Física teórica

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Física
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0

\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}

\nabla \cdot \mathbf{E} = \rho

\nabla \times \mathbf{B} = \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t} + \mathbf{J}
As Equações de Maxwell
Física
História da Física
Filosofia da Física

A Física Teórica utiliza modelos matemáticos e conceitos físicos, juntos com técnicas de dedução como a lógica e a análise crítica com o objectivo de explicar de modo racional e prever os fenômenos físicos. É também o ramo da Física que tem por finalidade elaborar, aperfeiçoar e eventualmente corrigir uma determinada teoria física, transposta a uma linguagem matemática apropriada. A teoria assim formulada é alimentada por dados obtidos em experiências e, em contrapartida, oferece explicações para os dados existentes e prevê novos efeitos e fenómenos que possam ser testados experimentalmente, sendo assim submetida à falseabilidade.

Até ao Séc. XIX não existia realmente separação entre as físicas teórica e experimental. Em geral, os cientistas que se dedicavam à física faziam ou modelos matemáticos que permitiam entender os resultados das suas experiências, ou pequenas experiências que lhes permitiam corrigir os seus modelos matemáticos. É importante não esquecer que a física é uma ciência e por isso se baseia essencialmente na experiência.

Foi apenas em virtude da enorme sofisticação dos métodos matemáticos e laboratoriais que surgiu a partir do séc. XX a necessidade de especialização em uma ou outra destas subáreas, e por tal a necessidade de definir-se a física teórica. A física experimental e Física Teórica são, contudo, ainda inseparáveis, e juntas formam a Física - ciência plenamente compatível com as exigências do método científico. Em verdade, talvez mais correto fosse afirmar que dentro da Física existem, em virtude da natureza dos trabalhos primordialmente desenvolvidos, os físicos teóricos e os físicos experimentais; mesmo assim ainda cabendo, no primeiro caso, ressalva quanto à denominação "teórico". Uma teoria científica por obrigação encerra em si o conjunto de fatos verificáveis conhecidos; sendo a palavra "teórico" usada, naquele caso, em notória conexão direta sobretudo ao conjunto de ideias da teoria, e não ao conceito de teoria científica em si.

Relação com a Física experimental e a Matemática[editar | editar código-fonte]

Ela forma junto com a Física Experimental, que utiliza em vez métodos de observação experimental, o todo da Física. No entanto estas duas não são partes independentes da Física, mas pelo contrário têm uma forte relação de interdependência e simbiose. Um modelo físico não têm interesse ou validade em física teórica se não explica e prevê resultados obtidos pela física experimental, mas também o resultado experimental necessita de um modelo teórico que o explique para ter o seu lugar na Física. Já que o objectivo primordial da Física é, tal como o da Física Teórica, explicar racionalmente e prever os fenómenos físicos. O progresso da Física surge assim desta simbiose: novas observações geram novas teorias, que por sua vez, através das suas previsões, geram novas experiências. A comprovação experimental de hipóteses teóricas constitui a base do método científico.

Os requerimentos fundamentais para a validade de uma teoria científica são, além da sua capacidade de explicação e previsão dos fenómenos físicos, já referidos acima, a consistência e o rigor matemático. Deste ponto de vista, a Física Teórica tem também com a Matemática uma relação de simbiose. Um muito bom exemplo disso é o densenvolvimento simultâneo do Cálculo Infinitesimal e da Mecânica Clássica, mas muitos outros exemplos existem.

