, a bioFísica e a astroFísica por exemplo, a mecânica quântica conduziu à descoberta de novos fenômenos. Um deles, o da condução eletrônica em semicondutores, possibilitou a invenção do transistor em 1947 e dos circuitos integrados no final da década de 50. Essas invenções revolucionaram a eletrônica e abriram o caminho para a disseminação dos computadores que estão transformando os costumes da sociedade. Outra invenção, a do laser em 1960, propiciou o advento das comunicações óticas e está produzindo profundas modificações na eletrônica. Infelizmente, a Física tem possibilitado tanto algumas invenções que tornam a vida melhor e mais confortável quanto outras que podem destruí-la. Como utilizar as descobertas científicas apenas para o bem é um dos principais desafios da sociedade moderna e nessa discussão os físicos podem desempenhar importante papel esclarecedor.
Objeto e Método da Física
Uma característica essencial da pesquisa em Física é a procura dos aspectos mais fundamentais das estruturas e dos fenômenos, bem como a sua compreensão e descrição em termos de leis as mais gerais possíveis. A Física investiga desde partículas subatômicas, átomos e moléculas, até fenômenos que envolvem grandes aglomerados delas, como a matéria ordinária. Nessa escala, por exemplo, suas leis e métodos são usados para o estudo da Terra, e dos fenômenos que se passam em sua atmosfera, dos planetas e das galáxias. Em uma escala maior, essas leis e métodos permitem uma descrição do Universo como um todo, e a criação de modelos para a sua evolução. Nesse percurso do microcosmo ao macrocosmo passa-se de dimensões de 10^-15 cm (raio do próton) até o tamanho de uma galáxia (10^21 m ) ou do Universo ( 10^25 m).
A Física se encontra em estágio de grande vitalidade: quase toda a atividade atual de pesquisa é feita sobre temas inexistentes há cem anos. A maioria deles decorrentes da descoberta da estrutura atômica da matéria e sua compreensão por meio da mecânica quântica. Na Física de hoje muitos fenômenos estudados não fazem parte de nossa experiência cotidiana, sendo necessárias condições muito especiais para produzi-los e analisá-los. Isto tem levado a espetaculares sucessos tecnológicos que suscitam grandes investimentos nesta área, com a consequência de que há atualmente um grande número de profissionais dedicados à pesquisa Física. Esses dois aspectos ( a dificuldade em produzir e analisar os fenômenos e o grande número de participantes do processo) do panorama científico contemporâneo estabelecem uma diferença importante entre a Física de nossos dias e a Física clássica. O pesquisador moderno necessita de equipamento sofisticado, apoio técnico de alto nível, uma infraestrutura adequada e acesso rápido aos resultados obtidos por outros pesquisadores. Apesar disso, o método básico científico permanece, em essência inalterado.
Contudo, a complexidade dos equipamentos e da linguagem Matemática das teorias tornou inevitável a divisão dos físicos em duas categorias: teóricos e experimentais. Os experimentais realizam o contato concreto com os fenômenos, planejando, construindo e utilizando o equipamento para testar conjeturas geradas pelas próprias experiências ou sugeridas pelos teóricos, que, por sua vez trabalham preponderantemente na elaboração de modelos abstratos para conjuntos de fenômenos ou, em nível mais avançado, na construção de teorias.. Ambos são indispensáveis ao progresso da Física, como elos de uma mesma corrente. A pesquisa experimental na Física Contemporânea exige alto grau de engenhosidade e equipamentos especializados. Com frequência estes equipamentos são criados e desenvolvidos pelos próprios físicos, e muitas vezes encontram aplicações na indústria e em outros campos da ciência. Em geral pesquisadores, estudantes e técnicos de apoio trabalham congregados em grupos de pesquisa, que normalmente recebem recursos diretamente dos órgãos financiadores. Raramente os físicos trabalham isoladamente, sendo as publicações científicas em geral assinadas por vários autores, e com frequência a colaboração científica extrapola os muros das instituições congregando físicos de vários locais ou até mesmo de países diferentes.
O processo científico moderno é complexo e dispendioso. Por isso, seu desenvolvimento e manutenção dependem de decisões políticas do poder público, que afetam de muitas maneiras toda a sociedade.
