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Física


  Biofísica

O homem sempre buscou compreender melhor os fen¶menos naturais e a estrutura do universo. Para isso, tem procurado definir princÝpios e leis elementares. Todo  esse esforþo levou ao surgimento da fÝsica como uma disciplina cientÝfica.

FÝsica Ú a ciÛncia que estuda os fen¶menos naturais pela aplicaþÒo de um mÚtodo regido por determinados princÝpios gerais e disciplinado por relaþ§es entre experimentos e teoria. Seu campo de aþÒo compreende, em linhas gerais, o estudo das propriedades da matÚria - seus aspectos e nÝveis de organizaþÒo - e das leis de seu movimento e transformaþ§es. Busca formular essas leis em uma linguagem matemßtica capaz de abranger o maior n·mero possÝvel de fen¶menos.

A conceituaþÒo da fÝsica, no entanto, enfrenta o problema da adequada qualificaþÒo e delimitaþÒo da ßrea e aplicaþ§es pr¾prias dessa ciÛncia. O grupo de ciÛncias da natureza Ú imenso e, alÚm disso, a pr¾pria fÝsica e seus campos de estudo estÒo em constante evoluþÒo, graþas a novos instrumentos e descobertas. ExcluÝdos os aspectos quÝmicos e biol¾gicos da matÚria, pode-se dizer que pertencem ao conte·do pr¾prio da fÝsica quatro nÝveis microsc¾picos bßsicos da matÚria - subnuclear, nuclear, at¶mico e molecular - e quatro modos de organizaþÒo (estados) - gasoso, s¾lido, lÝquido e plasmßtico. Suas propriedades gerais, leis de movimento e transformaþ§es sÒo descritas mediante quatro interaþ§es bßsicas: gravitacional, eletromagnÚtica, interaþÒo forte e interaþÒo fraca. As duas ·ltimas atuam predominantemente nos domÝnios nuclear e subnuclear.

TambÚm Ú preciso excluir do domÝnio da fÝsica aquelas interfaces com outras ciÛncias da natureza que constituem campos interdisciplinares, como a biofÝsica, a geofÝsica e a fÝsico-quÝmica. Nessas disciplinas, a abordagem Ú feita do ponto de vista da fÝsica, mas o objeto de estudos pertence a outras ßreas. Diferente Ú o caso da astrofÝsica, em que o objeto de estudos serve para testes dos conhecimentos obtidos em escala terrestre e de fonte para fen¶menos novos a serem estudados pela fÝsica.

A fronteira com domÝnios filos¾ficos aparece implicitamente no conceito exposto acima, na seguinte questÒo: as propriedades e leis de movimento da matÚria existem independentemente dos procedimentos empregados para conhecÛ-las? Essa questÒo pertence Ó teoria do conhecimento e a maioria dos fÝsicos parece disposta a crer que o mundo material preexiste com suas leis pr¾prias, que eles descobrem e representam numa imagem tÒo fiel e correta quanto seus instrumentos, mÚtodos de observaþÒo e de anßlise o permitem. Outras quest§es filos¾ficas importantes relacionam-se com os conceitos de espaþo e de tempo, intimamente ligados Ó matÚria e ao movimento, que suscitam interpretaþ§es relacionadas com limites eventuais de existÛncia do universo e com as categorias de determinismo e causalidade.

As fronteiras com a tÚcnica tÛm origem na base empÝrica da fÝsica, construÝda sobre mÚtodos experimentais e instrumentos de medidas. A fÝsica ora cria e aperfeiþoa esses instrumentos, ora os busca em outras ßreas de estudo. A luneta telesc¾pica, por exemplo, que permitiu a Galileu realizar observaþ§es de grande impacto cientÝfico, foi criada para servir Ó tÚcnica de navegaþÒo. A fÝsica tambÚm contribui com variadas aplicaþ§es no lar, na ind·stria, na medicina e na pesquisa cientÝfica, como Ú o caso da energia elÚtrica e do raio X.

O reconhecimento das imensas possibilidades da fÝsica para a criaþÒo de tÚcnica aproveitßvel pelas outras ciÛncias e pela sociedade motivou a mobilizaþÒo de esforþos e recursos humanos com o objetivo de explorß-la sistemßtica e intencionalmente. O conjunto dessas atividades constitui a fÝsica aplicada, campo em que se realizam, por exemplo, pesquisas sobre semicondutores voltadas para as aplicaþ§es da eletr¶nica, e pesquisas sobre fusÒo nuclear controlada, em busca de novas formas para a produþÒo de energia.


