História da física
A física é um ramo da ciência cujos principais objetos de estudo são a matéria e a energia. As descobertas da física encontram aplicações nas ciências naturais e na tecnologia. A física hoje pode ser dividida vagamente em física clássica e física moderna.
História antiga
Elementos do que se tornou a física foram extraídos principalmente dos campos da astronomia, ótica e mecânica, que foram metodologicamente unidos por meio do estudo da geometria. Essas disciplinas matemáticas começaram na antiguidade com os babilônios e com escritores helenísticos como Arquimedes e Ptolomeu. A filosofia antiga, por sua vez, incluía o que era chamado de "Física".
Conceito grego
O movimento em direção a uma compreensão racional da natureza começou pelo menos desde o período arcaico na Grécia (650-480 aC) com os filósofos pré-socráticos. O filósofo Tales de Mileto (séculos VII e VI aC), apelidado de "o Pai da Ciência" por se recusar a aceitar várias explicações sobrenaturais, religiosas ou mitológicas para fenômenos naturais, proclamou que todo evento tinha uma causa natural. Thales também fez avanços em 580 aC, sugerindo que a água é o elemento básico, experimentando a atração entre ímãs e âmbar atritado e formulando as primeiras cosmologias registradas. Anaximandro, famoso por sua teoria proto-evolutiva, contestou a teoria de Tales. idéias e propôs que, em vez de água, uma substância chamada apeiron era o bloco de construção de toda a matéria. Por volta de 500 aC, Heráclito propôs que a única lei básica que regia o Universo era o princípio da mudança e que nada permanece no mesmo estado indefinidamente. Essa observação fez dele um dos primeiros estudiosos da física antiga a abordar o papel do tempo no universo, um conceito chave e às vezes controverso na física moderna e atual.
(384–322 a.C.)
Durante o período clássico na Grécia (séculos VI, V e IV aC) e nos tempos helenísticos, a filosofia natural desenvolveu-se lentamente em um campo de estudo excitante e controverso. Aristóteles (grego: Ἀριστοτέλης, Aristotélēs) (384 – 322 aC), um estudante de Platão, promoveu o conceito de que a observação de fenômenos físicos poderia levar à descoberta das leis naturais que os regem. Os escritos de Aristóteles abrangem física, metafísica, poesia, teatro, música, lógica, retórica, linguística, política, governo, ética, biologia e zoologia. Ele escreveu o primeiro trabalho que se refere a essa linha de estudo como "Física" – no século IV aC, Aristóteles fundou o sistema conhecido como física aristotélica. Ele tentou explicar ideias como movimento (e gravidade) com a teoria dos quatro elementos. Aristóteles acreditava que toda a matéria era composta de éter, ou alguma combinação de quatro elementos: terra, água, ar e fogo. Segundo Aristóteles, esses quatro elementos terrestres são capazes de se intertransformar e se mover em direção ao seu lugar natural, então uma pedra cai em direção ao centro do cosmos, mas as chamas sobem em direção à circunferência. Eventualmente, a física aristotélica tornou-se extremamente popular por muitos séculos na Europa, informando os desenvolvimentos científicos e escolásticos da Idade Média. Permaneceu o paradigma científico dominante na Europa até a época de Galileu Galilei e Isaac Newton.
No início da Grécia Clássica, o conhecimento de que a Terra é esférica ("redonda") era comum. Por volta de 240 aC, como resultado de um experimento seminal, Eratóstenes (276-194 aC) estimou com precisão sua circunferência. Em contraste com as visões geocêntricas de Aristóteles, Aristarco de Samos (grego: Ἀρίσταρχος; c. 310 – c. 230 aC) apresentou um argumento explícito para um modelo heliocêntrico do Sistema Solar, ou seja, por colocar o Sol, não a Terra, em seu centro. Seleuco de Selêucia, um seguidor de Aristarco; A teoria heliocêntrica afirmava que a Terra girava em torno de seu próprio eixo, que, por sua vez, girava em torno do Sol. Embora os argumentos que usou tenham sido perdidos, Plutarco afirmou que Seleuco foi o primeiro a provar o sistema heliocêntrico por meio do raciocínio.
No século III aC, o matemático grego Arquimedes de Siracusa (em grego: Ἀρχιμήδης (287–212 aC) – geralmente considerado o maior matemático da antiguidade e um dos o maior de todos os tempos - lançou as bases da hidrostática, estática e calculou a matemática subjacente da alavanca. Um dos principais cientistas da antiguidade clássica, Arquimedes também desenvolveu sistemas elaborados de polias para mover objetos grandes com um mínimo de esforço. O Archimedes' parafuso sustenta a hidroengenharia moderna, e suas máquinas de guerra ajudaram a conter os exércitos de Roma na Primeira Guerra Púnica. Arquimedes até destruiu os argumentos de Aristóteles e sua metafísica, apontando que era impossível separar matemática e natureza e provou convertendo teorias matemáticas em invenções práticas.Além disso, em sua obra On Floating Bodies, por volta de 250 aC, Arquimedes desenvolveu a lei da flutuabilidade, também conhecida como princípio de Arquimedes. Na matemática, Arquimedes usou o método de exaustão para calcular a área sob o arco de uma parábola com a soma de uma série infinita e deu uma aproximação notavelmente precisa de pi. Ele também definiu a espiral que leva seu nome, fórmulas para os volumes das superfícies de revolução e um engenhoso sistema para expressar números muito grandes. Ele também desenvolveu os princípios dos estados de equilíbrio e centros de gravidade, ideias que influenciariam os conhecidos estudiosos, Galileu e Newton.
Hiparco (190–120 aC), concentrando-se em astronomia e matemática, usou técnicas geométricas sofisticadas para mapear o movimento das estrelas e dos planetas, prevendo até mesmo quando os eclipses solares aconteceriam. Ele acrescentou cálculos da distância do Sol e da Lua à Terra, com base em suas melhorias nos instrumentos de observação usados na época. Outro dos mais famosos dos primeiros físicos foi Ptolomeu (90-168 EC), uma das mentes mais importantes durante a época do Império Romano. Ptolomeu foi o autor de vários tratados científicos, pelo menos três dos quais foram de importância contínua para a ciência islâmica e européia posterior. O primeiro é o tratado astronômico agora conhecido como Almagesto (em grego, Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, "O Grande Tratado", originalmente Μαθηματικὴ Σύνταξις, "Tratado Matemático"). A segunda é a Geografia, que é uma discussão aprofundada do conhecimento geográfico do mundo greco-romano.
Muito do conhecimento acumulado do mundo antigo foi perdido. Mesmo das obras dos pensadores mais conhecidos, poucos fragmentos sobreviveram. Embora ele tenha escrito pelo menos quatorze livros, quase nada sobre as histórias de Hiparco. trabalho direto sobreviveu. Das 150 obras aristotélicas de renome, apenas 30 existem, e algumas delas são "pouco mais do que notas de aula".
Índia e China
Também existiam importantes tradições físicas e matemáticas nas antigas ciências chinesas e indianas.
Na filosofia indiana, Maharishi Kanada foi o primeiro a desenvolver sistematicamente uma teoria do atomismo por volta de 200 aC, embora alguns autores tenham atribuído a ele uma era anterior no século VI aC. Foi posteriormente elaborado pelos atomistas budistas Dharmakirti e Dignāga durante o primeiro milênio EC. Pakudha Kaccayana, um filósofo indiano do século VI aC e contemporâneo de Gautama Buda, também propôs ideias sobre a constituição atômica do mundo material. Esses filósofos acreditavam que outros elementos (exceto o éter) eram fisicamente palpáveis e, portanto, compreendiam minúsculas partículas de matéria. A última partícula minúscula de matéria que não podia ser subdividida foi denominada Parmanu. Esses filósofos consideravam o átomo indestrutível e, portanto, eterno. Os budistas pensavam que os átomos eram objetos minúsculos, incapazes de serem vistos a olho nu, que surgem e desaparecem em um instante. A escola de filósofos Vaisheshika acreditava que um átomo era um mero ponto no espaço. Também foi o primeiro a descrever as relações entre movimento e força aplicada. As teorias indianas sobre o átomo são muito abstratas e emaranhadas na filosofia, pois eram baseadas na lógica e não na experiência ou experimentação pessoal. Na astronomia indiana, o Aryabhatiya de Aryabhata (499 EC) propôs a rotação da Terra, enquanto Nilakantha Somayaji (1444–1544) da escola de astronomia e matemática de Kerala propôs uma semi- modelo heliocêntrico semelhante ao sistema Tychonic.