Áreas da Física
Sendo um campo extremamente sofisticado da ciência, a Física investigada nos dias de hoje é sub-dividida em várias áreas distintas. Uma divisão frequentemente utilizada é a seguinte:
- Física das Partículas Elementares
- Física Nuclear.
- Física de Plasmas
- Física da Matéria Condensada.
- Física Atômica e Molecular.
- Física Geral e Física Clássica.
- Áreas Interdisciplinares.
A seguir apresentamos uma descrição resumida das principais características e objetivos dessas áreas.
Física das Partículas Elementares
A Física das Partículas Elementares tem por objetivo a descoberta e a compreensão dos constituintes mais simples da matéria e das forças básicas que atuam entre eles. Busca-se, sobretudo, as leis básicas e princípios unificadores que forneçam um quadro racional dos fenômenos já conhecidos e possam prever fenômenos novos.
Podemos caracterizar uma partícula elementar como sendo aquela que não apresenta estrutura interna. Com tal definição em mente, constatamos facilmente que o próprio conjunto das partículas elementares tem variado conforme a época histórica considerada. Os átomos foram considerados os constituintes mais simples da matéria por longo tempo. Descobriu-se então que os átomos são constituídos de um núcleo, formado por prótons e neutros, e elétrons. Os prótons e neutrons foram considerados elementares por cerca de 50 anos; porém, durante as duas últimas décadas, descobriu-se que os mesmos possuem uma estrutura interna que pode ser descrita em termos de partículas mais simples chamadas quarks. Os elétrons, por outro lado, até hoje não apresentaram indícios de possuir uma estrutura interna e portanto são considerados como partículas elementares.
As partículas elementares, atualmente, são classificadas em três categorias: os léptons, os quarks e os bósons de gauge (ou de calibre). Os léptons são: o elétron, o muon, o tau e seus respectivos neutrinos. O elétron , o muon e o tau possuem carga elétrica e massa. Os neutrinos não possuem carga elétrica e busca-se esclarecer se possuem ou não massa. Os quarks são as partículas que compõem os hadrons denominação dada aos mésons (p. ex., os mésons pi, rho, etc.) e aos bárions (p. ex., o próton, o neutron, os hiperons, etc.). Os bóson de gauge são partículas mediadoras da interação entre os quarks e os léptons. O mediador da força eletro-magnética é o fóton.
Existem quatro forças básicas na natureza: a gravitação, a eletromagnética, a interação fraca e a força nuclear forte. A intensidade com que essas forças atuam sob condições típicas é dada pelo valor de sua constante de acoplamento, que em unidades naturais têm os seguintes valores: força gravitacional 10-39 , força fraca 10-5, força eletromagnética 10-2 e força forte 1. Um dos objetivos básicos da pesquisa nesta área é a obtenção de modelos que unifiquem todas interações. Já existe uma teoria unificada das interações eletromagnéticas e fracas mas ainda não há um esboço satisfatório de uma teoria de unificação de todas as forças. O esforço para a compreensão das partículas elementares tem extrapolado para áreas tradicionalmente distantes, como a Relatividade, Gravitação e Cosmologia. Descobertas recentes na teoria das partículas têm levado a pistas importantes para a compreensão da origem do universo.
Na Física das Partículas Elementares as experiências consistem basicamente na observação dos resultados das colisões entre partículas, a fim de obter informações acerca de suas interações. Quase todas as experiências nessa área são efetuadas utilizando-se aceleradores que produzem feixes de partículas de alta energia que são utilizados para o estudo de colisões com alvos adequados. Devido à necessidade de um aporte apreciável de recursos financeiros para a construção de grandes aceleradores de partículas, existem poucos laboratórios no mundo em condições de realizar experiências de vanguarda nessa área. Isto faz com que a cooperação científica internacional seja essencial para a pesquisa nesta área.
A Física de Partículas, tem quarenta anos de tradição no Brasil, tendo dado relevantes contribuições tanto em problemas teóricos como em descobertas experimentais. Atualmente o País conta com poucos grupos experimentais nesta sub-área. Pesquisas teóricas em Fenomenologia de Partículas e em Teoria Quântica dos Campos são desenvolvidas em diversos grupos do País, os quais têm conseguido manter razoável intensidade de cooperação internacional. Esta cooperação é essencial para a atividade de pesquisa em Física de Partículas e Teoria de Campos tanto teórica como experimental, e deve ser considerada como requisito básico para a manutenção do bom nível científico nessas pesquisas. A ausência de uma maior atividade experimental se constitui no grande empecilho a um maior desenvolvimento desta sub-área. Está havendo em consequência uma certa emigração de pesquisadores para áreas limítrofes.