Metodologia e campos de estudo


Segundo o mÚtodo de abordagem, a fÝsica subdivide-se em experimental e te¾rica. A primeira Ú uma sondagem das propriedades da matÚria, seu movimento e transformaþ§es, atravÚs de observaþ§es e medidas dos aspectos quantitativos relevantes. A fÝsica te¾rica visa a incorporaþÒo dos resultados experimentais em teorias consistentes, capazes de articular elementos novos com aqueles jß conhecidos, representando-os segundo estruturas l¾gicas abrangentes que recorrem a um conjunto mÝnimo de postulados e princÝpios gerais. Enseja tambÚm a previsÒo de fen¶menos ou comportamentos novos e a formulaþÒo da teoria dos instrumentos de medida, essencial para o desenvolvimento do mÚtodo experimental. Os dois tipos de abordagem se acham em todos os campos e divis§es da fÝsica.

A fÝsica te¾rica requer grande imaginaþÒo e domÝnio do instrumento matemßtico, enquanto a fÝsica (e a matemßtica) experimental exige alta engenhosidade, conhecimento de tÚcnicas variadas, habilidade de planejamento experimental e perseveranþa na superaþÒo de dificuldades. Para responder Ós quest§es que sÒo apresentadas, a fÝsica requer inicialmente uma observaþÒo cuidadosa dos fen¶menos, bem como a anßlise dos fatores que podem influir sobre eles. Ap¾s a consideraþÒo de um fato concreto, chega-se a um raciocÝnio e se enuncia uma hip¾tese de trabalho capaz de explicar o fen¶meno observado e Ó qual se possa chegar de uma maneira indutiva ou dedutiva.

O passo seguinte Ú a experimentaþÒo, ou seja, a reproduþÒo do fen¶meno sob condiþ§es previamente preparadas e cuidadosamente controladas. Desse modo, podem-se alterar as varißveis que atuam sobre o objeto de estudo e registrar a reaþÒo dessa mudanþa sobre o fen¶meno observado. No mÚtodo cientÝfico, a comprovaþÒo de todo conhecimento Ú o experimento. Postulam-se assim leis cuja validez ou falsidade se avaliam segundo o Ûxito ou o fracasso diante dos fatos experimentais. Finalmente, chega-se Ó formulaþÒo de uma teoria e a sua expressÒo matemßtica. Se a hip¾tese conseguir explicar grande n·mero de dados experimentais, terß a categoria de lei natural.

A partir dos dados conhecidos, podem-se deduzir novas leis, de forma te¾rica, que logo deverÒo ser comprovadas experimentalmente. A expressÒo matemßtica deve ser capaz de explicar os fen¶menos nÒo observados, assim como justificar qualitativa e quantitativamente as medidas realizadas.
Os resultados de uma experiÛncia fÝsica podem ser descritos por meio de tabelas, grßficos e equaþ§es. As duas primeiras mostram os dados obtidos no experimento e a relaþÒo entre eles; as equaþ§es permitem generalizar os conhecimentos obtidos ao estudar o fen¶meno. De modo geral, as leis da natureza tÛm expressÒo matemßtica simples. As express§es mais complicadas aparecem quando o fen¶meno estudado envolve fatores nÒo conhecidos perfeitamente.


EvoluþÒo do conhecimento da matÚria


O conhecimento em fÝsica se constitui em sondagens de aspectos quantitativos da matÚria e do movimento e de sua inserþÒo em esquemas racionais que os articulem em teorias simples e unificantes. Seu desenvolvimento hist¾rico se manifesta, portanto, na hist¾ria das transformaþ§es por que passaram os instrumentos de sondagem e das grandes idÚias gerais que orientaram a teorizaþÒo. Duas grandes idÚias presidiram o pensamento cientÝfico na fÝsica por muitos sÚculos: o mecanicismo e a concepþÒo atomÝstica da matÚria.


Mecanicismo

O pensamento mecanicista consiste essencialmente em reduzir todos os fen¶menos da fÝsica, e mesmo da natureza, a sistemas de forþas que atuam entre corpos materiais. Nessas condiþ§es, os aspectos mais definitivos de qualquer fen¶meno estariam, em ·ltima instÔncia, subordinados Ós leis da mecÔnica.

Suas origens sÒo encontradas nas concepþ§es de CopÚrnico, que prop¶s em De revolutionibus orbium coelestium (1543; Sobre a revoluþÒo dos orbes celestes) uma reformulaþÒo das concepþ§es vigentes sobre o sistema solar, particularmente no que diz respeito Ós posiþ§es relativas da Terra e do Sol, e nos trabalhos de Johannes Kepler, que realþaram a importÔncia de um esquema matemßtico adequado para a descriþÒo das propriedades dos corpos celestes em movimento.

Com suas idÚias sobre a gravitaþÒo, Descartes deu forma mais nÝtida ao pensamento mecanicista, mas o ponto alto s¾ foi atingido mais tarde, com Isaac Newton. Nos cÚlebres Philosophiae naturalis principia mathematica (1686; PrincÝpios matemßticos da filosofia natural), Newton deu forma clara a essa tendÛncia, defendendo a tese de que todos os fen¶menos da natureza poderiam vir a ser enquadrados em esquemas puramente mecÔnicos. O sucesso de sua teoria da gravitaþÒo e muitas outras realizaþ§es de grande mÚrito garantiram-lhe autoridade cientÝfica sem precedentes, a qual exerceu papel muito importante na difusÒo dessas idÚias por parte de numerosas geraþ§es de cientistas.