O estudo do magnetismo na China Antiga remonta ao século IV aC. (no Livro do Mestre do Vale do Diabo), Um dos principais contribuintes para este campo foi Shen Kuo (1031–1095), um polímata e estadista que foi o primeiro a descrever a bússola de agulha magnética usada para navegação, além de estabelecer o conceito de norte verdadeiro. Na óptica, Shen Kuo desenvolveu independentemente uma câmera escura.
Mundo islâmico
Nos séculos 7 a 15, o progresso científico ocorreu no mundo muçulmano. Muitas obras clássicas em indiano, assírio, sassânida (persa) e grego, incluindo as obras de Aristóteles, foram traduzidas para o árabe. Contribuições importantes foram feitas por Ibn al-Haytham (965-1040), um cientista árabe, considerado um dos fundadores da ótica moderna. Ptolomeu e Aristóteles teorizaram que a luz brilhava do olho para iluminar objetos ou que "forma" emanou dos próprios objetos, enquanto al-Haytham (conhecido pelo nome latino "Alhazen") sugeriu que a luz viaja para o olho em raios de diferentes pontos em um objeto. As obras de Ibn al-Haytham e Abū Rayhān Bīrūnī (973–1050), um cientista persa, acabaram passando para a Europa Ocidental, onde foram estudadas por estudiosos como Roger Bacon e Witelo.
Ibn al-Haytham e Biruni foram os primeiros proponentes do método científico. Ibn al-Haytham é considerado por alguns o "pai do método científico moderno" devido à sua ênfase em dados experimentais e reprodutibilidade de seus resultados. A primeira abordagem metódica para experimentos no sentido moderno é visível nas obras de Ibn al-Haytham, que introduziu um método indutivo-experimental para alcançar resultados. Bīrūnī introduziu os primeiros métodos científicos para vários campos diferentes de investigação durante as décadas de 1020 e 1030, incluindo um método experimental inicial para a mecânica. A metodologia de Biruni se assemelhava ao método científico moderno, particularmente em sua ênfase na experimentação repetida.
Ibn Sīnā (980–1037), conhecido como "Avicenna", foi um polímata de Bukhara (no atual Uzbequistão) responsável por importantes contribuições para a física, ótica, filosofia e medicina. Ele publicou sua teoria do movimento no Livro da Cura (1020), onde argumentou que um ímpeto é transmitido a um projétil pelo lançador e acreditava que era uma virtude temporária que declinaria mesmo em uma vácuo. Ele o via como persistente, exigindo forças externas, como a resistência do ar, para dissipá-lo. Ibn Sina fez uma distinção entre 'força' e 'inclinação' (chamado "mayl"), e argumentou que um objeto ganhou mayl quando o objeto está em oposição ao seu movimento natural. Ele concluiu que a continuação do movimento é atribuída à inclinação que é transferida para o objeto, e esse objeto estará em movimento até que o mayl seja gasto. Ele também afirmou que o projétil no vácuo não pararia a menos que fosse acionado. Essa concepção de movimento é consistente com a primeira lei do movimento de Newton, a inércia, que afirma que um objeto em movimento permanecerá em movimento, a menos que sofra a ação de uma força externa. Essa ideia que discordava da visão aristotélica foi posteriormente descrita como "ímpeto" por John Buridan, que foi influenciado pelo Livro de Cura de Ibn Sina.
Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (c. 1080-1165) adotou e modificou a teoria de Ibn Sina sobre o movimento de projéteis. Em seu Kitab al-Mu'tabar, Abu'l-Barakat afirmou que o motor transmite uma inclinação violenta (mayl qasri) ao movido e que isso diminui à medida que o objeto em movimento se distancia do motor. Ele também propôs uma explicação da aceleração dos corpos em queda pelo acúmulo de incrementos sucessivos de potência com incrementos sucessivos de velocidade. De acordo com Shlomo Pines, a teoria do movimento de al-Baghdaadi era "a negação mais antiga da lei dinâmica fundamental de Aristóteles [a saber, que uma força constante produz um movimento uniforme] [e é, portanto, uma ] antecipação de forma vaga da lei fundamental da mecânica clássica [a saber, que uma força aplicada continuamente produz aceleração]." Jean Buridan e Albert da Saxônia mais tarde se referiram a Abu'l-Barakat para explicar que a aceleração de um corpo em queda é resultado de seu ímpeto crescente.
Ibn Bajjah (c. 1085–1138), conhecido como "Avempace" na Europa, propôs que para cada força há sempre uma força de reação. Ibn Bajjah foi um crítico de Ptolomeu e trabalhou na criação de uma nova teoria da velocidade para substituir a teorizada por Aristóteles. Dois futuros filósofos apoiaram as teorias criadas por Avempace, conhecidas como dinâmica Avempaceana. Esses filósofos foram Tomás de Aquino, um padre católico, e John Duns Scotus. Galileu passou a adotar a fórmula de Avempace "de que a velocidade de um determinado objeto é a diferença entre a força motriz desse objeto e a resistência do meio de movimento".
Nasir al-Din al-Tusi (1201–1274), um astrônomo e matemático persa que morreu em Bagdá, apresentou o casal Tusi. Mais tarde, Copérnico baseou-se fortemente no trabalho de al-Din al-Tusi e seus alunos, mas sem reconhecimento.
Europa Medieval
A consciência de obras antigas reentrou no Ocidente através de traduções do árabe para o latim. Sua reintrodução, combinada com comentários teológicos judaico-islâmicos, teve grande influência sobre filósofos medievais como Tomás de Aquino. Estudiosos escolásticos europeus, que buscaram conciliar a filosofia dos antigos filósofos clássicos com a teologia cristã, proclamaram Aristóteles o maior pensador do mundo antigo. Nos casos em que não contradiziam diretamente a Bíblia, a física aristotélica tornou-se a base para as explicações físicas das Igrejas européias. A quantificação tornou-se um elemento central da física medieval.
Baseada na física aristotélica, a física escolástica descrevia as coisas como se movendo de acordo com sua natureza essencial. Os objetos celestes eram descritos como se movendo em círculos, porque o movimento circular perfeito era considerado uma propriedade inata dos objetos que existiam no reino incorrupto das esferas celestes. A teoria do ímpeto, ancestral dos conceitos de inércia e momento, foi desenvolvida em linhas semelhantes por filósofos medievais como John Philoponus e Jean Buridan. Os movimentos abaixo da esfera lunar eram vistos como imperfeitos e, portanto, não se podia esperar que exibissem um movimento consistente. Movimento mais idealizado no "sublunar" O reino só poderia ser alcançado por meio do artifício e, antes do século XVII, muitos não viam os experimentos artificiais como um meio válido de aprender sobre o mundo natural. As explicações físicas no reino sublunar giravam em torno de tendências. As pedras continham o elemento terra, e os objetos terrestres tendiam a se mover em linha reta em direção ao centro da terra (e o universo na visão geocêntrica aristotélica), a menos que impedidos de fazê-lo.
Revolução científica
Durante os séculos XVI e XVII, ocorreu na Europa um grande avanço do progresso científico conhecido como Revolução Científica. A insatisfação com as abordagens filosóficas mais antigas havia começado antes e produzido outras mudanças na sociedade, como a Reforma Protestante, mas a revolução na ciência começou quando os filósofos naturais começaram a montar um ataque sustentado ao programa filosófico escolástico e supuseram que os esquemas descritivos matemáticos adotados de campos como a mecânica e a astronomia poderiam realmente produzir caracterizações universalmente válidas de movimento e outros conceitos.
