História da física

Pode-se traçar a história da Física a partir do momento em que a humanidade começou a ver e analisar os fenômenos naturais de modo racional, abandonando explicações místicas ou divinas. As primeiras tentativas racionais de explicação da Natureza vieram com os indianos e com os gregos antigos. Antes disso, fenômenos naturais e suas consequências eram explicados por deuses e deusas; Apolo, em sua carruagem, carregava a esfera brilhante, o Sol, de leste para oeste, todos os dias. A Filosofia Natural, como era conhecida a Física até tempos mais modernos, confundia-se com a Química e com certos aspectos da Matemática e Biologia, e pode ser considerada a disciplina acadêmica mais antiga, se for considerada a sua presença dentro da Astronomia.

Após ter visto um momento de esplendor na Grécia Antiga, tendo como nome principal Aristóteles, a Física entrou em declínio na Idade Média, tendo revivido apenas durante o Renascimento, durante a Revolução Científica. Galileu Galilei é considerado o primeiro Físico em seu sentido moderno, adotando a Matemática como ferramenta principal. Galileu é um dos pioneiros a descrever o real objetivo de um cientista; sua função é apenas descrever os fenômenos em vez de tentar explicá-los. Já dotado de um método científico, a Física teve uma notável evolução com Isaac Newton, que realizou a primeira grande unificação da Física ao unir Céus e Terra sob as mesmas leis da Física, a gravitação universal.

Nos séculos XVIII e XIX surgiram os fundamentos da termodinâmica e do eletromagnetismo, destacando-se Rudolf Clausius, James Prescott Joule e Michael Faraday. James Clerk Maxwell realizou outra grande unificação da Física ao fundir eletricidade e magnetismo sob as mesmas descrições matemáticas, sendo que toda a Óptica pode ser derivada da teoria eletromagnética de Maxwell.

No final do século XIX pensava-se que todos os fenômenos físicos poderiam ser explicados dentro das teorias correntes. Entretanto, certos "fenômenos rebeldes" fugiam do alcance dos cientistas. No início do século XX, ao tentar explicar matematicamente a radiação de corpo negro, Max Planck introduziu o conceito de quantum de energia. Em 1905, Albert Einstein apresentou, sob a forma de cinco artigos, as base da Relatividade e da Mecânica Quântica. Tais "fenômenos rebeldes" finalmente foram explicados, mas a ontologia determinista estrita e pontual, característica da mecânica newtoniana, foi abalada seriamente, que foi agravada após a publicação do Princípio da Incerteza de Werner Heisenberg e do princípio da complementaridade de Niels Bohr.

Desde então, a Física preocupa-se em explicar, sob o ponto de vista da Física Moderna, a natureza as quatro forças fundamentais da Natureza. O Modelo Padrão, apresentada na década de 70, descreve três das quatro forças. Trabalhos dentro do Grande Colisor de Hádrons (LHC), no CERN, e no Fermilab, procuram confirmar a existência do bóson de Higgs, a única partícula prevista pelo Modelo Padrão ainda não descoberta. Entretanto, a gravidade ainda carece de uma explicação teórico-experimental enraizada pela Física Moderna e é ainda um grande problema em aberto da Física.

Antiguidade

As pessoas desde a Antiguidade sempre prestaram atenção nas regularidades da Natureza; o Sol nasce todo dia; um ciclo lunar é completado em aproximadamente 28 dias, praticamente o mesmo período de um ciclo menstrual; as estrelas ocupam a mesma posição no céu em um determinado momento a cada ano, um objeto sempre cai quando não é apoiado; as quatro estações do ano sempre estão ordenadas e se repetem anualmente.

Esta ordenação da Natureza precisava de explicações satisfatórias. Inicialmente, os povos antigos atribuíam tais fatos à mitologia e à metafísica; deuses e deusas que controlavam o mundo. Na Grécia Antiga, Gaia era a deusa Terra e Zeus controlava o poder dos relâmpagos. Apolo, com a sua carruagem flamejante do Sol, cruzava os céus uma vez por dia.

