Ao final do século 19, todo o conhecimento de Física até então acumulada, classificada por nós hoje de física clássica, era subdividido em cinco grandes blocos:
É mais ou menos o somatório daquilo que tradicionalmente se estuda até o final do programa da terceira série do ensino médio. No entanto, é preciso ficar muito claro que o nível era muito mais profundo. Os conceitos são basicamente os mesmos, mas os físicos já conheciam uma matemática mais poderosa para analisar os fenômenos estudados.
Também é preciso restaurar aqui o clima de extremo sucesso da Física naquele momento.
Havia uma precisão enorme nos cálculos da mecânica clássica. A astronomia foi plenamente favorecida com esse fato, pois os movimentos planetários podiam ser explicados com enorme grau de acuidade. O planeta Netuno, por exemplo, teve sua existência prevista teoricamente antes de ser observado pela primeira vez em 1846, por johann Cottfried Calle (1812-1910), astrônomo alemão.
A hidrodinâmica e a aerodinâmica também podiam estudar e descrever bem os movimentos dos líquidos e dos gases. A construção de submarinos e balões, por exemplo, dava a mostra de como a teoria se transformava em prática rapidamente. Em 1891 aconteceu o voo de Otto Lilienthal (1848-1896), engenheiro e inventor alemão, com uma espécie de asa-delta.
Movimentos complexos de rotação de corpos rígidos, como peões e giroscópios, também eram bem explicados.
A mecânica analítica foi criada, apresentando um formalismo diferente e mais poderoso do que aquele que existia na época de Isaac Newton (1642-1727).
A óptica geométrica estava bastante desenvolvida. Do estudo da luz e da conjugação de imagens por instrumentos surgiu a ideia de fixar uma imagem, o que levou à invenção da fotografia pelo francês Louis jacques Mande Daguerre (1787-1851). Da imagem estática da fotografia para a imagem em movimento do cinema foi uma passagem natural, porém um salto tecnológico razoável.
Nessa época, praticamente todos os cientistas interpretavam a luz como uma onda eletromagnética.
Fenômenos de difração e interferência eram bastante conhecidos e entendidos. Já se conhecia a radiação infravermelha e a ultravioleta e já se sabia que eram muito semelhantes a luz, porem invisíveis. A luz e o som eram estudados sob conceitos de uma teoria ondulatória.
Os trabalhos do francês Augustin Fresnel (1788-1827) e do inglês Thomas Young (1773-1829) mostraram que a teoria corpuscular da luz deveria ser substituída pelo modelo ondulatório que se tornou uma unanimidade entre os pesquisadores. Para o estudo dos fenômenos ondulatórios da luz foram desenvolvidos métodos matemáticos bastante sofisticados.
A invenção do fonógrafo pelo americano Thomas A. Edison (1847-1931), uma espécie de gravador e reprodutor de sons, mostrava que, assim como já se fazia com a luz, agora era a vez de registrar as ondas de som.
Já se sabia como transformar calor em trabalho e as primeiras máquinas térmicas surgiam tomando o lugar do trabalho humano ou animal. Trens e navios foram equipados com essas máquinas. Também foram construídos os primeiros automóveis movidos a vapor. Na termodinâmica, a teoria cinética dos gases revelava a intima relação entre temperatura e energia cinética das partículas. A física estatística dava seus primeiros passos, tratando com muito sucesso os gases como amostras de inúmeras partículas (moléculas) com base em leis probabilísticas.
Fenômenos ligados à eletricidade e ao magnetismo também tinham sido estudados e muito bem interpretados. A invenção da pilha elétrica pelo italiano Alessandra Volta (1745-1827) é um importante marco histórico.
A descoberta dos efeitos magnéticos da eletricidade pelo físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) e também do oposto, dos efeitos elétricos do magnetismo pelo inglês Michael Faraday (1791-1867), ensaiava os primeiros passos da unificação da eletricidade com o magnetismo.
Surgem as primeiras usinas de geração de energia elétrica e a iluminação com lampiões a gás começa a ser substituída por lâmpadas elétricas. Surgem também os grandes faróis aplicados à navegação e também a iluminação de alta potência utilizada em grandes cidades.