Durante algum tempo as aspiraþ§es mecanicistas adquiriram respaldo cientÝfico: vßrias descobertas sucessivas mostraram que interpretaþ§es sob essa orientaþÒo podiam ser aplicadas a outros fen¶menos alÚm daqueles ligados Ó gravitaþÒo. Por exemplo, cerca de um sÚculo ap¾s a publicaþÒo da obra de Newton, Charles-Augustin Coulomb verificou que a interaþÒo entre corpos eletrizados ou magnetizados seguia precisamente a mesma lei formal que a atraþÒo gravitacional, com a adiþÒo das repuls§es ao lado das atraþ§es.
Com essas descobertas configurou-se a perspectiva de que uma classe ainda mais extensa de fen¶menos pudesse seguir as previs§es do mecanicismo. De fato, os novos conhecimentos sobre luz e calor encaixavam-se tambÚm naquele esquema. A propagaþÒo retilÝnea da luz, a reflexÒo, a refraþÒo e a dispersÒo foram objetos de duas hist¾ricas interpretaþ§es, uma devida a Newton, outra a Christiaan Huygens. O carßter mecanicista da interpretaþÒo dada por Newton Ú ¾bvio, pois segundo ela todos os fen¶menos citados resultam de forþas que agem entre a matÚria e os corp·sculos da luz. No caso de Huygens, o carßter mecanicista se revela na postulaþÒo da existÛncia de um "Úter" mecÔnico, portador da energia luminosa, semelhante aos meios materiais portadores da energia das ondas sonoras.

Ap¾s os trabalhos de Augustin-Jean Fresnel sobre a difraþÒo das ondas luminosas, apresentados em 1816, as idÚias de Huygens passaram a prevalecer, mas a posiþÒo mecanicista saiu intocada. Instalou-se, a partir daÝ, acirrada discussÒo sobre as propriedades mecÔnicas do Úter, que s¾ terminou no comeþo do sÚculo XX.

Os fen¶menos tÚrmicos deram tambÚm contribuiþÒo importante para a edificaþÒo dos ideais mecanicistas. A associaþÒo entre movimento mecÔnico e calor Ú fato corriqueiro ao alcance da observaþÒo de qualquer pessoa. Em 1841, James Prescott Joule demonstrou experimentalmente que o calor nÒo passa de uma manifestaþÒo da energia mecÔnica.

A teoria cinÚtica do calor, desenvolvida por James Clerk Maxwell em 1866, interpretou os fen¶menos tÚrmicos segundo um modelo mecÔnico microsc¾pico, dentro do qual varißveis termodinÔmicas macrosc¾picas, como pressÒo e temperatura, resultam de oscilaþ§es ou de colis§es entre ßtomos constituintes da matÚria. Assim, esses fen¶menos se reduziam Ós forþas entre os corp·sculos materiais e, embora introduzissem um comportamento estatÝstico qualitativamente novo, se enquadravam nas teses mecanicistas.

O declÝnio do programa mecanicista comeþou a partir de 1820, com as descobertas de fen¶menos magnÚticos associados a correntes elÚtricas. As forþas envolvidas apresentavam caracterÝsticas muito distintas daquelas ligadas Ó atraþÒo gravitacional e Ó interaþÒo de cargas elÚtricas e p¾los magnÚticos. Demonstrou-se que elas dependiam nÒo s¾ da distÔncia entre os corpos mas tambÚm de sua velocidade relativa, alÚm de se manifestarem em direþ§es outras que a linha reta entre as cargas em movimento.

Essas descobertas, embora revelassem forþas de um carßter completamente novo, nÒo invalidavam a essÛncia da interpretaþÒo mecanicista, reformulada para requerer apenas forþas e corpos, quaisquer que fossem suas particularidades, mas certamente introduziam um elemento de d·vida quanto Ó simplicidade da interpretaþÒo desses fen¶menos. O reducionismo da posiþÒo mecanicista tem o atrativo da simplicidade e da unidade, e qualquer golpe nesses atributos Ú tambÚm um golpe na idÚia inteira.

Passos importantes em direþÒo ao desfecho final foram dados por Michael Faraday e Maxwell. O primeiro introduziu a idÚia de campo de forþas para interpretar as manifestaþ§es magnÚticas de correntes elÚtricas, e o segundo formulou uma teoria, baseada na idÚia de campo, que unificou todos os fen¶menos elÚtricos e magnÚticos atÚ entÒo conhecidos e ensejou a previsÒo de fen¶menos novos.