Basicamente, "Física" é uma tentativa de se obter explicações racionais sobre o mundo real, em contraste com explicações metafísicas, mitológicas, religiosas ou mágicas. Tomando Física com base nesta definição, os povos antigos começaram a construí-la em diferentes partes do mundo em diferentes épocas, com propósitos e ênfases diferentes. O povo maia, no século I a.C, já havia desenvolvido um calendário; conheciam a duração de um ano com uma precisão de seis segundos. Também conheciam com bastante precisão os movimentos do Sol e dos planetas e desenvolveram a noção de zero antes dos europeus. Os indianos também haviam desenvolvido a noção de zero, que foi transmitido ao mundo árabe. Também refletiam sobre questões físicas desde o III milênio antes de Cristo. Entre o IX e o VI século a.C. os filósofos indianos já defendiam o heliocentrismo e o atomismo. Na Grécia Antiga, Tales de Mileto foi historicamente o primeiro filósofo ocidental a recusar explicações sobrenaturais, religiosas ou mitológicas para os fenômenos naturais, defendendo que todo evento tem uma causa natural. No século IV a.C., os chineses já haviam enunciado o que é conhecido hoje como a Primeira Lei de Newton.

Grécia Antiga

Aristóteles, considerado um dos maiores filósofos naturais da Grécia Antiga

As primeiras tentativas do Ocidente em prover explicações racionais para os funcionamentos da Natureza vieram com os gregos, por volta do século VII a.C.. Pitágoras e seus seguidores, no século VI a.C., acreditavam que todo o sistema numérico era dividido em elementos finitos, uma ideia precursora do atomismo. Os gregos Leucipo, Demócrito e Epicuro, nos séculos V a III a.C., impulsionaram a ideia de que a matéria era dividida em "átomos" extremamente pequenos, com diferentes materiais sendo formados de diferentes átomos e suas combinações. Aristarco de Samos, no século III a.C., foi um dos primeiros gregos a propor o heliocentrismo, embora o paradigma dominante fosse geocentrista. Aristarco também tentou calcular o tamanho relativo da Terra, da Lua e do Sol.

Entretanto, os gregos não estavam preocupados com a experimentação. Todas as explicações racionais do mundo eram derivados de um pequeno número de princípios filosóficos; boas argumentações e um pouco de lógica se sobrepunham à comprovações empíricas, deixada para "artesãos".

Aristóteles é descrito com frequência como sendo o grego que proveu as explicações mais compreensivas dentro destes princípios filosóficos. Ele acreditava na existência de quatro elementos básicos, a terra, a água, o ar e o fogo. Cada um tinha o seu lugar natural no Universo, determinado pelo seu peso. A terra é pesada e tenderia a permanecer no centro do Universo, a água tenderia a permanecer acima da terra e o ar, por sua vez, tenderia a permanecer na superfície terrestre. O fogo tenderia a escapar do centro do Universo. Haveria ainda um quinto elemento, perfeito, que não teria peso. As estrelas seriam formadas por esse quinto elemento, o éter.

Em seu livro, Física, Aristóteles descreveu o movimento de um corpo. Um corpo manteria seu estado de movimento apenas se estivesse em contato com o seu "movedor". Caso contrário, a tendência de um corpo seria parar. Aristóteles explicou que o movimento de uma flecha após ser lançada seria causada pela "impulsão do ar", uma tendência natural do ar fechar o "vácuo" formado pela flecha em seu rastro, já que, segundo Aristóteles, a "Natureza abomina qualquer forma de vácuo". No caso dos objetos constituídos por éter, para Aristóteles, bastaria apenas um "lançamento inicial" para pôr tais objetos em movimento, e esse movimento seria perpétuo, pois objetos formados por éter não teriam peso e, portanto, não teriam a necessidade de um "movedor".