Nicolau Copérnico
Um avanço na astronomia foi feito pelo astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473–1543) quando, em 1543, ele deu fortes argumentos para o modelo heliocêntrico do Sistema Solar, ostensivamente como um meio de tornar as tabelas que mapeiam o movimento planetário mais precisas e para simplificar a sua produção. Em modelos heliocêntricos do sistema solar, a Terra orbita o Sol junto com outros corpos na galáxia da Terra, uma contradição de acordo com o astrônomo greco-egípcio Ptolomeu (século II dC; veja acima), cujo sistema colocava a Terra em o centro do Universo e foi aceito por mais de 1.400 anos. O astrônomo grego Aristarco de Samos (c.310 – c.230 aC) sugeriu que a Terra gira em torno do Sol, mas Copérnico's' O raciocínio levou a uma aceitação geral duradoura desse pensamento "revolucionário" ideia. Copérnico' O livro que apresenta a teoria (De Revolutionibus Orbium Coelestium, "Sobre as Revoluções das Esferas Celestiais") foi publicado pouco antes de sua morte em 1543 e, como agora é geralmente considerado para marcar o início da astronomia moderna, também é considerado o marco do início da Revolução Científica. Copérnico' A nova perspectiva, juntamente com as observações precisas feitas por Tycho Brahe, permitiu ao astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630) formular suas leis sobre o movimento planetário que permanecem em uso até hoje.
Galileu Galilei
(1564–1642)
O matemático, astrônomo e físico italiano Galileu Galilei (1564–1642) era famoso por seu apoio ao copernicanismo, suas descobertas astronômicas, experimentos empíricos e seu aperfeiçoamento do telescópio. Como matemático, o papel de Galileu na cultura universitária de sua época estava subordinado aos três principais tópicos de estudo: direito, medicina e teologia (que estava intimamente ligada à filosofia). Galileu, no entanto, sentiu que o conteúdo descritivo das disciplinas técnicas justificava o interesse filosófico, principalmente porque a análise matemática das observações astronômicas - notavelmente, a de Copérnico; análise dos movimentos relativos do Sol, Terra, Lua e planetas - indicou que os filósofos'; declarações sobre a natureza do universo podem ser mostradas como erradas. Galileu também realizou experimentos mecânicos, insistindo que o próprio movimento - independentemente de ter sido produzido "naturalmente" ou "artificialmente" (ou seja, deliberadamente) - tinha características universalmente consistentes que poderiam ser descritas matematicamente.
Os primeiros estudos de Galileu na Universidade de Pisa foram em medicina, mas logo ele foi atraído pela matemática e pela física. Aos 19, ele descobriu (e, posteriormente, verificou) a natureza isocronal do pêndulo quando, usando seu pulso, cronometrou as oscilações de uma lâmpada oscilante na catedral de Pisa e descobriu que ela permanecia a mesma para cada oscilação independentemente da amplitude do swing. Ele logo se tornou conhecido por sua invenção de uma balança hidrostática e por seu tratado sobre o centro de gravidade dos corpos sólidos. Enquanto lecionava na Universidade de Pisa (1589-1592), ele iniciou seus experimentos sobre as leis dos corpos em movimento que trouxeram resultados tão contraditórios aos ensinamentos aceitos de Aristóteles que um forte antagonismo foi despertado. Ele descobriu que os corpos não caem com velocidades proporcionais aos seus pesos. A famosa história em que se diz que Galileu deixou cair pesos da Torre Inclinada de Pisa é apócrifa, mas ele descobriu que o caminho de um projétil é uma parábola e é creditado com conclusões que anteciparam as leis do movimento de Newton (por exemplo, a noção de inércia). Entre eles está o que agora é chamado de relatividade de Galileu, a primeira afirmação formulada com precisão sobre as propriedades do espaço e do tempo fora da geometria tridimensional.
Galileu foi chamado de "pai da astronomia observacional moderna", o "pai da física moderna", o "pai da ciência" e "o pai da ciência moderna". De acordo com Stephen Hawking, "Galileu, talvez mais do que qualquer outra pessoa, foi responsável pelo nascimento da ciência moderna." Como a ortodoxia religiosa decretou uma compreensão geocêntrica ou tychônica do sistema solar, o apoio de Galileu ao heliocentrismo provocou polêmica e ele foi julgado pela Inquisição. Considerado "veementemente suspeito de heresia", ele foi forçado a se retratar e passou o resto de sua vida em prisão domiciliar.
As contribuições de Galileu à astronomia observacional incluem a confirmação telescópica das fases de Vênus; sua descoberta, em 1609, das quatro maiores luas de Júpiter (posteriormente recebeu o nome coletivo de "luas galileanas"); e a observação e análise de manchas solares. Galileu também buscou ciência e tecnologia aplicadas, inventando, entre outros instrumentos, uma bússola militar. Sua descoberta das luas jovianas foi publicada em 1610 e permitiu-lhe obter o cargo de matemático e filósofo na corte dos Médici. Como tal, esperava-se que ele participasse de debates com filósofos da tradição aristotélica e recebesse um grande público por suas próprias publicações, como Discourses and Mathematical Demonstrations Concerning Two New Sciences (publicado no exterior após sua prisão por a publicação de Dialogue Concerning the Two Chief World Systems) e The Assayer. O interesse de Galileu em experimentar e formular descrições matemáticas de movimento estabeleceu a experimentação como parte integrante da filosofia natural. Essa tradição, combinada com a ênfase não matemática na coleção de "histórias experimentais" por reformistas filosóficos como William Gilbert e Francis Bacon, atraiu seguidores significativos nos anos anteriores e posteriores à morte de Galileu, incluindo Evangelista Torricelli e os participantes da Accademia del Cimento na Itália; Marin Mersenne e Blaise Pascal na França; Christiaan Huygens na Holanda; e Robert Hooke e Robert Boyle na Inglaterra.
Rene Descartes
(1596–1650)
O filósofo francês René Descartes (1596–1650) era bem relacionado e influente nas redes de filosofia experimental da época. Descartes tinha uma agenda mais ambiciosa, no entanto, voltada para a substituição total da tradição filosófica escolástica. Questionando a realidade interpretada através dos sentidos, Descartes procurou restabelecer esquemas explicativos filosóficos reduzindo todos os fenômenos percebidos a serem atribuíveis ao movimento de um mar invisível de "corpúsculos". (Notavelmente, ele reservou o pensamento humano e Deus de seu esquema, mantendo-os separados do universo físico). Ao propor essa estrutura filosófica, Descartes supôs que diferentes tipos de movimento, como o dos planetas versus o dos objetos terrestres, não eram fundamentalmente diferentes, mas eram apenas manifestações diferentes de uma cadeia infinita de movimentos corpusculares obedecendo a princípios universais. Particularmente influentes foram suas explicações para movimentos astronômicos circulares em termos do movimento de vórtice de corpúsculos no espaço (Descartes argumentou, de acordo com as crenças, se não os métodos, dos escolásticos, que um vácuo não poderia existir), e sua explicação de gravidade em termos de corpúsculos empurrando objetos para baixo.
Descartes, como Galileu, estava convencido da importância da explicação matemática, e ele e seus seguidores foram figuras-chave no desenvolvimento da matemática e da geometria no século XVII. As descrições matemáticas cartesianas do movimento sustentavam que todas as formulações matemáticas tinham de ser justificáveis em termos de ação física direta, uma posição defendida por Huygens e pelo filósofo alemão Gottfried Leibniz, que, seguindo a tradição cartesiana, desenvolveu sua própria alternativa filosófica ao escolasticismo, que ele delineou em seu trabalho de 1714, The Monadology. Descartes foi apelidado de 'Pai da Filosofia Moderna', e muito da filosofia ocidental subsequente é uma resposta a seus escritos, que são estudados de perto até hoje. Em particular, suas Meditações sobre a Primeira Filosofia continuam a ser um texto padrão na maioria dos departamentos de filosofia das universidades. Descartes' a influência na matemática é igualmente aparente; o sistema de coordenadas cartesianas — permitindo que equações algébricas sejam expressas como formas geométricas em um sistema de coordenadas bidimensionais — recebeu seu nome. Ele é considerado o pai da geometria analítica, a ponte entre a álgebra e a geometria, importante para a descoberta do cálculo e da análise.