Na área das telecomunicações, a eletricidade provoca enorme avanço com a invenção do telégrafo com fio. Os continentes europeu e americano são unidos por cabos submarinos que atravessam o Oceano Atlântico. Daí para a invenção do telefone, por Graham Bell, foi outro grande salto tecnológico bem-sucedido.
Mas a unificação dos fenômenos elétricos e magnéticos só fica bem evidente a partir do trabalho de james Clerck Maxwell (1831-1879) que descreve, de forma compacta e elegante, todo o comportamento da eletricidade e do magnetismo em quatro equações, dando início à teoria eletromagnética ou eletromagnetismo.
As "Duas nuvens de Lord Kelvin"
No século 19 havia um grande otimismo por parte da humanidade em razão do enorme sucesso alcançado pela Física e os desenvolvimentos tecnológicos provenientes da teoria já desenvolvida.
Em 1900 alguns cientistas acreditavam que a Física estava praticamente completa e tudo o que se tinha para descobrir já havia sido descoberto. William Thomson (1824-1907), mais conhecido como Lord Kelvin, era um desses cientistas. Segundo ele, faltava apenas melhorar algumas medidas e acertar um ou outro detalhe.
Ele chegou mesmo a aconselhar os jovens estudantes da época a não se dedicar à Física, por uma simples questão de mercado de trabalho.
Mas havia duas questões no ar, dois problemas ainda não resolvidos ou, como ele mesmo disse, duas "pequenas nuvens" no horizonte da Física.
As duas questões eram as seguintes:
1. Assim como o som, ou qualquer outra onda mecânica, se propaga na presença de meio material, os cientistas acreditavam que a luz e as ondas eletromagnéticas também deveriam se propagar em algum meio ainda desconhecido que passaram a chamar de éter. Era possível (e muito simples), por exemplo, produzir vácuo num tubo, a partir da descida parcial do mercúrio no experimento de Torricelli. Em seguida, seria igualmente simples fazer a luz atravessar o vácuo dentro desse tubo. Os cientistas acreditavam que ali, na porção evacuada do tubo, deveria ter "sobrado" o éter por onde a luz se propagava. Da mesma forma, o éter deveria preencher todo o espaço entre os planetas e as estrelas.
Um procedimento experimental importante, conhecido como experimento de Michelson-Morley, tentou, sem sucesso aparente, detectar a presença do éter. Mas era inconcebível uma onda sem um meio para se propagar. Como resolver esse impasse?
2. Já se sabia que um corpo aquecido emite radiação eletromagnética. Mas não era possível descrever teoricamente a distribuição de energia de um corpo radiador ideal (chamado de corpo negro). A radiação do corpo negro, que estudaremos com mais detalhes adiante, é o outro "nó" na física clássica ou, a outra "nuvem" de Lord Kelvin.
Na verdade, esses dois problemas ainda não explicados pela física clássica deram origem a duas novas teorias e que mudaram a nossa maneira de ver o mundo.
Da primeira "nuvem" de Kelvin nasce a relatividade, numa tentativa de unificar a mecânica e o eletromagnetismo. É exatamente esse assunto que abordaremos logo a seguir na parte II desta introdução à Física Moderna.
Da segunda "nuvem" de Kelvin surgiu a física quântica, noutra empreitada unificadora, agora da termodinâmica e do eletromagnetismo. Esse assunto veremos em cosmologia, que agrega conceitos da relatividade e física quântica para tentarmos entender como é o universo.
As previsões de Kelvin, para nossa sorte, estavam erradas. A física clássica estava mesmo terminando, mas estava entrando em cena a física moderna, uma nova era de descobertas incríveis na Física.
Então, onde termina a física clássica e começa a física moderna?
Grosseiramente, se tivéssemos que apontar uma divisão temporal entre física clássica e física moderna, poderíamos usar a própria virada do século 19 para o século 20.
Mas, sendo mais rigoroso, a apresentação do trabalho do físico alemão Max Planck (1858 - 1957) sobre a quantização da energia em 14 de dezembro de 1900, em sessão oficial da Sociedade Alemã de Física, é considerada hoje como a data oficial da fundação da física moderna.
(Texto inspirado na II Oficina de Física Moderna do IFGW, Unicamp, março/2001)
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Forte abraço,
Prof. Sérgio Torres
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