A mais notßvel das previs§es de Maxwell foi a da existÛncia de ondas eletromagnÚticas, previsÒo que veio a ser confirmada em fins do sÚculo XIX, quando Heinrich Rudolph Hertz demonstrou que essas ondas se propagavam no espaþo com velocidade igual Ó da luz. AlÚm disso, as propriedades de propagaþÒo, reflexÒo, refraþÒo, interferÛncia, dispersÒo e difraþÒo sÒo atributos tambÚm dessas ondas. Ao ser demonstrado que todas as propriedades inerentes Ó luz se encontram tambÚm nas ondas eletromagnÚticas, os dois conceitos passam a ser idÛnticos. Com isso, as ondas de Huygens deixam de ser oscilaþ§es mecÔnicas do Úter para serem oscilaþ§es excitadas por forþas elÚtricas e magnÚticas.

Embora essa condiþÒo complicasse ainda mais as jß estranhas propriedades do Úter, de modo algum desmentia sua existÛncia. O golpe final da idÚia do Úter se deu em conseq³Ûncia dos progressos nas concepþ§es relativÝsticas, devidas principalmente a Albert Einstein, segundo as quais nenhuma aþÒo entre corpos materiais se pode propagar com velocidade superior Ó da luz no vßcuo. Em conseq³Ûncia desse resultado, torna-se necessßrio desvincular os campos e as partÝculas materiais que lhes servem de fontes, isto Ú, as forþas dos corpos materiais que as geram. Esse foi um duro golpe contra as pretens§es mecanicistas. Em seguida, experiÛncias de medida da velocidade da luz em condiþ§es apropriadas demonstraram que o Úter nem Ú arrastado pelos corpos que nele se movem, nem permanece em repouso, sendo, portanto, uma ficþÒo mecÔnica. A derrubada da teoria do Úter pela experiÛncia mostrou que pelo menos os fen¶menos luminosos nÒo estÒo sujeitos Ó interpretaþÒo mecanicista.

A luz Ú constituÝda de campos elÚtricos e magnÚticos oscilantes que tÛm existÛncia real tanto quanto as partÝculas de matÚria com as quais interagem. Os campos incorporam todos os atributos elÚtricos e magnÚticos associados ao movimento das cargas que lhes dÒo origem e produzem efeitos de maneira aut¶noma, isto Ú, desvinculada daqueles movimentos. A energia das ondas luminosas estß nos campos que a transportam de um ponto a outro, sem a interveniÛncia de qualquer meio material intermedißrio.


ConcepþÒo atomÝstica da matÚria

As primeiras formulaþ§es atomÝsticas do universo remontam a Leucipo e Dem¾crito (sÚculo V a.C.). Segundo elas, move-se no espaþo finito um n·mero ilimitado de ßtomos eternos, tÒo pequenos que nÒo admitem fragmentaþÒo ou divisÒo ulterior, absolutamente cheios, sem poros ou bolhas, incompressÝveis, que preenchem completamente o espaþo que ocupam, e os diferentes aspectos do universo resultam da pluralidade infinita de formas at¶micas e de sua ordenaþÒo e posiþÒo relativa.

A essas concepþ§es se op¶s o idealismo plat¶nico-pitag¾rico, segundo o qual formas abstratas elementares desprovidas de substrato material seriam os corp·sculos constituintes da terra, do fogo, do ar e da ßgua, que eram, por sua vez, as substÔncias elementares de todas as outras.
Ap¾s essas contribuiþ§es da antiguidade, o pensamento filos¾fico esperou por outra formulaþÒo importante da natureza do universo atÚ meados do sÚculo XVII, quando Leibniz deu sua versÒo da doutrina das m¶nadas, de Giordano Bruno. O monadismo de Leibniz tem semelhanþas com o atomismo de Dem¾crito, porque ambos apresentam uma visÒo do mundo segundo a qual seres e coisas sÒo constituÝdos pela superposiþÒo de unidades elementares.

A m¶nada Ú uma substÔncia simples com a qual se constroem as complexas, nÒo tem elementos, nem dimensÒo, nem forma, nÒo pode ser dividida ou decomposta. Uma m¶nada Ú necessariamente diferente de qualquer outra e no seu interior nÒo hß movimento, nada pode mudar. Entretanto, cada m¶nada Ú passÝvel de outras mudanþas - e as sofre incessantemente - determinadas por um princÝpio interno, que garante a pluralidade de diferenþas e de associaþ§es externas necessßrias para a reproduþÒo da infinita variedade do universo.

Se de um lado o monadismo de Leibniz oferece alternativas nÒo mecanicistas ao atomismo de Dem¾crito, de outro introduz um forte componente teol¾gico - por meio do princÝpio interno da m¶nada - e ideais de harmonia universal. O atomismo, no entanto, se mantÚm dentro de limites materialistas, sustentando um princÝpio de necessidade, intrinsecamente vinculado aos ßtomos, para explicar suas associaþ§es e movimentos. Nenhuma dessas concepþ§es resistiu Ýntegra ao peso das observaþ§es cientÝficas, mas todas desempenharam papel muito importante na orientaþÒo do pensamento cientÝfico ao longo da hist¾ria.