Christiaan Huygens
(1629–1695)
O físico, matemático, astrônomo e inventor holandês Christiaan Huygens (1629–1695) foi o principal cientista na Europa entre Galileu e Newton. Huygens veio de uma família da nobreza que teve uma posição importante na sociedade holandesa do século XVII; uma época em que a República Holandesa floresceu econômica e culturalmente. Este período - aproximadamente entre 1588 e 1702 - da história da Holanda também é conhecido como a Era de Ouro Holandesa, uma época durante a Revolução Científica em que a ciência holandesa estava entre as mais aclamadas da Europa. Nessa época, residiam na Holanda intelectuais e cientistas como René Descartes, Baruch Spinoza, Pierre Bayle, Antonie van Leeuwenhoek, John Locke e Hugo Grotius. Foi nesse ambiente intelectual que Christiaan Huygens cresceu. O pai de Christiaan, Constantijn Huygens, foi, além de um importante poeta, secretário e diplomata dos Príncipes de Orange. Ele conheceu muitos cientistas de seu tempo por causa de seus contatos e interesses intelectuais, incluindo René Descartes e Marin Mersenne, e foi por causa desses contatos que Christiaan Huygens tomou conhecimento de seus trabalhos. Especialmente Descartes, cuja filosofia mecanicista teria uma enorme influência na filosofia de Huygens. próprio trabalho. Mais tarde, Descartes ficou impressionado com as habilidades que Christiaan Huygens demonstrou em geometria, assim como Mersenne, que o batizou de "o novo Arquimedes" (o que levou Constantijn a se referir a seu filho como "meu pequeno Arquimedes").
Criança prodígio, Huygens iniciou sua correspondência com Marin Mersenne aos 17 anos. Huygens se interessou por jogos de azar quando encontrou o trabalho de Fermat, Blaise Pascal e Girard Desargues. Foi Blaise Pascal quem o encorajou a escrever Van Rekeningh in Spelen van Gluck, que Frans van Schooten traduziu e publicou como De Ratiociniis in Ludo Aleae em 1657. O livro é o mais antigo tratamento científico conhecido do assunto e, na época, a apresentação mais coerente de uma abordagem matemática para jogos de azar. Dois anos depois, Huygens derivou geometricamente as fórmulas agora padrão na mecânica clássica para a força centrípeta e centrífuga em seu trabalho De vi Centrifuga (1659). Na mesma época, a Huygens' a pesquisa em relojoaria resultou na invenção do relógio de pêndulo; um avanço na cronometragem e o cronometrista mais preciso por quase 300 anos. A pesquisa teórica sobre o funcionamento do pêndulo acabou levando à publicação de uma de suas realizações mais importantes: o Horologium Oscillatorium. Esta obra foi publicada em 1673 e se tornou uma das três mais importantes obras sobre mecânica do século XVII (as outras duas são Discursos e Demonstrações Matemáticas Relativas a Duas Novas Ciências de Galileu (1638) e Philosophiæ de Newton Naturalis Principia Mathematica (1687)). O Horologium Oscillatorium é o primeiro tratado moderno em que um problema físico (o movimento acelerado de um corpo em queda) é idealizado por um conjunto de parâmetros analisados matematicamente e constitui uma das obras seminais da matemática aplicada. É por esta razão que Huygens foi considerado o primeiro físico teórico e um dos fundadores da física matemática moderna. Huygens' O Horologium Oscillatorium teve uma tremenda influência na história da física, especialmente no trabalho de Isaac Newton, que o admirava muito. Por exemplo, as leis de Huygens descritas no Horologium Oscillatorium são estruturalmente as mesmas das duas primeiras leis do movimento de Newton.
Cinco anos após a publicação de seu Horologium Oscillatorium, Huygens descreveu sua teoria ondulatória da luz. Embora proposto em 1678, não foi publicado até 1690 em seu Traité de la Lumière. Sua teoria matemática da luz foi inicialmente rejeitada em favor da teoria corpuscular da luz de Newton, até que Augustin-Jean Fresnel adotou a teoria de Huygens. princípio para dar uma explicação completa da propagação retilínea e efeitos de difração da luz em 1821. Hoje este princípio é conhecido como o princípio de Huygens-Fresnel. Como astrônomo, Huygens começou a polir lentes com seu irmão Constantijn Jr. construir telescópios para pesquisas astronômicas. Ele foi o primeiro a identificar os anéis de Saturno como "um anel fino e plano, que não se tocam em nenhum lugar e é inclinado para a eclíptica". e descobriu a primeira das luas de Saturno, Titã, usando um telescópio refrator.
Além das muitas descobertas importantes que Huygens fez na física e na astronomia, e suas invenções de dispositivos engenhosos, ele também foi o primeiro a trazer rigor matemático para a descrição dos fenômenos físicos. Por isso, e pelo facto de ter desenvolvido quadros institucionais para a investigação científica no continente, tem sido referido como "o ator principal no 'fazer ciência na Europa'"
Isaac Newton
(1642–1727)
O final do século 17 e início do século 18 viu as realizações do físico e matemático da Universidade de Cambridge, Sir Isaac Newton (1642-1727). Newton, membro da Royal Society of England, combinou suas próprias descobertas em mecânica e astronomia com as anteriores para criar um sistema único para descrever o funcionamento do universo. Newton formulou três leis do movimento que formulavam a relação entre movimento e objetos e também a lei da gravitação universal, a última das quais poderia ser usada para explicar o comportamento não apenas dos corpos que caem na terra, mas também dos planetas e outros corpos celestes. Para chegar a seus resultados, Newton inventou uma forma de um ramo inteiramente novo da matemática: o cálculo (também inventado independentemente por Gottfried Leibniz), que se tornaria uma ferramenta essencial em grande parte do desenvolvimento posterior da maioria dos ramos da física. As descobertas de Newton foram apresentadas em seu Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("Princípios Matemáticos da Filosofia Natural"), cuja publicação em 1687 marcou o início do período moderno de mecânica e astronomia.
Newton foi capaz de refutar a tradição mecânica cartesiana de que todos os movimentos devem ser explicados com respeito à força imediata exercida pelos corpúsculos. Usando suas três leis do movimento e a lei da gravitação universal, Newton removeu a ideia de que os objetos seguiam caminhos determinados por formas naturais e, em vez disso, demonstrou que não apenas os caminhos observados regularmente, mas todos os movimentos futuros de qualquer corpo poderiam ser deduzidos matematicamente com base no conhecimento de seu movimento existente, sua massa e as forças que agem sobre eles. No entanto, os movimentos celestes observados não se conformavam precisamente a um tratamento newtoniano, e Newton, que também estava profundamente interessado em teologia, imaginou que Deus interveio para garantir a estabilidade contínua do sistema solar.
(1646–1716)
Os princípios de Newton (mas não seus tratamentos matemáticos) provaram ser controversos com os filósofos continentais, que consideraram sua falta de explicação metafísica para o movimento e a gravitação filosoficamente inaceitável. Começando por volta de 1700, uma brecha amarga se abriu entre as tradições filosóficas continental e britânica, que foram alimentadas por disputas acaloradas, contínuas e ferozmente pessoais entre os seguidores de Newton e Leibniz sobre a prioridade sobre as técnicas analíticas de cálculo, que cada um havia desenvolvido independentemente. Inicialmente, as tradições cartesiana e leibniziana prevaleceram no continente (levando ao domínio da notação de cálculo leibniziana em todos os lugares, exceto na Grã-Bretanha). O próprio Newton permaneceu particularmente perturbado com a falta de um entendimento filosófico da gravitação enquanto insistia em seus escritos que nenhum era necessário para inferir sua realidade. À medida que o século 18 avançava, os filósofos naturais continentais aceitaram cada vez mais as ideias dos newtonianos. vontade de abrir mão de explicações metafísicas ontológicas para movimentos descritos matematicamente.