Física Nuclear
Compreende o estudo da estrutura de núcleos nos estados fundamentais e excitados; o estudo das interações entre núcleos e outras partículas, tais como fótons, elétrons, mésons, etc, tanto no que diz respeito à natureza da interação envolvida como à informação sobre a estrutura do núcleo assim obtido; estudo de interações entre núcleos e núcleons ou outros núcleos; e a interação de núcleos ou radiações nucleares com a matéria.
Os problemas da Física Nuclear são caracterizados pelo fato de que a interação entre núcleons, responsável por sua agregação em núcleos, ainda é conhecida somente em termos fenomenológicos, contrastando fortemente neste sentido com a Física Atômica. Além disso, a estrutura nuclear não é caracterizada nem como um problema de poucos corpos quase independentes, como os elétrons das camadas atômicas, nem como um sistema de muitos corpos, típico da matéria condensada. Por estas razões, a estrutura do núcleo e suas interações podem ser classificadas como ainda pouco estudadas experimentalmente e mal-entendidas teoricamente. As experiências e as teorias até agora desenvolvidas revelam que o núcleo tem um rico espectro de modos de excitação, que ainda desafia as explicações teóricas. A extensão do estudo de interações nucleares até energias mais altas e a sistemas mais complexos, como, por exemplo, nas interações entre núcleos complexos acima da barreira coulombiana, revela novos e fascinantes modos de excitação.
Durante o seu desenvolvimento, a Física Nuclear tem tido interações fortes com quase todas a outras sub-áreas da Física.
Atualmente, as principais ferramentas da Física Nuclear são os aceleradores: aceleradores eletrostáticos para baixa energia e cíclotrons, aceleradores lineares e outros tipos para energias mais altas. Os reatores ainda oferecem interessantes possibilidades para a pesquisa nessa sub-área. No País, são poucos os laboratórios sem algum tipo de acelerador que atualmente mantém um programa significativo de pesquisas em Física Nuclear.
Uma área onde o impacto de Física Nuclear transcende as fronteiras das Ciências Exatas, tendo imensas implicações sociais, econômicas e políticas, é a área de Energia Nuclear. Uma análise das suas consequências para nossa sociedade, tanto positivas quanto negativas, transcende a este documento, mas certamente a Energia Nuclear se destaca como uma das principais causas do reconhecimento da importância e relevância da ciência para os problemas imediatos da nossa sociedade.
Física de Plasmas
Física de Plasmas investiga movimentos coletivos de partículas carregadas, elétrons ou íons, ou estados de equilíbrio destas partículas, sujeitas à ação de campos elétricos e magnéticos externos e à ação de seus próprios campos. Este conjunto de partículas e campos representa um meio fluido chamado Plasma. Em particular, são tratadas questões como confinamento de plasma, equilíbrio e sua estabilidade, aquecimento e propriedades de transporte, propagação de ondas, interação de partículas com onda, instabilidades, turbulências e caos.
Plasmas são encontrados na natureza, como em descargas elétricas (relâmpagos), na ionosfera, no espaço interplanetário e intersideral, na corona solar, nas estrelas, anãs brancas e pulsares, e também são produzidos nos laboratórios, como em descargas elétricas, em dispositivos para pes quisa de fusão nuclear, em lasers a gás, dispositivos de semicondutor e metais e equipamentos de plasmas industriais.
O estudo desta área no Brasil só foi iniciado na década de 70, mas mostra-se em pleno vigor atualmente.
Física da Matéria Condensada
A Física da Matéria Condensada investiga os estados da matéria em que os átomos constituintes estão suficientemente próximos e interagem simultaneamente com muitos vizinhos. Ela é uma área de investigação básica, que procura a explicação detalhada de propriedades e fenômenos da matéria condensada a partir dos conceitos e das equações fundamentais da mecânica quântica e da Física estatística. São particularmente interessantes as propriedades elétricas, óticas, magnéticas, mecânicas e térmicas. Por outro lado a Física da Matéria Condensada tem uma enorme quantidade de aplicações na tecnologia moderna. Por exemplo: foi a partir de investigações nesta área que surgiram grandes inovações tecnológicas como os transitores, os circuitos integrados, os microprocessadores, os fios supercondutores e os lasers semicondutores que deram origem às comunicações óticas.