Origem de novas teorias[editar | editar código-fonte]

Uma nova teoria física tanto pode surgir de observações experimentais que não são explicadas no âmbito das teorias anteriores, quanto do requerimento de rigor matemático e consistência ou da generalização de conceitos. Exemplo do primeiro é a Mecânica Quântica que surge a partir da explicação da radiação do corpo negro e do efeito fotoeléctrico por Max Planck e Albert Einstein, respectivamente. Exemplo do segundo são as duas teorias da Relatividade de Einstein que surgem da aplicação às leis de Maxwell do conceito de invariância das leis da Física em referenciais de inércia, no caso da Relatividade restrita, e da generalização deste conceito a referenciais acelerados, no caso da Relatividade geral. No entanto, independentemente de como surge, uma teoria física só está completa quando une ambos aspectos. Um bom (contra)exemplo disto é a chamada teoria de cordas, esta surge da necessidade teórica de unir de forma consistente a Mecânica Quântica e a Relatividade Geral. No entanto, no seu atual estado de desenvolvimento, ela não tem ainda capacidade de explicar ou prever nenhum fenómeno físico e não pode ser por isso considerada uma teoria física completa. É precisamente para isso que trabalham os cientistas que se dedicam a esta área da física.

Existem outros requerimentos normalmente impostos a uma teoria científica. Um dos mais importantes é a falseabilidade que está relacionada com a sua capacidade de prever fenômenos, e que implica também que nenhuma teoria física é definitiva (ver mais abaixo), já que é sempre possível que no futuro se encontre algum fenómeno que a refute. Outro é a simplicidade, que se enuncia usando a regra da navalha de Occam: "se há várias explicações igualmente válidas para um facto, então devemos escolher a mais simples". Este requerimento, que pode ser um ideal difícil de manter, é normalmente imposto a nível dos conceitos e não necessariamente ao nível dos métodos matemáticos utilizados. Mais informalmente os cientistas exigem também de uma teoria que esta seja bela. A beleza é obviamente um conceito subjectivo, e logo não científico, que tem no entanto na prática científica um valor importante. No entanto, este conceito está ligado de modo intuitivo aos requerimentos objectivos de rigor matemático, lógica e simplicidade. Uma teoria muito rebuscada, que parece desnecessariamente complicada, que recorra a excessivas hipóteses, etc., é em geral descartada, mesmo que tenha um bom poder de explicação e previsão dos fenómenos, prosseguindo-se na busca de uma teoria mais adequada.

Regime de validade[editar | editar código-fonte]

Um aspecto importante de uma teoria física é o seu regime de validade. Como já referimos acima, a falseabilidade é característica de qualquer teoria científica, o que implica que nenhuma teoria científica pode ser definitiva. Consideremos, por exemplo, a mecânica newtoniana. Esta é uma teoria física perfeita no sentido que obedece a todos os requerimentos acima mencionados. Ela explica todos os fenómenos mecânicos observados no nosso dia-à-dia, mas não explica fenómenos relativistas ou quânticos. Podemos dizer que a observação de fenómenos relativistas ou quânticos vem refutar as leis de Newton. No entanto os cientistas preferem, de modo mais pragmático, pensar que, pelo contrário, estes fenómenos estão fora do seu regime de validade. Seria impensável que cada vez que alguém quisera prever a trajectória de um projéctil, tivera que recorrer à teoria de cordas. Pelo contrário, continua-se com esse objectivo a utilizar a lei da queda livre de Galileu. Esta é válida sempre que a trajectória seja suficientemente curta para que se possa desprezar a curvatura da Terra, o projéctil suficentemente compacto para que se possa desprezar o atrito do ar, a dimensão deste suficientemente grande para que se possam desprezar os efeitos quânticos e por último a sua velocidade suficientemente baixa para que se possam desprezar os efeitos relativistas. Estas condições formuladas de modo quantitativamente rigoroso formam o regime de validade da lei da queda livre de Galileu. Esta lei é generalizada pelas leis de Newton e a sua lei da gravitação universal, que prescindem das duas primeiras condições, tendo um regime de validade muito maior. Por sua vez a Mecânica Quântica e a Relatividade Restrita vêm generalizar a mecânica newtoniana prescindindo também das outras duas condições, mas tendo estas por sua vez um regime de validade que se relaciona com a curvatura do espaço ser desprezável de acordo com a Relatividade Geral (que por sua vez só é válida se se desprezarem os efeitos quânticos). Deste modo pode-se dizer que se por um lado todas as teorias físicas têm um regime de validade, por outro lado, dentro deste regime, elas são definitivas, pelo menos desde que as leis do Universo permaneçam inalteradas. O que em nada contradiz o requerimento de falseabilidade. Pode-se ainda acrescentar que as novas teorias sendo mais abrangentes que as anteriores têm que ser compatíveis com estas, isto é têm de reduzir-se a estas dentro do seu regime de validade. Por exemplo, a Relatividade Geral reduz-se trivialmente à lei da gravitação universal de Newton ao desprezarem-se os efeitos relativistas. Outro exemplo menos trivial, é a redução da Mecânica Quântica à Mecânica Clássica. Isto sem desprezar as enormes mudanças conceptuais na nossa maneira de entender o Mundo Físico que as novas teorias vêm trazer.