Newton construiu o primeiro telescópio refletor funcional e desenvolveu uma teoria da cor, publicada na Opticks, com base na observação de que um prisma decompõe a luz branca nas muitas cores que formam o espectro visível. Enquanto Newton explicava a luz como sendo composta de minúsculas partículas, uma teoria rival da luz que explicava seu comportamento em termos de ondas foi apresentada em 1690 por Christiaan Huygens. No entanto, a crença na filosofia mecanicista juntamente com a reputação de Newton fez com que a teoria das ondas visse relativamente pouco apoio até o século XIX. Newton também formulou uma lei empírica de resfriamento, estudou a velocidade do som, investigou séries de potência, demonstrou o teorema binomial generalizado e desenvolveu um método para aproximar as raízes de uma função. Seu trabalho em séries infinitas foi inspirado nos decimais de Simon Stevin. Mais importante ainda, Newton mostrou que os movimentos dos objetos na Terra e dos corpos celestes são governados pelo mesmo conjunto de leis naturais, que não eram caprichosas nem malévolas. Ao demonstrar a consistência entre as leis do movimento planetário de Kepler e sua própria teoria da gravitação, Newton também tirou as últimas dúvidas sobre o heliocentrismo. Ao reunir todas as ideias apresentadas durante a Revolução Científica, Newton efetivamente estabeleceu as bases para a sociedade moderna em matemática e ciência.
Outras conquistas
Outros ramos da física também receberam atenção durante o período da Revolução Científica. William Gilbert, médico da corte da Rainha Elizabeth I, publicou um importante trabalho sobre magnetismo em 1600, descrevendo como a própria Terra se comporta como um ímã gigante. Robert Boyle (1627-1691) estudou o comportamento dos gases contidos em uma câmara e formulou a lei dos gases que leva seu nome; ele também contribuiu para a fisiologia e para a fundação da química moderna. Outro fator importante na revolução científica foi o surgimento de sociedades científicas e academias em vários países. Os primeiros deles foram na Itália e na Alemanha e tiveram vida curta. Mais influentes foram a Royal Society of England (1660) e a Academy of Sciences na França (1666). A primeira era uma instituição privada em Londres e incluía cientistas como John Wallis, William Brouncker, Thomas Sydenham, John Mayow e Christopher Wren (que contribuíram não apenas para a arquitetura, mas também para a astronomia e a anatomia); esta última, em Paris, era uma instituição governamental e incluía como membro estrangeiro o holandês Huygens. No século XVIII, importantes academias reais foram estabelecidas em Berlim (1700) e em São Petersburgo (1724). As sociedades e academias forneceram as principais oportunidades para a publicação e discussão de resultados científicos durante e após a revolução científica. Em 1690, James Bernoulli mostrou que a ciclóide é a solução para o problema da tautocrona; e no ano seguinte, em 1691, Johann Bernoulli mostrou que uma corrente suspensa livremente em dois pontos formaria uma catenária, a curva com o centro de gravidade mais baixo possível disponível para qualquer corrente pendurada entre dois pontos fixos. Ele então mostrou, em 1696, que a ciclóide é a solução para o problema da braquistócrona.
Termodinâmica inicial
Um precursor do motor foi projetado pelo cientista alemão Otto von Guericke que, em 1650, projetou e construiu a primeira bomba de vácuo do mundo para criar vácuo, conforme demonstrado no experimento dos hemisférios de Magdeburg. Ele foi levado a fazer um vácuo para refutar a suposição de longa data de Aristóteles de que "a natureza abomina o vácuo". Pouco tempo depois, o físico e químico irlandês Boyle soube dos projetos de Guericke e, em 1656, em coordenação com o cientista inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e Hooke notaram a correlação pressão-volume para um gás: PV = k, onde P é a pressão, V é o volume e k é uma constante: essa relação é conhecida como Lei de Boyle. Naquela época, o ar era considerado um sistema de partículas imóveis, e não interpretado como um sistema de moléculas em movimento. O conceito de movimento térmico surgiu dois séculos depois. Portanto, a publicação de Boyle em 1660 fala sobre um conceito mecânico: a mola pneumática. Mais tarde, após a invenção do termômetro, a propriedade temperatura pôde ser quantificada. Essa ferramenta deu a Gay-Lussac a oportunidade de derivar sua lei, que levou pouco depois à lei dos gases ideais. Mas, já antes do estabelecimento da lei dos gases ideais, um associado de Boyle chamado Denis Papin construiu em 1679 um digestor de ossos, que é um recipiente fechado com uma tampa bem ajustada que confina o vapor até que uma alta pressão seja gerada.
Projetos posteriores implementaram uma válvula de liberação de vapor para evitar que a máquina explodisse. Ao observar a válvula se mover ritmicamente para cima e para baixo, Papin concebeu a ideia de um motor de pistão e cilindro. No entanto, ele não seguiu com seu projeto. No entanto, em 1697, com base nos projetos de Papin, o engenheiro Thomas Savery construiu o primeiro motor. Embora esses primeiros motores fossem rudimentares e ineficientes, eles atraíram a atenção dos principais cientistas da época. Portanto, antes de 1698 e da invenção do Savery Engine, cavalos eram usados para mover polias, presas a baldes, que levantavam água de minas de sal inundadas na Inglaterra. Nos anos seguintes, mais variações de motores a vapor foram construídas, como o Newcomen Engine e, posteriormente, o Watt Engine. Com o tempo, esses primeiros motores seriam eventualmente utilizados no lugar dos cavalos. Assim, cada motor passou a ser associado a uma determinada quantidade de "cavalos de força" dependendo de quantos cavalos ele substituiu. O principal problema com esses primeiros motores era que eles eram lentos e desajeitados, convertendo menos de 2% do combustível de entrada em trabalho útil. Em outras palavras, grandes quantidades de carvão (ou madeira) tinham que ser queimadas para produzir apenas uma pequena fração da produção de trabalho. Daí nasceu a necessidade de uma nova ciência da dinâmica do motor.
Desenvolvimentos do século XVIII
(1745-1827)
Durante o século 18, a mecânica fundada por Newton foi desenvolvida por vários cientistas à medida que mais matemáticos aprendiam cálculo e elaboravam sua formulação inicial. A aplicação da análise matemática a problemas de movimento era conhecida como mecânica racional ou matemática mista (mais tarde chamada de mecânica clássica).
Mecânica
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(1700–1782)
Em 1714, Brook Taylor derivou a frequência fundamental de uma corda vibrante esticada em termos de sua tensão e massa por unidade de comprimento, resolvendo uma equação diferencial. O matemático suíço Daniel Bernoulli (1700-1782) fez importantes estudos matemáticos sobre o comportamento dos gases, antecipando a teoria cinética dos gases desenvolvida mais de um século depois, e tem sido referido como o primeiro físico matemático. Em 1733, Daniel Bernoulli derivou a frequência fundamental e os harmônicos de uma corrente suspensa resolvendo uma equação diferencial. Em 1734, Bernoulli resolveu a equação diferencial para as vibrações de uma barra elástica presa em uma extremidade. O tratamento de Bernoulli da dinâmica dos fluidos e seu exame do fluxo de fluidos foram introduzidos em seu trabalho de 1738 Hydrodynamica.
A mecânica racional tratou principalmente do desenvolvimento de elaborados tratamentos matemáticos de movimentos observados, usando os princípios newtonianos como base, e enfatizou a melhoria da tratabilidade de cálculos complexos e o desenvolvimento de meios legítimos de aproximação analítica. Um livro didático contemporâneo representativo foi publicado por Johann Baptiste Horvath. No final do século, os tratamentos analíticos eram rigorosos o suficiente para verificar a estabilidade do Sistema Solar apenas com base nas leis de Newton, sem referência à intervenção divina - mesmo como tratamentos determinísticos de sistemas tão simples quanto o problema dos três corpos em a gravitação permaneceu intratável. Em 1705, Edmond Halley previu a periodicidade do cometa Halley, William Herschel descobriu Urano em 1781 e Henry Cavendish mediu a constante gravitacional e determinou a massa da Terra em 1798. Em 1783, John Michell sugeriu que alguns objetos poderiam ser tão grandes que nem mesmo a luz poderia escapar deles.