A primeira abordagem cientÝfica das idÚias atomÝsticas teve lugar na segunda metade do sÚculo XVII, com os trabalhos de Newton sobre fen¶menos luminosos, publicados em sua obra Opticks (1704; Ëptica). Ap¾s numerosos trabalhos experimentais sobre a propagaþÒo retilÝnea da luz, reflexÒo, refraþÒo e principalmente dispersÒo cromßtica, Newton levantou a hip¾tese de que a luz seria constituÝda de corp·sculos materiais, cada um responsßvel por uma das cores fundamentais que, reunidas, dÒo a luz branca, propagando-se com velocidade que depende de sua qualidade cromßtica e da densidade do meio. Curiosamente, Newton analisou detidamente, em suas experiÛncias, fen¶menos de interferÛncia luminosa que mais tarde foram os principais argumentos contra sua hip¾tese corpuscular da luz, finalmente refutada, em 1816, por Fresnel.
O passo seguinte foi dado em comeþos do sÚculo XIX, com Dalton. FÝsico e meteorologista, interessou-se pelas propriedades elßsticas dos gases.

onsiderando a repulsÒo m·tua de suas partÝculas, procurou interpretar tais propriedades dentro de um esquema newtoniano. Seus trabalhos levaram-no a considerar as proporþ§es de ßtomos diferentes em diversos tipos de gases e daÝ a enunciar, em 1804, a lei da combinaþÒo de elementos por m·ltiplos de pesos definidos, mostrando assim que as substÔncias compostas sÒo construÝdas ßtomo por ßtomo, agrupados aos pares, trÛs a trÛs etc.

Em 1827, o botÔnico inglÛs Robert Brown descobriu o movimento dito browniano das partÝculas de p¾len de certa erva em suspensÒo aquosa, o qual foi observado posteriormente com diferentes tipos de partÝculas em suspensÒo. O movimento browniano sugere fortemente a interpretaþÒo de que o movimento das partÝculas em suspensÒo lhes Ú imprimido por colis§es com os corp·sculos da ßgua. Essa ideia, nas mÒos de Maxwell, Ludwig Boltzmann e outros se transformou na teoria cinÚtica dos gases, que oferece uma explicaþÒo para as propriedades desses sistemas.

Na metade do sÚculo XIX, a idÚia de ßtomo parecia muito bem assentada nos termos em que a concebeu Dem¾crito. Considerava-se, entÒo, que os ßtomos das substÔncias diferentes fossem associaþ§es de ßtomos de hidrogÛnio, o mais leve deles. Entretanto, as investigaþ§es do quÝmico russo Dmitri I. Mendeleiev sobre a classificaþÒo dos elementos quÝmicos, publicadas em 1869, lanþaram sÚrias d·vidas sobre a simplicidade desse esquema, denunciando a possÝvel existÛncia de estruturas de organizaþÒo intra-at¶micas que exibiriam aspectos comuns a vßrios elementos, o que explicaria a semelhanþa de suas propriedades.

Os ßtomos nÒo eram, portanto, as unidades indivisÝveis do fil¾sofo grego, como Ernest Rutherford acabou por comprovar, em 1911, com seu modelo at¶mico. O desfecho dependeu da descoberta do elÚtron, em 1897, por Joseph John Thomson, a partir de experiÛncias sobre descargas elÚtricas em gases rarefeitos, e de fen¶menos associados Ó radioatividade dos elementos, descoberta por Henri Becquerel em 1896. Rutherford demonstrou que os ßtomos dos elementos eram constituÝdos de um n·cleo central carregado de hidrogÛnio (pr¾tons), circundado por uma nuvem de elÚtrons em n·mero suficiente para neutralizar os efeitos elÚtricos da carga central. Essa idÚia mostrou-se substancialmente correta atÚ o dia de hoje, salvo pela introduþÒo do nÛutron como constituinte do n·cleo at¶mico, ap¾s sua descoberta, em 1932, por James Chadwick.

A ciÛncia das primeiras dÚcadas do sÚculo XX foi capaz tambÚm de demonstrar que as concepþ§es atomÝsticas nÒo se limitam aos aspectos ordinßrios da matÚria, mas estendem-se igualmente a suas manifestaþ§es elÚtricas e ao movimento. Assim ficou demonstrado, particularmente depois das experiÛncias de Robert Andrews Milikan, que o menor valor de carga elÚtrica Ú o da carga do elÚtron, e qualquer outro valor serß m·ltiplo inteiro desse.
Na mesma Úpoca, os trabalhos de Max Planck sobre a entropia da radiaþÒo levaram-no Ó conclusÒo de que a energia irradiada por dipolos elÚtricos oscilantes Ú concentrada em quantidades definidas (quanta), dependendo da freq³Ûncia de oscilaþÒo, sendo a potÛncia total um m·ltiplo inteiro dessas quantidades elementares. De certo modo, esse resultado correspondia a um retorno Ós concepþ§es de Newton sobre o carßter discreto da radiaþÒo luminosa.