Esta área da Física começou a adquirir características próprias apenas a partir de 1948, inicialmente sob o nome de Física do Estado Sólido. Até aquela época as propriedades da Física dos sólidos eram objeto de estudo como exemplo de aplicação da mecânica quântica, estabelecida há pouco mais de vinte anos. Foi a descoberta do transistor naquele ano que deu um enorme impulso à pesquisa em Física de Sólidos.
Na década de 50 os trabalhos nesta área estavam concentrados nos sólidos cristalinos, cujos íons formam um arranjo ordenado periódico. Nesses sólidos ocorrem fenômenos que não existem em materiais amorfos. Além disso, como eles têm estrutura cristalina com propriedades de simetria bem definidas, os fenômenos podem ser interpretados pelas leis da Física com mais facilidade. Com o progresso das técnicas experimentais e teóricas de investigação, esta área se estendeu a materiais como o vidro, polímeros orgânicos diversos (teflon, poliacetileno, etc.), ligas amorfas e até mesmo aos líquidos, passando a ser conhecida como Física da Matéria Condensada. Nesta área da Física trabalham atualmente mais de 40% dos físicos em todo o mundo e a cada ano surgem novas linhas de pesquisa, impulsionadas pela descoberta de novos fenômenos e de novos materiais artificiais. Estas linhas por sua vez abrem o potencial para o desenvolvimento de novos dispositivos que encontram aplicações nos mais variados segmentos tecnológicos.
Entretanto, não foi apenas por causa de sua importância tecnológica que a nova área se desenvolveu rapidamente. A enorme variedade de fenômenos que os elétrons e os núcleos apresentam coletivamente em sólidos deu origem a descobertas fundamentais e excitantes. A Física da Matéria Condensada é atualmente uma das áreas mais estimulantes da ciência, contribuindo continuamente para a descoberta de novos fenômenos fundamentais e de novos materiais avançados . Apenas nos últimos dez anos pode-se destacar: a descoberta do efeito Hall quântico; o desenvolvimento de materiais semicondutores fabricados pela deposição sucessiva de monocamadas atômicas de modo a formar super-redes, hetero-estruturas ou poços quânticos; a descoberta de efeitos magnéticos e eletrônicos em sistemas de dimensionalidade menor que 3;a identificação e compreensão de fenômenos críticos e transições de fase em sistemas complexos, a formulação teórica e a observação experimental de fenômenos de turbulência e caos em uma grande variedade de sistemas; a descoberta de processos de condução por ondas de densidade de carga e mais recentemente a síntese de materiais supercondutores a temperaturas mais altas.
Física Atômica e Molecular
Esta área estuda a estrutura e os fenômenos eletrônicos em átomos individuais ou em átomos que compõem moléculas isoladas. Como é bem conhecido, as tentativas de entender a estrutura dos átomos constituíram a base da Física Moderna, desenvolvida nas décadas de 20 e 30. De certa maneira, depois daquela época, o interesse dos físicos passou mais para as áreas da Física Nuclear e de Partículas Elementares, deixando os problemas da estrutura de moléculas para os químicos. Nos últimos anos, entretanto, esta área foi revolucionada com o desenvolvimento dos lasers e das modernas técnicas de ótica, ressurgindo como um dos principais ramos de pesquisa da Física.
Os lasers têm possibilitado a espectroscopia atômica e molecular com alta precisão e resolução, desde o infravermelho distante até a faixa ultravioleta. Além disso eles têm permitido a realização de experiências novas, como a observação dos átomos em colisão ou em reações químicas, a geração de pulsos de curtíssima duração (10-13 seg.), a construção de relógios atômicos de precisão e padrões para metrologia, etc.
Por outro lado, o surgimento dos grandes computadores têm estimulado bastante os trabalho teóricos nesta área. A teoria das estruturas de átomos e moléculas compreende a teoria de estruturas eletrônicas de átomos e moléculas, técnicas computacionais e numéricas para estes estudos e o cálculo de propriedades específicas de átomos e moléculas. Os cálculos teóricos têm sido incentivados não somente pelo seu interesse intrínseco, mas, também, pelos resultados experimentais obtidos a partir de novas espectroscopias com lasers e de fotoelétrons.