Em 1739, Leonhard Euler resolveu a equação diferencial ordinária para um oscilador harmônico forçado e notou o fenômeno da ressonância. Em 1742, Colin Maclaurin descobriu seus esferóides autogravitantes de rotação uniforme. Em 1742, Benjamin Robins publicou seus Novos Princípios em Artilharia, estabelecendo a ciência da aerodinâmica. O trabalho britânico, desenvolvido por matemáticos como Taylor e Maclaurin, ficou para trás em relação aos desenvolvimentos continentais à medida que o século avançava. Enquanto isso, o trabalho floresceu nas academias científicas do continente, lideradas por matemáticos como Bernoulli, Euler, Lagrange, Laplace e Legendre. Em 1743, Jean le Rond d'Alembert publicou seu Traite de Dynamique, no qual introduziu o conceito de forças generalizadas para sistemas de aceleração e sistemas com restrições, e aplicou a nova ideia de trabalho virtual para resolver o problema dinâmico, agora conhecido como princípio de D'Alembert, como um rival da segunda lei do movimento de Newton. Em 1747, Pierre Louis Maupertuis aplicou princípios mínimos à mecânica. Em 1759, Euler resolveu a equação diferencial parcial para a vibração de um tambor retangular. Em 1764, Euler examinou a equação diferencial parcial para a vibração de um tambor circular e encontrou uma das soluções da função de Bessel. Em 1776, John Smeaton publicou um artigo sobre experimentos relacionando potência, trabalho, momento e energia cinética, e apoiando a conservação de energia. Em 1788, Joseph Louis Lagrange apresentou as equações de movimento de Lagrange no Mécanique Analytique, no qual toda a mecânica foi organizada em torno do princípio do trabalho virtual. Em 1789, Antoine Lavoisier enuncia a lei da conservação da massa. A mecânica racional desenvolvida no século 18 recebeu uma exposição brilhante tanto na obra de Lagrange de 1788 quanto na Mecânica Celestial (1799-1825) de Pierre-Simon Laplace.
Termodinâmica
Durante o século 18, a termodinâmica foi desenvolvida através das teorias de "fluidos imponderáveis" sem peso, como calor ("calórico"), eletricidade e flogisto (que foi rapidamente derrubado como um conceito que segue a identificação de Lavoisier do gás oxigênio no final do século). Supondo que esses conceitos fossem fluidos reais, seu fluxo poderia ser rastreado por meio de um aparato mecânico ou reações químicas. Essa tradição de experimentação levou ao desenvolvimento de novos tipos de aparelhos experimentais, como a Leyden Jar; e novos tipos de instrumentos de medição, como o calorímetro, e versões melhoradas dos antigos, como o termômetro. Os experimentos também produziram novos conceitos, como a noção de calor latente do pesquisador da Universidade de Glasgow, Joseph Black, e a caracterização do fluido elétrico, do intelectual da Filadélfia, Benjamin Franklin, como fluindo entre lugares de excesso e déficit (um conceito posteriormente reinterpretado em termos de cargas positivas e negativas). Franklin também mostrou que o raio é eletricidade em 1752.
A teoria aceita do calor no século 18 o via como uma espécie de fluido, chamado calórico; embora essa teoria tenha se mostrado errônea mais tarde, vários cientistas que aderiram a ela fizeram importantes descobertas úteis no desenvolvimento da teoria moderna, incluindo Joseph Black (1728-1799) e Henry Cavendish (1731-1810). Em oposição a essa teoria calórica, que havia sido desenvolvida principalmente pelos químicos, estava a teoria menos aceita, datada da época de Newton, de que o calor é devido aos movimentos das partículas de uma substância. Essa teoria mecânica ganhou apoio em 1798 com os experimentos de perfuração de canhões do Conde Rumford (Benjamin Thompson), que encontrou uma relação direta entre calor e energia mecânica.
Embora tenha sido reconhecido no início do século 18 que encontrar teorias absolutas de força eletrostática e magnética semelhantes aos princípios de movimento de Newton seria uma conquista importante, nenhuma delas surgiu. Essa impossibilidade desapareceu lentamente à medida que a prática experimental se tornou mais difundida e refinada nos primeiros anos do século XIX em lugares como a recém-criada Royal Institution em Londres. Enquanto isso, os métodos analíticos da mecânica racional começaram a ser aplicados a fenômenos experimentais, de forma mais influente com o tratamento analítico do fluxo de calor do matemático francês Joseph Fourier, publicado em 1822. Joseph Priestley propôs uma lei elétrica do quadrado inverso em 1767, e Charles-Augustin de Coulomb introduziu a lei do quadrado inverso da eletrostática em 1798.
No final do século, os membros da Academia Francesa de Ciências alcançaram um claro domínio no campo. Ao mesmo tempo, persistia a tradição experimental estabelecida por Galileu e seus seguidores. A Royal Society e a Academia Francesa de Ciências foram os principais centros para a realização e divulgação de trabalhos experimentais. Experimentos em mecânica, óptica, magnetismo, eletricidade estática, química e fisiologia não foram claramente distinguidos uns dos outros durante o século 18, mas diferenças significativas em esquemas explicativos e, portanto, no design de experimentos estavam surgindo. Os experimentadores químicos, por exemplo, desafiaram as tentativas de impor um esquema de forças newtonianas abstratas às afiliações químicas e, em vez disso, focaram no isolamento e classificação de substâncias e reações químicas.
Século XIX
Mecânica
Em 1821, William Hamilton começou sua análise da função característica de Hamilton. Em 1835, ele declarou as equações canônicas de movimento de Hamilton.
Em 1813, Peter Ewart apoiou a ideia da conservação da energia em seu artigo Sobre a medida da força em movimento. Em 1829, Gaspard Coriolis introduziu os termos trabalho (força vezes distância) e energia cinética com os significados que têm hoje. Em 1841, Julius Robert von Mayer, um cientista amador, escreveu um artigo sobre a conservação da energia, embora sua falta de formação acadêmica tenha levado à sua rejeição. Em 1847, Hermann von Helmholtz declarou formalmente a lei da conservação da energia.
Eletromagnetismo
(1791-1867)
Em 1800, Alessandro Volta inventou a bateria elétrica (conhecida como pilha voltaica) e assim melhorou a forma como as correntes elétricas também poderiam ser estudadas. Um ano depois, Thomas Young demonstrou a natureza ondulatória da luz — que recebeu forte apoio experimental do trabalho de Augustin-Jean Fresnel — e o princípio da interferência. Em 1820, Hans Christian Ørsted descobriu que um condutor de corrente dá origem a uma força magnética ao seu redor e, uma semana após a descoberta de Ørsted chegar à França, André-Marie Ampère descobriu que duas correntes elétricas paralelas exerceriam forças sobre uns aos outros. Em 1821, Michael Faraday construiu um motor movido a eletricidade, enquanto Georg Ohm declarou sua lei de resistência elétrica em 1826, expressando a relação entre tensão, corrente e resistência em um circuito elétrico.
Em 1831, Faraday (e independentemente Joseph Henry) descobriu o efeito reverso, a produção de um potencial elétrico ou corrente através do magnetismo - conhecido como indução eletromagnética; essas duas descobertas são a base do motor elétrico e do gerador elétrico, respectivamente.
Leis da termodinâmica
(1824-1907)
No século 19, a conexão entre calor e energia mecânica foi estabelecida quantitativamente por Julius Robert von Mayer e James Prescott Joule, que mediram o equivalente mecânico do calor na década de 1840. Em 1849, Joule publicou os resultados de sua série de experimentos (incluindo o experimento da roda de pás) que mostram que o calor é uma forma de energia, um fato que foi aceito na década de 1850. A relação entre calor e energia foi importante para o desenvolvimento das máquinas a vapor, e em 1824 foi publicado o trabalho experimental e teórico de Sadi Carnot. Carnot capturou algumas das ideias da termodinâmica em sua discussão sobre a eficiência de um motor idealizado. O trabalho de Sadi Carnot forneceu uma base para a formulação da primeira lei da termodinâmica - uma reafirmação da lei da conservação da energia - que foi declarada por volta de 1850 por William Thomson, mais tarde conhecido como Lord Kelvin, e Rudolf Clausius. Lord Kelvin, que estendeu o conceito de zero absoluto dos gases para todas as substâncias em 1848, baseou-se na teoria da engenharia de Lazare Carnot, Sadi Carnot e Émile Clapeyron - bem como na experimentação de James Prescott Joule sobre a intercambialidade de mecanismos mecânicos, formas químicas, térmicas e elétricas de trabalho - para formular a primeira lei.