Os gregos fizeram muitos esforços para prover explicações racionais sobre os movimentos dos planetas, do Sol, da Lua e das estrelas. Eudoxo de Cnido, no século IV a.C., foi aparentemente o primeiro grego a prover observações quantitativas sobre o movimento dos astros usando descrições matemáticas. Ele desenvolveu um sistema de esferas, notando a periodicidade dos movimentos dos astros. As esferas eram centradas na Terra, mas seus eixos de rotação eram centradas em esferas exteriores. Assim, Eudoxo elaborou um sistema de esferas concêntricas, e cada esfera estava ligada a um planeta. Isto encaixava na crença dos gregos de que o círculo é o objeto geométrico mais perfeito. Apolônio de Perga aperfeiçoou o sistema de esferas no século III a.C.; cada planeta estava fixada a uma pequena esfera, que por sua vez estava fixada em uma esfera maior, que completava uma volta a cada dia. Estas pequenas esferas ficaram conhecidas como epiciclos e explicavam o movimento retrógrado aparente dos planetas no céu para um observador da Terra.

O sistema esférico dos astros foi se complexificando com o aumento da precisão matemática. Hiparco, no século II a.C., utilizou registros gregos e babilônicos para prover dados mais precisos, e Ptolomeu, no mesmo século, já havia construído um sistema de esferas contendo mais de 80 elementos para explicar toda a periodicidade dos astros no céu, todos descritos em seu livro Almagesto. Eratóstenes deduziu que a Terra era uma esfera e calculou apuradamente sua circunferência usando sombras de bastões fincados verticalmente para comparar os ângulos, ou seja, o tamanho da sombra projetada no chão pelo bastão vertical, entre dois pontos bastante separados na superfície da Terra. Arquimedes é considerado o fundador da hidrostática, da estática e formulou as leis da alavanca. Formulou os princípios do empuxo em fluidos, conhecidos como Princípios de Arquimedes. Arquimedes também inventou o parafuso de Arquimedes, uma máquina constituída de um parafuso e de um tubo, capaz de bombear água para níveis mais elevados.

Idade Média e Filosofia Natural Islâmica

Ver também: Física islâmica medieval

Estudos de Roger Bacon sobre óptica, no final do século XIV.

Com a queda do Império Romano no século V, a maior parte da literatura grega se perdeu assim que a Europa entrou num período conhecido como a "idade das trevas", onde o interesse pela obtenção do conhecimento e da própria educação praticamente desaparece. A terra, que era esférica, passa a ser plana. Os conhecimentos da Natureza até então obtidos passam a ser subjugados pelas Escrituras Sagradas.

Entretanto, o conhecimento grego não foi totalmente perdido. Todo esse conhecimento, que havia migrado para o Oriente Médio e Egito, foi traduzido para o árabe pelas pessoas que viviam nestas regiões. Os árabes não somente mantiveram o conhecimento grego vivo, como o enriqueceram. As leis da refração já haviam sido enunciadas pelos persas. Os árabes também traduziram trabalhos indianos e começaram a usar numerais e a álgebra. A noção de zero foi levada para a Europa pelos árabes. Al-Battani calculou a precessão dos equinócios com maior precisão do que o grego Ptolomeu. Mohammed al-Fazari desenvolveu o astrolábio, enquanto que al-Khwarizmi emprestou seu nome para que conhecemos atualmente como algarismo.

No século XII, com a reconquista dos territórios árabes na Europa, teve início a tradução da literatura árabe e grega para o latim, e a Europa Medieval redescobriu, assim, o conhecimento grego juntamente com novos conhecimentos árabes. A intelectualidade na Europa durante a "Idade das Trevas" manteve-se preocupada com a cópia manuscrita de livros sagrados. Em outras palavras, a educação estava em torno da Igreja Católica. Com o passar dos séculos e com a "avalanche" de conhecimentos redescobertos, escolas começaram a se formar adjacentes às igrejas e catedrais. Tais escolas evoluíram para as primeiras universidades medievais por volta do século XIII. As universidades inglesas de Cambridge e de Oxford surgiram nesta época. Com o advento de universidades associadas à Igreja, outras universidades foram fundadas por governos de cidades e Estados. O trabalho realizado dentro destas universidades medievais contribuiu muito para a evolução do conhecimento científico que se seguiria séculos depois.