As idÚias de Planck, nas mÒos de Erwin Schr÷dinger, Werner Heisenberg e Max Born, ganharam finalmente outras luzes, com a edificaþÒo de uma nova disciplina, que veio a substituir a mecÔnica clßssica em domÝnios microsc¾picos: a mecÔnica quÔntica. Capaz de incorporar simultaneamente aspectos corpusculares e ondulat¾rios, vinculando matÚria e movimento, os princÝpios e mÚtodos dessa disciplina ensejam a formulaþÒo de uma teoria eletromagnÚtica capaz de acomodar os pontos de vista de Newton e de Huygens sobre a natureza da luz, interpretando acertadamente todos os fen¶menos luminosos atÚ hoje conhecidos.

Em domÝnios subat¶micos, as unidades elementares sÒo os elÚtrons na regiÒo extranuclear e os n·cleos at¶micos. ElÚtrons sÒo partÝculas estßveis e atÚ hoje nÒo foi possÝvel identificar-lhes qualquer estrutura, mas os n·cleos at¶micos estÒo longe de constituir aquelas unidades indivisÝveis e imutßveis de Dem¾crito. Os n·cleos, constituÝdos de pr¾tons e nÛutrons, podem ser transformados uns nos outros mediante reaþ§es nucleares ou processos de radioatividade natural em que ocorre emissÒo de partÝculas e/ou energia. Os pr¾prios pr¾tons e nÛutrons (n·cleons) do n·cleo at¶mico possuem estrutura pr¾pria. Os nÛutrons sÒo, alÚm disso, instßveis.

Ap¾s a descoberta do nÛutron, a fÝsica nuclear identificou cerca de uma centena de partÝculas subnucleares, denominadas elementares. A grande maioria delas nÒo Ú elementar no sentido atomÝstico, porque se desintegram em outras e revelam, assim, uma estrutura subjacente. Estßveis sÒo apenas o pr¾ton, o elÚtron, os f¾tons e os neutrinos, entre os quais apenas os trÛs ·ltimos nÒo revelaram atÚ hoje qualquer traþo de estrutura interna.

esenvolvimentos da dÚcada de 1960 sugeriam fortemente a existÛncia de partÝculas presumivelmente estßveis, das quais todas as outras nuclearmente ativas poderiam ser construÝdas: os quarks. Atualmente, jß nÒo hß mais d·vida quanto Ó existÛncia dos quarks. AtÚ a dÚcada de 1990, essas partÝculas ainda nÒo haviam sido observadas sob a forma livre, mas experiÛncias indicavam que o pr¾ton Ú composto de partÝculas puntiformes. A anßlise te¾rica das propriedades dos quarks, porÚm, indicavam uma estrutura para o pr¾ton constituÝda de quarks.

AtÚ o fim do sÚculo XX, a fÝsica experimental procurava criar uma mistura de quarks por meio de compressÒo e aquecimento do n·cleo at¶mico para provocar uma forte colisÒo de n·cleons com liberaþÒo de quarks. Isso possibilitarß a criaþÒo de um plasma de quarks que encontrarß aplicaþ§es em diversas ßreas como astrofÝsica (estudo da hip¾tese da grande explosÒo primordial), fÝsica nuclear e medicina.


OrganizaþÒo social da fÝsica

A fÝsica, juntamente com as ciÛncias da natureza, faz parte de um complexo de instituiþ§es de grande importÔncia na sociedade contemporÔnea, nÒo s¾ em funþÒo do vulto dos investimentos, como tambÚm do contingente humano, do n·mero e da diversidade de organizaþ§es comprometidas com sua manutenþÒo e expansÒo. Os fÝsicos constituem hoje um grupo de profissionais socialmente prestigiados, formados em organizaþ§es pr¾prias. Disp§em de enormes facilidades de trabalho, como laborat¾rios, bibliotecas, serviþos de intercÔmbio e divulgaþÒo de informaþ§es etc., os quais, em muitos aspectos, tÛm superado as vantagens conquistadas por grupos profissionais mais tradicionais na cultura ocidental, como advogados e mÚdicos.

Os paÝses desenvolvidos normalmente aplicam cerca de trÛs por cento do produto nacional na investigaþÒo cientÝfica em geral, dos quais pelo menos metade com as ciÛncias fÝsicas e suas aplicaþ§es Ó engenharia e Ó ind·stria. TambÚm mantÛm uma mßquina burocrßtica para a gestÒo desses investimentos, constituÝda de ¾rgÒos executivos e de assessoria especializada na conduþÒo dos assuntos referentes Ó pesquisa cientÝfica pura e aplicada. A criaþÒo desse complexo foi fruto de uma evoluþÒo muito lenta, que dependeu do amadurecimento de muitos fatores, demandas e aspiraþ§es, nÒo necessariamente ligados Ó investigaþÒo cientÝfica, mas originados no grande processo de substituiþÒo de cultura que foi o Renascimento.