Kelvin e Clausius também estabeleceram a segunda lei da termodinâmica, que foi originalmente formulada em termos do fato de que o calor não flui espontaneamente de um corpo mais frio para um mais quente. Outras formulações seguiram-se rapidamente (por exemplo, a segunda lei foi exposta no influente trabalho de Thomson e Peter Guthrie Tait Treatise on Natural Philosophy) e Kelvin, em particular, entendeu alguns dos princípios da lei. implicações gerais. A segunda lei era a ideia de que os gases consistem em moléculas em movimento, discutida com algum detalhe por Daniel Bernoulli em 1738, mas caiu em desuso e foi revivida por Clausius em 1857. Em 1850, Hippolyte Fizeau e Léon Foucault mediram a velocidade da luz na água e descobrem que ela é mais lenta que no ar, em apoio ao modelo ondulatório da luz. Em 1852, Joule e Thomson demonstraram que um gás em rápida expansão esfria, mais tarde chamado de efeito Joule-Thomson ou efeito Joule-Kelvin. Hermann von Helmholtz apresentou a ideia da morte térmica do universo em 1854, o mesmo ano em que Clausius estabeleceu a importância de dQ/T (teorema de Clausius) (embora ele ainda não diga a quantidade).
Mecânica estatística (uma abordagem fundamentalmente nova para a ciência)
(1831-1879)
Em 1859, James Clerk Maxwell descobriu a lei de distribuição das velocidades moleculares. Maxwell mostrou que campos elétricos e magnéticos se propagam para fora de sua fonte a uma velocidade igual à da luz e que a luz é um dos vários tipos de radiação eletromagnética, diferindo apenas em frequência e comprimento de onda dos outros. Em 1859, Maxwell elaborou a matemática da distribuição de velocidades das moléculas de um gás. A teoria ondulatória da luz foi amplamente aceita na época do trabalho de Maxwell no campo eletromagnético e, posteriormente, o estudo da luz, da eletricidade e do magnetismo foram intimamente relacionados. Em 1864, James Maxwell publicou seus artigos sobre uma teoria dinâmica do campo eletromagnético e afirmou que a luz é um fenômeno eletromagnético na publicação de 1873 do Tratado sobre eletricidade e magnetismo de Maxwell. Este trabalho baseou-se no trabalho teórico de teóricos alemães, como Carl Friedrich Gauss e Wilhelm Weber. O encapsulamento do calor no movimento das partículas e a adição de forças eletromagnéticas à dinâmica newtoniana estabeleceram uma base teórica extremamente robusta para as observações físicas.
A previsão de que a luz representava uma transmissão de energia em forma de onda através de um "éter luminífero", e a aparente confirmação dessa previsão com a detecção de radiação eletromagnética do estudante de Helmholtz, Heinrich Hertz, em 1888, foi um grande triunfo para a teoria física e levantou a possibilidade de que teorias ainda mais fundamentais baseadas no campo pudessem ser desenvolvidas em breve. A confirmação experimental da teoria de Maxwell foi fornecida por Hertz, que gerou e detectou ondas elétricas em 1886 e verificou suas propriedades, ao mesmo tempo em que prenunciava sua aplicação em rádio, televisão e outros dispositivos. Em 1887, Heinrich Hertz descobriu o efeito fotoelétrico. A pesquisa sobre as ondas eletromagnéticas começou logo depois, com muitos cientistas e inventores conduzindo experimentos sobre suas propriedades. Em meados da década de 1890, Guglielmo Marconi desenvolveu um sistema de telegrafia sem fio baseado em ondas de rádio. (ver invenção do rádio).
A teoria atômica da matéria havia sido proposta novamente no início do século XIX pelo químico John Dalton e tornou-se uma das hipóteses da teoria cinético-molecular dos gases desenvolvida por Clausius e James Clerk Maxwell para explicar as leis da termodinâmica.
(1844-1906)
A teoria cinética, por sua vez, levou a uma abordagem revolucionária da ciência, a mecânica estatística de Ludwig Boltzmann (1844–1906) e Josiah Willard Gibbs (1839–1903), que estuda as estatísticas de microestados de um sistema e usa estatísticas para determinar o estado de um sistema físico. Inter-relacionando a probabilidade estatística de certos estados de organização dessas partículas com a energia desses estados, Clausius reinterpretou a dissipação de energia como a tendência estatística das configurações moleculares de passar para estados cada vez mais prováveis e cada vez mais desorganizados (cunhando o termo " entropia" para descrever a desorganização de um estado). As interpretações estatísticas versus absolutas da segunda lei da termodinâmica criaram uma disputa que duraria várias décadas (produzindo argumentos como o "demônio de Maxwell"), e que não seria considerada definitivamente resolvido até que o comportamento dos átomos foi firmemente estabelecido no início do século 20. Em 1902, James Jeans descobriu a escala de comprimento necessária para que as perturbações gravitacionais crescessem em um meio estático quase homogêneo.
Outros desenvolvimentos
Em 1822, o botânico Robert Brown descobriu o movimento browniano: grãos de pólen na água sofrendo movimento resultante de seu bombardeio por átomos ou moléculas em movimento rápido no líquido.
Em 1834, Carl Jacobi descobriu seus elipsoides autogravitantes de rotação uniforme (o elipsoide de Jacobi).
Em 1834, John Russell observou uma onda de água solitária não decadente (soliton) no Union Canal perto de Edimburgo e usou um tanque de água para estudar a dependência das velocidades das ondas de água solitárias na amplitude da onda e na profundidade da água. Em 1835, Gaspard Coriolis examinou teoricamente a eficiência mecânica das rodas d'água e deduziu o efeito Coriolis. Em 1842, Christian Doppler propôs o efeito Doppler.
Em 1851, Léon Foucault mostrou a rotação da Terra com um enorme pêndulo (Pêndulo de Foucault).
Houve avanços importantes na mecânica do contínuo na primeira metade do século, nomeadamente a formulação de leis de elasticidade para sólidos e a descoberta das equações de Navier-Stokes para fluidos.
Século 20: nascimento da física moderna
(1867–1934)
No final do século XIX, a física havia evoluído a ponto de a mecânica clássica poder lidar com problemas altamente complexos envolvendo situações macroscópicas; a termodinâmica e a teoria cinética estavam bem estabelecidas; a óptica geométrica e física poderia ser compreendida em termos de ondas eletromagnéticas; e as leis de conservação de energia e momento (e massa) eram amplamente aceitas. Tão profundos foram esses e outros desenvolvimentos que era geralmente aceito que todas as leis importantes da física haviam sido descobertas e que, doravante, a pesquisa se preocuparia em esclarecer problemas menores e particularmente em melhorias de método e medição. No entanto, por volta de 1900 surgiram sérias dúvidas sobre a completude das teorias clássicas - o triunfo das teorias de Maxwell, por exemplo, foi prejudicado por inadequações que já começaram a aparecer - e sua incapacidade de explicar certos fenômenos físicos, como a distribuição de energia na radiação do corpo negro e o efeito fotoelétrico, enquanto algumas das formulações teóricas levaram a paradoxos quando levadas ao limite. Físicos proeminentes como Hendrik Lorentz, Emil Cohn, Ernst Wiechert e Wilhelm Wien acreditavam que alguma modificação das equações de Maxwell poderia fornecer a base para todas as leis físicas. Essas deficiências da física clássica nunca seriam resolvidas e novas ideias eram necessárias. No início do século 20, uma grande revolução abalou o mundo da física, o que levou a uma nova era, geralmente chamada de física moderna.