Na primeira metade do século XIV, ressurge a teoria do ímpeto, que já havia sido iniciada por Hiparco e impulsionada por João Filopono, radicalmente modificada pelo persa Avicena e consagrada pelo francês Jean Buridan. Um projétil após ter sido lançado tem seu movimento continuado devido a algo interno, chamado "ímpeto", doado pelo lançador no momento do tiro. O "ímpeto" se perpetuaria se não houvesse a "tendência natural de cair ao chão" e se não houvesse contato com outros objetos. Um objeto com mais peso teria mais "ímpeto" do que um objeto mais leve, considerando-se a mesma velocidade. Esta maneira de pensar, ainda similar à "Física" de Aristóteles, tornou-se um antecessor às concepções de inércia, momento linear e aceleração.

O inglês Guilherme de Ockham opôs-se à teoria do ímpeto e afirmou que não se pode diferenciar qual o objeto seria o projétil, o objeto lançado ou o lançador. Segundo ele, não podendo se afirmar qual é o projétil, não se pode afirmar nenhuma conclusão sobre "ímpeto". Além disso, Ockham, um grande lógico, criou a chamada "Navalha de Ockham". Segundo este princípio, a melhor explicação para o funcionamento da Natureza é aquela que pode descrever o fenômeno nos seus princípios mais fundamentais. Outras descrições mais elaboradas são "descartadas". Robert Grosseteste e Roger Bacon realizaram importantes trabalhos experimentais sobre óptica, nos séculos XII e XIII.

Com o advento da peste negra, novamente a Europa caiu em um período onde se teve poucas produções científicas, encerrando-se apenas com a publicação de De revolutionibus orbium coelestium, de Nicolau Copérnico, trazendo o heliocentrismo novamente ao centro das atenções.

Renascimento e o desenvolvimento do método científico

Ver também: Revolução científica

Galileu Galilei

O Renascimento do conhecimento e da aprendizagem na Europa, que se seguiu à redescoberta dos conhecimentos gregos e árabes, afetou toda a sociedade europeia.

Em 1541, Nicolau Copérnico publica o livro De revolutionibus orbium coelestium, que marca o início da astronomia moderna. Neste livro, Copérnico defende o heliocentrismo e o suporta matematicamente. A partir do século XVII, os filósofos naturais começam a montar um ataque sustentado contra o programa filosófico escolástico, que unia filosofia e teologia. Também propuseram que a descrição matemática de áreas como a Mecânica e Astronomia poderiam universalizar as características dos movimentos.

Um dos grandes nomes desta época é o italiano Galileu Galilei. Uma das maiores contribuições de Galileu foi reconhecer que o papel de um cientista não era explicar o "porquê" dos fenômenos, mas somente descrevê-los. Em um de suas obras, Discursos e Demonstrações Matemáticas acerca de Duas Novas Ciências Galileu levanta a questão de por que um objeto cai sem sustentação. Na réplica, Galileu diz que não explicou nada, apenas o descreveu. Galileu simplificou o papel de um cientista, sua função é apenas fazer uma descrição, sem procurar os "porquês" que ele mesmo não pode responder. Galileu foi um dos pioneiros a reconhecer na matemática uma ferramenta para descrever os fenômenos naturais e confirmá-los através de experimentações.

Os estudos de Galileu recaíram no estudo de movimento de projéteis, da queda livre e na Astronomia. Galileu concluiu que os movimentos verticais e horizontais são independentes e que a distância percorrida por um objeto em queda livre é proporcional ao quadrado do intervalo de tempo decorrido. Galileu também aperfeiçoou o telescópio e descobriu os satélites galileanos, os quatro maiores satélites de Júpiter, e as fases de Vênus, o que levou Galileu a defender o heliocentrismo e a ser condenado pela Igreja pelo seu ato.

Os métodos de Galileu, alem de cientistas contemporâneos, como Johannes Kepler e William Gilbert, já eram uma derivação da nova forma de se pensar da época, uma nova forma de filosofia que vinha sido desenvolvida, entre outros, pelo francês René Descartes e pelo inglês Francis Bacon, que veio a ficar conhecido como método científico. Tal forma de se pensar já vinha desde os filósofos naturais islâmicos.