Esta área está relativamente pouco desenvolvida no Brasil. Neste documento ela está apresentada como uma sub-área de Física da Matéria Condensada, porque nela trabalham quase todos os físicos que estudam átomos e moléculas no País.
Física Geral e Física Clássica
Compreende aspectos da Física Teórica, da Física Matemática, instrumentação e técnicas de laboratório, aspectos educacionais, históricos e filosóficos da Física.
A arte do físico teórico está em abstrair de uma situação Física complexa, apenas, os aspectos mais relevantes ao fenômeno em estudo, construindo o modelo mais simples possível, evitando, porém, omitir fatores que possam desempenhar um papel importante. os conceitos teóricos com que trabalha, são conforme frisou Einstein livres criações do espírito humano.
A meta da Física Teórica é reduzir a aparente complexidade dos fenômenos naturais a um conjunto de leis básicas simples, das quais os fenômenos observados possam ser obtidos por dedução. Este caráter dedutivo leva ao emprego da Matemática como ferramenta básica de trabalho.
A Física Matemática examina e aperfeiçoa essa ferramenta de trabalho e o rigor das deduções, promovendo contribuição tanto da Matemática à Física quanto da Física à Matemática.
A Física Teórica e a Física Matemática têm uma longa tradição de qualidade no Brasil, que felizmente se mantém. Além da contribuição fundamental dos vários físicos estrangeiros ilustres, que formaram escolas entre nós (Gleb Wataghin, Bernhard Gross, Guido Beck) cumpre ressaltar os trabalhos e a atuação de Theodoro Ramos, Henrique Morize, Pontes de Miranda e outros.
Física Clássica é uma denominação que se contrapõe à Física Quântica, que estuda a estrutura atômica e suas subestruturas. A Física Clássica compreende a Mecânica de Newton e suas aplicações tanto a sistemas discretos (como os planetas em seu movimento ao redor do Sol) quanto contínuos (Movimentos de fluídos), Acústica, Elasticidade), o Eletromagnetismo (incluindo a Ótica), a Termodinâmica, a Teoria da Relatividade Restrita e a Teoria da Gravitação de Einstein ou Relatividade Geral.
Relatividade, Gravitação e Cosmologia
A teoria da Relatividade de Einstein se constitui, através de uma profunda análise dos conceitos de espaço e tempo, em uma revolução que não poupou, ao menos do ponto de vista conceitual, nenhuma sub-área da Física. Entre as suas consequências mais espetaculares estão a demonstração da equivalência entre a massa e energia, e a nova teoria da gravitação, que substituiu a gravitação universal de Newton. A este última teoria foi dado, por Einstein, o nome de Relatividade Geral. Ela nasceu da necessidade de abolir na teoria da gravitação newtoniana o conceito de ação a distância, incompatível com a Teoria da Relatividade (Restrita) de Einstein.
Durante muitos anos a Relatividade Geral foi campo de trabalho de um número reduzido de físicos, tanto por causa do desenvolvimento, em parte simultâneo, da Física Quântica, quanto pela impossibilidade técnica de testes experimentais da teoria, adicionada aos três testes clássicos propostos por Einstein. Este é, aliás um exemplo interessante da necessidade de um desenvolvimento paralelo dos aspectos teóricos e experimentais de uma área da Física para que ela possa florescer.
O grande refinamento das técnicas experimentais dos últimos anos, ligado ao aperfeiçoamento dos radares, lasers e relógios, radioastronomia, bem como o uso dos satélites artificiais, estimularam a retomada dos trabalhos experimentais em Relatividade Geral.
Entre os tópicos mais vibrantes da pesquisa atual nesta sub-área estão os buracos negros e as ondas gravitacionais. A existência de buracos negros é uma das consequências da Relatividade Geral. Neles a atração gravitacional se torna tão intensa que, classicamente, nem mesmo a luz pode escapar. A observação experimental deste fenômeno é ainda uma questão controvertida. Ondas gravitacionais se encontram na mesma situação, já que sua existência não foi ainda diretamente confirmada pela experiência.