Na fÝsica, essa passagem teve o aspecto de uma autÛntica revoluþÒo. O sistema de CopÚrnico e a introduþÒo do mÚtodo experimental como argumento de prova, devida particularmente a Galileu, abalaram inexoravelmente a heranþa aristotÚlica dominante no pensamento filos¾fico atÚ a Idade MÚdia.
As grandes conquistas da astronomia, que culminaram com a sÝntese newtoniana, resolveram em definitivo os problemas da navegaþÒo, que a ciÛncia da etapa anterior foi incapaz de solucionar. A demoliþÒo do sistema filos¾fico-religioso herdado da cultura anterior, e os frutos prßticos na ßrea da navegaþÒo libertaram a ciÛncia de sua posiþÒo contemplativa, especulativa, e abriram as portas para uma era em que passou a ser encarada como instrumento de transformaþÒo.

No Ômbito do Renascimento italiano criaram-se as primeiras universidades, que deram margem a novas atividades intelectuais. Embora dominadas atÚ meados do sÚculo XIX pelas heranþas filos¾ficas de inspiraþÒo aristotÚlico-tomista, abrigaram o trabalho de in·meros contestadores, entre os quais Galileu. Foram tambÚm criadas as primeiras sociedades cientÝficas, a Accademia dei Lincei (1603), em Roma, e a Accademia del Cimento (1651), em Florenþa. Esse movimento renasceu na Inglaterra, em 1662, com a criaþÒo da The Royal Society, logo seguida da Franþa, com a AcadÚmie Royale des Sciences, em 1666, e rapidamente atingiu outros paÝses. Em 1790, estimava-se em 200 o n·mero de academias.

Essas academias nasceram com o intuito de conferir Ó ciÛncia um novo status. O esboþo dos estatutos da Royal Society, redigido por Robert Hooke, em 1663, estabelece essas metas: "O objetivo da Royal Society Ú aperfeiþoar o conhecimento das coisas da natureza e de todas as artes ·teis, manufaturas e prßticas mecÔnicas, engenhos e invenþ§es por meio da experimentaþÒo (e nÒo especular sobre divindade, metafÝsica, moral, polÝtica, gramßtica, ret¾rica ou l¾gica)." Apesar do impulso renovador e do embriÒo de organizaþÒo em que consistiam, as sociedades cientÝficas eram organizaþ§es muito fechadas, mantidas por seus membros, pessoas de renda pr¾pria e posiþÒo social. NÒo havia remuneraþÒo pelo trabalho cientÝfico, situaþÒo que perdurou atÚ a segunda metade do sÚculo XIX, quando as universidades comeþaram a acolher institucionalmente a ciÛncia. Somente a partir dessa Úpoca o cientista contou com uma organizaþÒo para a sua formaþÒo. Antes disso, todos foram autodidatas.

Outros embri§es de organizaþÒo que apareceram no sÚculo XVII foram a criaþÒo, em 1672, do Observatoire Royal, em Paris, e do Royal Observatory, em Greenwich, em 1675. Foram as primeiras organizaþ§es dedicadas a setores da fÝsica patrocinadas pelo poder central, e sua criaþÒo dependeu muito do crÚdito obtido na soluþÒo de problemas astron¶micos necessßrios ao desenvolvimento da navegaþÒo. TambÚm foram as primeiras organizaþ§es, e durante muito tempo as ·nicas, a oferecerem um emprego regular a um especialista.

Durante os sÚculos XVIII e XIX nÒo houve grandes avanþos na organizaþÒo social da fÝsica. Quase todos foram fruto das demandas surgidas no sÚculo XX, em especial as geradas pela primeira e pela segunda guerras mundiais, nas quais se empregaram armamentos sofisticados que exigiram conhecimentos avanþados de aerodinÔmica, eletr¶nica, fÝsica nuclear etc.


FÝsica no Brasil


A fÝsica foi introduzida no Brasil primeiramente como matÚria necessßria Ó formaþÒo de engenheiros civis e militares e de mÚdicos. O primeiro laborat¾rio para o ensino da fÝsica, utilizado pelos alunos das escolas militares e de medicina foi criado, em 1823, no Museu Nacional do Rio de Janeiro. └ medida que o ensino de engenharia tomava vulto, novos laborat¾rios didßticos foram equipados. A Escola PolitÚcnica, hoje Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro, teve em Henrique Morize um organizador exemplar, que equipou o laborat¾rio de fÝsica, coordenou um bom programa de ensino te¾rico e experimental e conduziu pesquisas.