Segundo Francis Bacon, a ciência deve ser qualitativa, experimental e indutiva. Deve rejeitar assunções a priori. Se houver uma quantidade suficiente de observações, tais observações devem ser usadas para se induzir ou generalizar os princípios fundamentais envolvidos nos fenômenos a serem estudados.

Porém, René Descartes propôs uma lógica diferente: não se deve iniciar as observações com descrições de fatos "crus", sem conexão, ao se analisar um determinado fenômeno. Descartes acreditava que os princípios mais fundamentais que regem a Natureza poderiam ser obtidos de uma combinação de pura razão com lógica matemática. Sua abordagem era analítica: os problemas devem ser partidos aos seus constituintes mais fundamentais e após rearranjá-los logicamente. Os fenômenos podem ser reduzidos aos seus componentes fundamentais. Se tais componentes fundamentais forem entendidos, portanto o sistema como um todo também será. Embora os pensamentos de Bacon e de Descartes fossem diferentes, a congruência dessas filosofias dominou as investigações científicas nos séculos seguintes.

Mecânica Clássica

Isaac Newton

A Mecânica Clássica deriva-se da queda da física aristotélica, que perdurou por toda a Idade Média. Esta queda iniciou-se com os trabalhos de Galileu Galilei. Tornou-se claro que os céus não eram feitos de uma "substância perfeita", o éter. Adotando o sistema heliocêntrico de Nicolau Copérnico, Galileu acreditou que a Terra não passaria de mais um planeta que orbita em torno do Sol. Os importantes experimentos quantitativos de Galileu sobre queda livre e movimento de projéteis foram importantes pontos de partida para os trabalhos de Isaac Newton.

Newton foi o primeiro a unificar as três leis do movimento (Lei da Inércia, a força como relação massa e aceleração e a lei da ação e reação), conhecidas como Leis de Newton, e provar que estas leis governam tanto a Terra como os Céus. Newton e seus conteporâneos esperavam que a Mecânica Clássica pudesse ser capaz de explicar todos os fenômenos, incluindo a Óptica. Em seu livro, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Newton descreveu a universalidade de suas leis e concluiu a primeira grande unificação da História da Física, já iniciada por Galileu, ao unir Céus e Terra, os trabalhos de Galileu e de Kepler, sob as mesmas leis físicas, a gravitação universal.

Newton também foi um dos desenvolvedores, juntamente com o alemão Gottfried Leibniz, do Cálculo, uma das mais importantes ferramentas matemáticas para dar linguagem à Mecânica Clássica. Anos mais tarde, Leonhard Euler estendeu as Leis de Newton para corpos rígidos e realizou simplificações matemáticas para as suas leis, como a introdução do conceito de força como produto da massa pela aceleração (Newton havia elaborado o conceito de força como a derivada da quantidade de movimento).

A Mecânica Clássica foi aperfeiçoada com o decorrer dos séculos. Além das contribuições de Euler, os trabalhos de Joseph-Louis Lagrange e de William Rowan Hamilton permitiram soluções para uma grande quantidade de problemas. Em meados do Século XIX, a Mecânica Clássica atinge seu auge: todos os problemas físicos podiam ser reduzidos a simples problemas que a Mecânica Clássica obteria respostas consistentes. Entretanto, várias incompatibilidades surgiram, como a diferença de comportamentos da Mecânica Clássica com o Eletromagnetismo em referenciais diferentes. Surgiu a necessidade de novas explicações e no início do Século XX, a Mecânica Clássica foi reduzida a simples caso particular dentro da Relatividade e da Mecânica Quântica.

Termodinâmica

Rudolf Clausius

No século XVII, as noções básicas de calor e de temperatura já estavam estabelecidas. Os cientistas daquela época já estavam convencidos de que tais propriedades físicas estavam associadas aos movimentos das estruturas microscópicas da matéria. Entretanto, no século seguinte, a noção de que o calor era uma substância fluida tornou-se dominante.

Apenas na década de 1840 James Prescott Joule e outros cientistas começaram a derrubar esta forma de pensamento e, na década seguinte, tornou-se aceito que o calor é de fato uma forma de energia. A relação entre calor e energia tornou-se importante para o desenvolvimento de máquinas a vapor. Ainda em 1824, o francês Sadi Carnot já tinha em mente algumas ideias rudimentares de termodinâmica para discutir a eficiência de máquinas térmicas idealizadas.