Teorias da Física[editar | editar código-fonte]

Exemplos das principais teorias da física são a Teoria da relatividade de Albert Einstein e a Mecânica quântica, que são os dois principais pilares da Física Moderna. Da física clássica fazem parte a Mecânica Analítica, a Teoria Newtoniana da Gravitação Universal, a Óptica, a Teoria de Maxwell do Electromagnetismo, etc. Além disso existe ainda outras áreas associadas à Física teórica, como a Física estatística, a Teoria quântica de campos, o Modelo Padrão da Física de Partículas, ou a Cosmologia. No entanto a maior parte das áreas da física teórica não são específicas a esta, mas áreas da física com forte componente experimental, como por exemplo a Física de partículas, a Astrofísica ou a Física da Matéria Condensada.

História da Física Teórica[editar | editar código-fonte]

A Física na Antiguidade[editar | editar código-fonte]

Foi na antiga Grécia que os primeiros estudos físicos foram realizados. Os fenómenos da natureza eram estudados pelos recém-surgidos "filósofos naturais" que tinham por objetivo racionalizar o mundo, deixando de lado os conceitos míticos e religiosos. Os filósofos pré-socráticos tentavam entender a Physis — o mundo natural. E assim Leucipo de Mileto, e seu aluno Demócrito de Abdera, formularam as primeiras hipóteses do que viria a ser a teoria atómica, no século V a.C. Segundo eles, o Universo era formado por átomos infinitos e indivisíveis, sólidos porém tão pequenos que não podem ser vistos, e estão em constante movimento no vácuo.

Outro pensador importante entre os pré-socráticos foi Pitágora, que contribuiu de modo decisivo à filosofia natural através sobretudo dos seus estudos da matemática. Pitágoras descobriu a relação entre o comprimento de uma corda vibrante e o tom que emite. À sua escola se deve também a ideia de que a Terra é esférica, os planetas se movem em diferentes velocidades em suas várias órbitas ao redor da Terra. Pela cuidadosa observação dos astros, surge a ideia de que há uma ordem que domina o Universo e que essa ordem se pode expressar através da matemática.

Aristóteles contribui também decisivamente à filosofia natural. Ele estabelece as primeiras ideias de movimento, a queda de corpos rígidos e geocentrismo. O seu pensamento é dominante na Física até ao final da Idade Média. É de realçar que muitas destas ideias não são necessariamente originadas por Aristóteles, mas é ele que as ordena e estabelece dentro de um edifício filosófico completo.

A Gravidade na Antiguidade era, por exemplo, explicada através do seguinte princípio: Os corpos tendem a voltar ao seu lugar natural. Acreditava-se que o mundo era formado por quatro elementos básicos: a terra, a água, o ar e o fogo. Quanto mais pesado ele fosse, mais terra ele era e consequentemente mais rápido ele cairia no chão. A água se espalha pelo chão porque seu lugar natural é a superfície da Terra. O ar tende a ficar em torno da Terra. O fogo pertence aos círculos superior, acima do ar e por isso as chamas se "dirigem" para cima. A Cosmologia ficou, até ao surgimento do heliocentrismo no Renascimento, definida pelo modelo geocentrismo|geocêntrico do universo estabelecido de forma completa por Ptolomeu no qual os planetas se moviam em pequenos círculos, chamados de epiciclos.