Um dos resultados mais importantes da Relatividade Geral é o modelo cosmológico do Universo em expansão, a partir da explosão inicial de um Universo muito quente, seguida de sua expansão e resfriamento. A descoberta de uma radiação de fundo isotrópica de 3k de temperatura deu um apoio experimental muito importante a este modelo cosmológico standard.
Mais, recentemente, tem havido uma grande interação entre a cosmologia e a Física das Partículas Elementares, já que o comportamento dos primeiros minutos do Universo parece ser dominado pela Física daquelas partículas subatômicas.
No Brasil, o estudo da Relatividade Geral nasceu antes mesmo da fundação da USP, existindo publicações de Theodoro Ramos e de Pontes de Miranda na década de 20. Este estudo nunca foi abandonado, sendo utilizado hoje em dia por vários grupos de boa qualidade.
No século XX, a Física se desenvolveu principalmente na direção da explicação microscópica dos fenômenos. Entretanto, vários ramos da Física Clássica continuam a ser de grande interesse não só por seu valor intrínseco na explicação dos fenômenos naturais, mas, também, por suas aplicações.
Em geral, a Física Clássica pode ser dividida nos seguintes campos, que serão descritos suscintamente.
- Mecânica: é o estudo do movimento dos corpos sob a ação de forças. A Mecânica Clássica trata de objetos grandes em comparação com átomos e com velocidades pequenas em relação à velocidade da luz. Atualmente, os estudos de mecânica têm sido revitalizados pelo cálculos de órbitas de satélites, e há programas ativos em técnicas de aproximação e previsão utilizando computadores.
- Mecânica dos meios Contínuos - compreende a Elasticidade e a Reologia, que estudam os corpos deformáveis, e a Mecânica dos Fluídos, que trata do movimento de gases e líquidos sob a ação de forças. Seus princípios constituem os fundamentos da Engenharia Mecânica e de Estruturas. Recentemente, a Mecânica de Fluídos tem-se tornado especialmente importante para a Física dos Plasmas. A Dinâmica de Fluídos, também, tem evidentes aplicações em Aerodinâmica e Meteorologia, bem como na Engenharia Nuclear.
- Acústica - trata da geração e propagação de vibrações mecânicas na matéria e de sua aplicação em vários campos da ciência e da tecnologia. Poderia ser descrita como parte da Mecânica dos Meios Contínuos, mas é tratada separadamente por sua grande importância. É outro campo da Física Clássica que ganhou novo impulso recentemente, particularmente no que diz respeito ao domínio de ultrassons.
- Eletromagnetismo - antigamente estudado como dois campos distintos, Eletricidade e Magnetismo, o Eletromagnetismo trata da inter-relação entre campos elétricos e magnéticos variáveis no espaço e no tempo, bem como de sua propagação. As equações de Maxwell exprimem de forma concisa os fundamentos da teoria eletromagnética. As aplicações na geração, transporte e utilização de Energia e de Telecomunicações são imensas. Esta última tem interfaces com a área multidisciplinar de dispositivos eletromagnéticos e com a área de microondas em Engenharia.
- Ótica - a Ótica Física teve um renascimento como área de pesquisa com a descoberta do laser, que ao mesmo tempo gerou fontes coerentes, monocromáticas e de alta potência. Entre os assuntos mais importantes, atualmente, podemos citar Ótica Coerente, incluindo Holografia e vários tipos de Interferometria, Ótica Não-linear, que faz interface com várias áreas importantes da Física Atômica e Molecular, discutidas em outra seção, e Propagação da Luz em meios Inomogêneos, por exemplo em fibras óticas que tem óbvias implicações tecnológicas mas que tem, também mostrado ser uma área bastante rica em problemas fundamentais. A Ótica no Brasil é muito usada para investigar fenômenos em sólidos. Por isso, neste documento ela está analisada como uma sub-área da Física da Matéria Condensada.
- Termodinâmica - estuda as relações entre calor e trabalho, e é baseada num pequeno número de leis gerais da Natureza. O poder da Termodinâmica está em sua capacidade de analisar os sistemas mais gerais sem considerar sua estrutura microscópica. Seus princípios e métodos permeiam toda a Física, Química e Engenharia.