Por volta de 1850, Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin) foram os primeiros a enunciar a Primeira Lei da Termodinâmica: a energia total é conservada. Tanto Clausius quanto Thomson também enunciaram os rudimentos da Segunda Lei da Termodinâmica. Originalmente, ambos descreveram que o calor não "flui" espontaneamente de um corpo frio para outro quente, o que é descrito atualmente em termos de entropia, onde a entropia de qualquer sistema isolado tende a aumentar com o tempo, até alcançar um valor máximo.

A ideia de que gases são constituídos de moléculas em movimento foi discutida inicialmente por Daniel Bernoulli, em 1738, embora não tenha alcançado grande aceitação. Esta ideia foi revivida por Clausius em 1857 e, três anos depois, James Clerk Maxwell derivou da mecânica da colisão de moléculas individuais a distribuição da velocidade das moléculas em um gás. Durante os anos seguintes, a teoria cinética dos gases desenvolveu-se rapidamente e muitas propriedades macroscópicas dos gases em equilíbrio foram computadas.

Em 1872, Ludwig Boltzmann construiu uma equação que, segundo ele, detalhava a evolução de um gás, em equilíbrio ou não, através de um período de tempo. Durante a década de 1860, Clausius havia introduzido a noção de entropia como a razão do calor pela temperatura e enunciou a Segunda Lei da Termodinâmica como sendo o aumento desta grandeza. Boltzmann então mostrou que sua equação implica na chamada teorema H, que afirma que uma grandeza igual à entropia deve sempre aumentar com o tempo em um processo irreversível. Isto provaria a Segunda Lei da Termodinâmica. Entretanto, tal ideia gerou discussões, pois se assumia que as colisões moleculares poderiam ser reversíveis e, portanto, entrava em contradição com a Segunda Lei da Termodinâmica.

Mais tarde, foi mostrado que a equação original de Boltzmann implicaria implicitamente que as moléculas não estão relacionadas antes da colisão mas estão logo após. Isto introduziria uma assimetria fundamental no próprio conceito de tempo. Durante a década de 1870, Kelvin e Maxwell já estavam convencidos de que a Segunda Lei da Termodinâmica não poderia ser entendida em termos de Física microscópica, mas de alguma forma de propriedades intrínsecas de probabilidade envolvendo um grande número de moléculas. Boltzmann, convencido da reversibilidade da colisão de moléculas, argumentou que em um gás há mais estados aleatórios do que ordenados. Baseado nesta argumentação, Boltzmann afirmou que a entropia deve ser proporcional ao logaritmo do número de estados possíveis de um sistema, formulando os rudimentos da Física Estatística.

Eletromagnetismo

William Gilbert

A humanidade conhece as forças magnética e elétrica desde a antiguidade, mas apenas os gregos antigos a partir do quarto século a.C. começaram a refletir racionalmente sobre suas propriedades.

Entretanto, as investigações sistemáticas não começaram até a Idade Média; os fenômenos magnéticos começaram a ser explorados primeiramente. No século XII, a bússola já era conhecida na Inglaterra. O francês Petrus Peregrinus de Maricourt concluiu que uma agulha magnetizada alinha-se longitudinalmente a um ímã esférico, alinhando-se a dois pontos que Maricourt chamou de polos magnéticos.

Entretanto, um dos primeiros cientistas a realizar estudos sistemáticos sobre eletricidade e magnetismo foi o inglês William Gilbert, no século XVI. Gilbert confirmou os trabalhos de Maricourt e especulou corretamente que a Terra é um gigantesco ímã. No seu livro, De magnete, Gilbert descreveu também que a força elétrica pode ser observada em vários materiais friccionados. Ele atribuiu este fenômeno à remoção de um "fluido elétrico" devido à fricção e chamou esta propriedade como fenômeno "elétrico", termo derivado do grego elektrum, que significa âmbar.