Arquimedes e a hidrostática Arquimedes é sem dúvida o maior físico da Antiguidade. A ele se devem muitos estudos importantes, dos quais se destacam a lei da Hidrostática.Existe uma lenda que conta que o rei de Siracusa desafiou Arquimedes a encontrar uma maneira de verificar, sem a estragar, se a coroa que o mesmo havia encomendado era de ouro maciço ou não. Arquimedes tomando banho reparou que a quantidade de água deslocada quando ele entrou na banheira era igual ao volume de seu corpo. Ao descobrir esta relação, vai ao palácio e mede a quantidade de água que transborda de uma bacia cheia de água quando nele mergulha o volume de um peso de ouro igual ao da coroa, de um peso de prata igual ao da coroa e por fim o da própria coroa. Como o volume de água da coroa foi intermédio ao dos dois pesos, ele calculou a proporção de prata que foi misturada com o ouro. Após essas experiências, Arquimedes formulou o seguinte princípio: todo corpo mergulhado em um fluido recebe pressão do fluido por todos os lados, e a resultante dessas pressões é um impulso de baixo para cima, igual ao peso do volume do fluido deslocado. Concluiu por isso que os corpos mais densos do que o fluido afundam e os menos densos flutuam.

Idade Média[editar | editar código-fonte]

A idade média foi um período em que muito pouco se evoluiu a nível da filosofia natural. Tomás de Aquino estabelece a síntese do cristianismo e da filosofia aristotélica. Nesta se inclui assim a explicação dos fenómenos naturais na visão de Aristóteles e seus sucessores. Em particular a Igreja adopta o modelo geocêntrico de Ptolomeu como o seu modelo cosmológico.

Galileu e a revolução científica[editar | editar código-fonte]

O Renascimento trás no entanto uma verdadeira revolução nesta área. As ideias há muito tempo tidas como quase sagradas foram postas em causa. Surgem novas ideias e novos métodos. No seu livro "Das revoluções dos corpos celestes", Nicolau Copérnico defende o heliocentrismo. A observações astronómicas muito rigorosas de Tycho Brahe, sugerem a Johannes Kepler o modelo de órbitas dos planetas elípticas. O heliocentrismo tem uma influência decisiva na evolução do pensamento humano ao retirar o Homem do centro do Universo, separa também definitivamente a ciência da religião. Galileu Galilei "o pai da ciência" moderna teve um papel decisivo na chamada revolução científica. Ele contribui decisivamente para a aceitação do heliocentrismo devido às primeiras observações astronômicas feitas com a ajuda do telescópio: descobre quatro dos satélites de Júpiter e as fases de Vênus e que a Via Láctea é formada por miríades de estrelas invisíveis a olho nu. Mas é sobretudo pelo estabelecimento definitivo do chamado método científico que Galileu contribui ao nascimento da física moderna. Utilizando este método ele revoluciona as leis do movimento. Ele estabelece, por exemplo, que todos os corpos sem atrito caem à mesma velocidade, e que é a resistência do ar que faz uma pena cair mais devagar e não uma propriedade inerente a esta. Estabelece também o conceito de inércia que seria incluído por Isaac Newton no seus Principia Mathematica como a primeira lei. Newton estende amplamente as leis do movimento nesta obra e estabelece as teorias da mecânica clássica e da Gravitação Universal. Ele define a luz como constituída por partículas e a gravidade como uma força instantânea exercida à distância. Christiaan Huygens, opõe-se à teoria corpuscular da luz e é o primeiro a descrever a luz como uma onda. Newton é ainda junto com Leibniz, o fundador do cálculo infinitesimal.

Física Clássica[editar | editar código-fonte]

O trabalho de Newton é no séc. XVIII generalizado por Euler, Lagrange, Laplace e William Hamilton (já no séc. XIX) entre outros formando o edifício completo da Mecânica Clássica incluindo a Mecânica Celeste devida a Laplace.

Ver também[editar | editar código-fonte]