O desenvolvimento da pesquisa fÝsica no Brasil, iniciado no fim do sÚculo XIX, estß ligado aos nomes de alguns brasileiros que tiveram sua formaþÒo cientÝfica fora do paÝs e dedicaram seus talentos Ó matemßtica e Ó fÝsica. Entre os que publicaram mem¾rias e fizeram palestras sobre aspectos novos da fÝsica na Úpoca e estimularam o estudo da ciÛncia no paÝs cabe citar os nomes de Joaquim Gomes de Sousa, Oto de Alencar, Manuel Amoroso Costa e Teodoro Ramos.

m 1934, foi fundada a Faculdade de Filosofia, CiÛncias e Letras da Universidade de SÒo Paulo (USP). Gleb Wataghin, que chefiou o departamento de fÝsica, conseguiu atrair talentos e constituir uma equipe inicial de pesquisadores de grande mÚrito, pelo que seu trabalho pode ser considerado o mais importante para a implantaþÒo da fÝsica como ciÛncia no Brasil. Jß em 1936 e 1937, foram publicados os primeiros trabalhos sobre fÝsica te¾rica, de Mßrio Schemberg, e experimental, de Marcelo Damy de Sousa Santos.

O sucesso da Faculdade de Filosofia de SÒo Paulo estimulou a fundaþÒo, em 1939, da Faculdade Nacional de Filosofia, no Rio de Janeiro, cujo departamento de fÝsica teve como organizador Joaquim da Costa Ribeiro. Mesmo sem contar com os recursos e facilidades de sua congÛnere de SÒo Paulo, o departamento de fÝsica da nova faculdade promoveu cursos de formaþÒo e trabalhos de pesquisa, entre os quais os importantes estudos sobre dielÚtricos de Bernardo Gross, Costa Ribeiro e colaboradores.

CÚsar Lattes, que fizera seus estudos iniciais na Faculdade de Filosofia de SÒo Paulo, realizou no Reino Unido e nos Estados Unidos pesquisas sobre raios c¾smicos e sobre mÚsons. Sob sua influÛncia foi organizado, em 1949, o Centro Brasileiro de Pesquisas FÝsicas (CBPF), que contou de inÝcio com sua orientaþÒo cientÝfica na parte experimental e a de JosÚ Leite Lopes no campo te¾rico. Em poucos anos a instituiþÒo adquiriu renome internacional e sua coleþÒo de trabalhos sob o tÝtulo Notas de fÝsica constitui reposit¾rio essencial de informaþ§es sobre a hist¾ria da pesquisa fÝsica no Brasil. AlÚm de sua tarefa fundamental de pesquisa, o CBPF colaborou na formaþÒo de pessoal cientÝfico, e tomou tambÚm a seu cargo cursos de p¾s-graduaþÒo.

Vßrias instituiþ§es tÛm-se aparelhado para o trabalho de ensino e pesquisa no campo da fÝsica, especialmente institutos e departamentos ligados a universidades. Destacaram-se por seus trabalhos no campo da pesquisa o departamento de fÝsica do Centro Aeroespacial de SÒo JosÚ dos Campos SP; o Centro de Tecnologia Nuclear, na Universidade de Minas Gerais, em Belo Horizonte; o Instituto de FÝsica da Universidade do Rio Grande do Sul, em Porto Alegre; o Instituto de FÝsica da PontifÝcia Universidade Cat¾lica do Rio de Janeiro; os departamentos de fÝsica das universidades da Bahia, de Pernambuco, de Campinas SP e de SÒo Carlos SP.

A Sociedade Brasileira de FÝsica, fundada na dÚcada de 1960, tem por finalidade promover a pesquisa e o ensino da fÝsica no paÝs, bem como defender os interesses profissionais dos fÝsicos. Pouco depois de fundada, congregava mais de mil associados.

Num resumo sobre a fÝsica do Brasil imp§e-se ressaltar o trabalho do grupo te¾rico inicial que, no paÝs ou no exterior, elevou a fÝsica brasileira ao nÝvel internacional: Mßrio Schemberg, JosÚ Leite Lopes e Jaime Tiomno. Muitos profissionais atuantes no campo te¾rico sÒo discÝpulos desses fÝsicos. No campo da fÝsica experimental merecem citaþÒo especial: Lattes, pelos estudos de partÝculas elementares e raios c¾smicos; Marcelo Damy de Sousa Santos, que construiu e operou o bÚtatron da USP; Oscar Sala, responsßvel pela construþÒo e operaþÒo do gerador Van der Graaf da USP; Hervßsio de Carvalho, pelos estudos de partÝculas e radiaþ§es com o emprego de emuls§es nucleares; JosÚ Goldenberg, por seus estudos sobre reaþ§es fotonucleares; Jacques Danon pelos trabalhos sobre o estado s¾lido e efeito Mossbauer. AlÚm deles, destacam-se as pesquisas de MoisÚs Nussenzveig, em ¾tica quÔntica; Leopoldo Nachbin, em matemßtica aplicada Ó fÝsica; Adir MoisÚs LuÝs e Roberto Nicolsky, em supercondutividade; Ronaldo Cintra Shellard, em fÝsica de altas energias; Francisco de Oliveira Castro, sobre raios c¾smicos; HÚlio Teixeira Coelho, sobre forþas nucleares; Carlos Bertulani sobre n·cleos ex¾ticos.


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