Otto von Guericke construiu o primeiro gerador eletrostático utilizando a fricção de uma esfera de enxofre. Pieter van Musschenbroek é o primeiro a publicar trabalhos sobre a "garrafa de Leiden", um dos primeiros acumuladores de carga, antecessor do capacitor. Benjamin Franklin foi um dos primeiros a propor que um corpo contém quantidades iguais de cargas negativas e positivas, que sob circunstâncias normais, são neutralizadas uma pela outra. O ato de eletrificar seria a separação das duas "formas" de eletricidade, a negativa e a positiva. Franklin demonstrou seus argumentos e propôs que os raios de tempestades não passariam de gigantescas centelhas que neutralizariam as cargas elétricas presentes no solo e nas nuvens. No famoso experimento da pipa, Franklin conseguiu com sucesso armazenar cargas elétricas de uma nuvem de tempestade em uma garrafa de Leiden.

As primeiras tentativas de quantificação da eletricidade e do magnetismo se iniciaram no século XVIII. Charles Augustin de Coulomb inventou a balança de torção para medir com precisão as forças envolvidas em corpos carregados eletricamente. Coulomb concluiu que a força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância, o que ficou conhecido como a lei de Coulomb. No final do século XVIII e no início do século XIX, vários grandes físico-matemáticos conceberam vários formalismos matemáticos para os fenômenos elétricos e magnéticos, como Siméon-Denis Poisson, Pierre-Simon Laplace e Carl Friedrich Gauss. Alessandro Volta descobriu que dois metais diferentes em contato produziam um potencial elétrico. Usando isso, Volta construiu a primeira "pilha voltaica". Tal pilha poderia produzir uma corrente elétrica com ordens de magnitude maior do que já se tinha feito até então com geradores eletrostáticos.

James Clerk Maxwell

Sabia-se, até então, que a eletricidade e o magnetismo estavam relacionados apenas nos formalismos matemáticos semelhantes, exceto que o magnetismo não tinha monopolos. No entanto, sabia-se que um raio poderia defletir a agulha de uma bússola. Hans Christian Oersted, que estava filosoficamente convencido da união das forças da natureza, ao saber da pilha voltaica, realizou experimentos com grandes correntes e percebeu que a força magnética está presente em uma corrente elétrica. Ao saber dos trabalhos de Oersted, André Marie Ampère desenvolveu uma completa teoria quantitativa fundamentada matematicamente. Ampère foi além: por meio de experimentos, concluiu que a força magnética de um magneto permanente é exatamente equivalente à força magnética de um condutor de eletricidade, considerando-se a intensidade da corrente elétrica ou o número de espiras de um condutor enrolado (que Ampère chamou de solenoide). Ampère também concluiu que um magneto permanente deve conter correntes elétricas fechadas em seu interior e que a magnetização é o alinhamento de moléculas dotadas de magnetismo.

Michael Faraday introduziu o conceito de "campo", o que simplificou a matemática que descrevia os fenômenos elétricos e magnéticos. Segundo Faraday, a presença de cargas elétricas e magnéticas causavam uma "distorção" no espaço. A esta "distorção" Faraday chamou de campo. A ação do campo ocorria sob a forma de "linhas de força". Impressionado com os trabalhos de Oersted, Faraday propôs o inverso, a variação da força magnética causaria corrente elétrica. Após dez anos de tentativas, em 1831 Faraday pôde demonstrar experimentalmente suas ideias. Faraday foi além: construiu o primeiro motor elétrico, o primeiro transformador e o primeiro dínamo. Faraday também tentou explicar os fenômenos elétricos e magnéticos microscopicamente, afirmando que a polarização dos objetos era devida a rotação de átomos dipolares (a ideia de átomo ainda estava sendo levantada à época, e não se previa a existência do elétron). Faraday também argumentava que a luz era uma manifestação do eletromagnetismo e cogitou a hipótese de unificar as forças elétrica e magnética à gravitação.