Mesmo sem uma descrição mais detalhada das sub-áreas Clássicas de Fenomenologia, pode-se perceber sua importância para a ciência e a tecnologia. A pesquisa nestes campos no Brasil é quase inexistente. Isto se explica talvez pela origem recente da Física no país. A maioria dos físicos foi atraída para os campos abertos recentemente, e a Física Clássica, como área de pesquisa, foi relegada a um segundo plano.
Áreas Interdisciplinares
São as que reúnem duas ou mais das principais áreas da ciência ou da tecnologia, uma delas sendo a Física. A principal dificuldade nesse tipo de atividade científica e a necessidade de se somarem com potências de mais de um setor de atividade científica. Algumas dessas áreas de mais atividade no país estão descritas a seguir .
Ciências dos Materiais
A sub-área de ciências dos materiais está situada na fronteira entre a Física e a Tecnologia de Materiais. Sua importância está no desenvolvimento de novos materias de uso tecnológico, na compreensão básica das propriedades de materiais, e como elemento de formação de pessoal técnico-científico de alto nível, capaz de enfrentar futuros desafios tecnológicos. A variedade de técnicas experimentais e teóricas modernas e clássicas de alta sofisticação usadas nesse campo contribui para sua aproximação acentuada à Física do Estado Sólido.
Incluem-se nesta sub-área o crescimento e preparação de cristais, deposição de filmes, estudo de propriedades (térmicas, mecânicas, elétricas, magnéticas e óticas) de cerâmicas, vidros, polímeros, metais e suas ligas, corrosão e oxidação, etc. A preparação de dispositivos de semicondutores, eletromagnéticos e de polímeros, também se enquadra nesta sub-área, bem como o desenvolvimento de novos materiais como, por exemplo materiais compostos.
Biofísica, Física Médica e Engenharia Biomédica
O interesse que grande números de físicos vem tendo no estudo dos processos biológicos tem-se acentuado nesses últimos anos. O bioFísica abrange um vasto campo de interesses, que tendem a aumentar. Os problemas a enfrentar são de natureza complexa e altamente desafiantes, exigindo pessoal com boa formação em Física e em Biológia. Pode ser qualificada como uma sub-área essencialmente inter-disciplinar, onde técnicas clássicas, como por exemplo Raios X , tem sido extensivamente utilizadas ao lado de técnicas mais modernas, como Espectroscopia de Batimento Ótico, Espectroscopia Raman ; Ressonância Eletroparamagnética, Efeito Mössbauer, etc.
Em paralelo a essas atividades de pesquisa básica, tem-se desenvolvido de forma acelerada nos últimos anos, o uso de técnicas largamente utilizadas por físicos e engenheiros na área médica, o que se tem chamado de Física Médica e Engenharia Biomédica. as técnicas que mais se tem empregado são as de ultra-som, Raios X, em diagnose médica, radiações ionizantes no tratamento do câncer, a de sinais elétricos das mais diversas origens, tanto em diagnose (por exemplo , em eletrocardiograma) como em análise clínica ( medidores contínuos de concentração de íons). O uso da Eletrônica Digital e de métodos computacionais no tratamento de sinais obtidos pelos mais variados tipos de transdutores é, também, uma área de grande processo. O desenvolvimento de órgãos artificiais e os mais variados tipos de equipamentos auxiliares, como criobisturi, magnetocardiógrafo, tomógrafo de RMN , é o que mais caracteriza a área de Engenharia Médica .
Fontes Não Convencionais de Energia
A importância crescente que os problemas de energia assumiram no desenvolvimento das nações modernas na última década trouxe aos físicos novas e importantes oportunidades e desafios.
Estes problemas decorrem basicamente da necessidade de desenvolver novos métodos de produção de Energia (solar, ventos, gradiente térmico dos oceanos, ondas, etc.) e de aumentar a eficiência das máquinas comuns, baseadas no uso dos combustíveis fósseis convencionais (carvão, petróleo, e gás). Em geral, os métodos e aparelhos envolvidos funcionam na base das leis de mecânica clássica e são conhecidos há muito tempo, havendo, porém, sérios problemas de engenharia na sua realização prática.
Muitos físicos estão participando no estudo dos problemas de energia, ao lado de engenheiros, economistas, urbanistas e cientistas sociais tendo contribuído significativamente para os progressos do campo.
Prof. Sérgio Torres
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