James Clerk Maxwell foi o grande unificador dos trabalhos dos cientistas do século XIX, unindo, sob a mesma teoria fundamentada matematicamente, os trabalhos de Gauss, Ampère e Faraday, com várias correções próprias. Iniciando seus trabalhos com foco nas linhas de força de Faraday, Maxwell fundamentou toda a base matemática da teoria eletromagnética observando similaridades com outras áreas da Física Clássica, como termodinâmica e hidrodinâmica. Seu trabalho é resumido em apenas quatro equações, conhecidas atualmente como as equações de Maxwell. Demonstrou matematicamente a velocidade da luz usando apenas princípios eletromagnéticos, o que finalmente levou a Óptica a ser fundida com a teoria eletromagnética. Em 1888, Heinrich Rudolf Hertz confirmou experimentalmente a existência das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell. O trabalho de Maxwell serviu como base para a futura revolução tecnológica ocorrida no século XX.

Física moderna

Albert Einstein

Durante as últimas décadas do século XIX, todos os fenômenos físicos poderiam ser explicados dentro das teorias clássicas da Física, segundo o pensamento corrente. Existiam "fenômenos rebeldes", mas que em breve poderiam ser encaixados em tais teorias. Entretanto, tais "fenômenos rebeldes" tornaram-se grandes problemas para a Física. Dentre tais "fenômenos rebeldes", destacavam-se a radiação de corpo negro, o efeito fotoelétrico e o espectro de raias dos elementos.

Em 1900, o alemão Max Planck, em uma tentativa de dar um suporte matemático à radiação de corpo negro, propôs que haveria uma limitação energética na vibração de osciladores causadores da radiação; um oscilador não vibraria com qualquer energia, mas apenas com energias "demarcadas". Os valores de tais energias seriam múltiplos de números naturais, o que foi chamado de quantum de energia. A energia deste quantum seria dada pelo produto de um número natural pela frequência da onda eletromagnética, e por uma constante universal, que veio a ser chamada de constante de Planck.

Em 1905, Albert Einstein publica cinco artigos no periódico Annalen der Physik, onde Einstein apresenta pela primeira vez o início da Relatividade e da Mecânica Quântica. Alcançando o mesmo resultado para a constante de Planck, mas fornecendo bases físicas mais consistentes, Einstein pôde explicar o efeito fotoelétrico e postulou que a velocidade da luz é constante em qualquer referencial inercial. Dez anos mais tarde, Einstein publica a sua Relatividade Geral, onde Einstein amplia a Relatividade para referenciais não-inerciais e para a gravitação.

Niels Bohr

Em 1924, o francês Louis de Broglie propõe a dualidade onda-partícula para o elétron. Dois anos mais tarde, Erwin Schrödinger publica a sua equação, que é a base da Mecânica Quântica atual. Em 1927, Werner Heisenberg defende que não se pode mensurar a posição e a velocidade de uma partícula subatômica ao mesmo tempo, estabelecendo o Princípio da Incerteza, abalando as estruturas do determinismo estrito e pontual, na qual se pode conhecer todo o passado e futuro de uma partícula conhecendo-se a sua posição e velocidade em um determinado instante.

Na década de 40, a equipe liderada por Richard Feynman formula a eletrodinâmica quântica, na qual as forças eletromagnéticas são intermediadas por fótons. Esta teoria é uma das mais precisas já construídas pelo homem atualmente. Com a idealização e descoberta dos quarks, partículas fundamentais que formam, entre outras partículas, o próton e o nêutron, a cromodinâmica quântica é formulada, na qual se descreve a interação de partículas subatômicas (quarks e glúons) através da força nuclear forte. A eletrodinâmica e a cromodinâmica são bases de um conjunto de teorias chamada de Modelo Padrão, que descreve três das quatro forças fundamentais da Natureza.

Entretanto, o Modelo Padrão não é capaz de abranger a gravidade, alvo de estudos desde a Revolução Científica com Galileu Galilei com os estudos da queda livre. A gravitação ainda não tem um suporte teórico-experimental enraizado pela Física moderna sobre a sua verdadeira causa. A Relatividade Geral de Einstein entra em conflito com a Mecânica Quântica e constitui um dos maiores desafios para físicos teóricos e experimentais atualmente.

Ver também

• Física
• História da ciência
• História da eletricidade