Experiências de radiação
No século XIX, os experimentadores começaram a detectar formas inesperadas de radiação: Wilhelm Röntgen causou sensação com a descoberta dos raios X em 1895; em 1896, Henri Becquerel descobriu que certos tipos de matéria emitem radiação por conta própria. Em 1897, J. J. Thomson descobriu o elétron, e novos elementos radioativos encontrados por Marie e Pierre Curie levantaram questões sobre o átomo supostamente indestrutível e a natureza da matéria. Marie e Pierre cunharam o termo "radioatividade" para descrever esta propriedade da matéria, e isolou os elementos radioativos rádio e polônio. Ernest Rutherford e Frederick Soddy identificaram duas das formas de radiação de Becquerel com elétrons e o elemento hélio. Rutherford identificou e nomeou dois tipos de radioatividade e em 1911 interpretou evidências experimentais como mostrando que o átomo consiste em um núcleo denso e carregado positivamente cercado por elétrons carregados negativamente. A teoria clássica, no entanto, previu que essa estrutura deveria ser instável. A teoria clássica também falhou em explicar com sucesso dois outros resultados experimentais que apareceram no final do século XIX. Uma delas foi a demonstração de Albert A. Michelson e Edward W. Morley - conhecido como experimento de Michelson-Morley - que mostrou que não parecia haver um quadro de referência preferencial, em repouso em relação ao hipotético éter luminífero, para descreve fenômenos eletromagnéticos. Estudos de radiação e decaimento radioativo continuaram a ser um foco preeminente para pesquisas físicas e químicas durante a década de 1930, quando a descoberta da fissão nuclear por Lise Meitner e Otto Frisch abriu o caminho para a exploração prática do que veio a ser chamado de " atômico" energia.
A teoria da relatividade de Albert Einstein
Em 1905, um físico alemão de 26 anos chamado Albert Einstein (então funcionário de patentes em Berna, Suíça) mostrou como as medições de tempo e espaço são afetadas pelo movimento entre um observador e o que está sendo observado. A teoria radical da relatividade de Einstein revolucionou a ciência. Embora Einstein tenha feito muitas outras contribuições importantes para a ciência, a teoria da relatividade por si só representa uma das maiores conquistas intelectuais de todos os tempos. Embora o conceito de relatividade não tenha sido introduzido por Einstein, ele reconheceu que a velocidade da luz no vácuo é constante, ou seja, a mesma para todos os observadores e um limite superior absoluto para a velocidade. Isso não afeta a vida cotidiana de uma pessoa, pois a maioria dos objetos viaja a velocidades muito mais lentas que a velocidade da luz. Para objetos que viajam perto da velocidade da luz, no entanto, a teoria da relatividade mostra que os relógios associados a esses objetos funcionarão mais lentamente e que os objetos encurtam em comprimento de acordo com as medições de um observador na Terra. Einstein também derivou a famosa equação, E = mc2, que expressa a equivalência de massa e energia.
Relatividade especial
Einstein argumentou que a velocidade da luz era uma constante em todos os referenciais inerciais e que as leis eletromagnéticas deveriam permanecer válidas independentemente do referencial—afirmações que tornavam o éter "supérfluo" à teoria física, e que sustentava que as observações de tempo e comprimento variavam em relação a como o observador estava se movendo em relação ao objeto sendo medido (o que veio a ser chamado de "teoria especial da relatividade"). Seguiu-se também que massa e energia eram quantidades intercambiáveis de acordo com a equação E=mc2. Em outro artigo publicado no mesmo ano, Einstein afirmou que a radiação eletromagnética era transmitida em quantidades discretas ("quanta"), de acordo com uma constante que o físico teórico Max Planck postulou em 1900 para chegar a uma teoria precisa para a distribuição da radiação do corpo negro — uma suposição que explicava as estranhas propriedades do efeito fotoelétrico.
A teoria especial da relatividade é uma formulação da relação entre as observações físicas e os conceitos de espaço e tempo. A teoria surgiu das contradições entre o eletromagnetismo e a mecânica newtoniana e teve grande impacto em ambas as áreas. A questão histórica original era se era significativo discutir o "éter" e movimento em relação a ele e também se alguém poderia detectar tal movimento, como foi tentado sem sucesso no experimento de Michelson-Morley. Einstein demoliu essas questões e o conceito de éter em sua teoria especial da relatividade. No entanto, sua formulação básica não envolve teoria eletromagnética detalhada. Surge da pergunta: "O que é o tempo?" Newton, no Principia (1686), deu uma resposta inequívoca: "O tempo absoluto, verdadeiro e matemático, por si mesmo e por sua própria natureza, flui igualmente sem relação com qualquer coisa externa, e por outro nome é chamado de duração." Esta definição é básica para toda a física clássica.
Einstein teve a genialidade de questioná-lo e descobriu que estava incompleto. Em vez disso, cada "observador" necessariamente faz uso de sua própria escala de tempo e, para dois observadores em movimento relativo, suas escalas de tempo serão diferentes. Isso induz um efeito relacionado nas medições de posição. Espaço e tempo tornam-se conceitos interligados, fundamentalmente dependentes do observador. Cada observador preside sua própria estrutura de espaço-tempo ou sistema de coordenadas. Não havendo quadro de referência absoluto, todos os observadores de determinados eventos fazem medições diferentes, mas igualmente válidas (e conciliáveis). O que permanece absoluto é declarado no postulado da relatividade de Einstein: "As leis básicas da física são idênticas para dois observadores que têm uma velocidade relativa constante um em relação ao outro".
A relatividade especial teve um efeito profundo na física: começou como um repensar da teoria do eletromagnetismo, encontrou uma nova lei de simetria da natureza, agora chamada simetria de Poincaré, que substituiu a antiga simetria de Galileu.
A relatividade especial exerceu outro efeito duradouro na dinâmica. Embora inicialmente tenha sido creditado com a "unificação de massa e energia", tornou-se evidente que a dinâmica relativística estabeleceu uma distinção firme entre massa de repouso, que é uma propriedade invariante (independente do observador). de uma partícula ou sistema de partículas, e a energia e momento de um sistema. Os dois últimos são conservados separadamente em todas as situações, mas não invariantes em relação a diferentes observadores. O termo massa na física de partículas sofreu uma mudança semântica e, desde o final do século 20, denota quase exclusivamente a massa restante (ou invariante).
Relatividade geral
Em 1916, Einstein foi capaz de generalizar isso ainda mais, para lidar com todos os estados de movimento, incluindo a aceleração não uniforme, que se tornou a teoria geral da relatividade. Nessa teoria, Einstein também especificou um novo conceito, a curvatura do espaço-tempo, que descrevia o efeito gravitacional em cada ponto do espaço. Na verdade, a curvatura do espaço-tempo substituiu completamente a lei universal da gravitação de Newton. Segundo Einstein, a força gravitacional no sentido normal é uma espécie de ilusão causada pela geometria do espaço. A presença de uma massa causa uma curvatura do espaço-tempo na vizinhança da massa, e essa curvatura dita o caminho do espaço-tempo que todos os objetos em movimento livre devem seguir. Também foi previsto a partir dessa teoria que a luz deveria estar sujeita à gravidade - tudo o que foi verificado experimentalmente. Este aspecto da relatividade explicou os fenômenos da curvatura da luz ao redor do sol, previu buracos negros, bem como as propriedades da radiação cósmica de fundo em micro-ondas – uma descoberta que apresenta anomalias fundamentais na clássica hipótese do estado estacionário. Por seu trabalho sobre a relatividade, o efeito fotoelétrico e a radiação de corpo negro, Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921.
A aceitação gradual das teorias da relatividade de Einstein e da natureza quantizada da transmissão de luz, e do modelo do átomo de Niels Bohr criou tantos problemas quanto resolveu, levando a um esforço em grande escala restabelecer a física em novos princípios fundamentais. Expandindo a relatividade para casos de referenciais acelerados (a "teoria geral da relatividade") na década de 1910, Einstein postulou uma equivalência entre a força inercial da aceleração e a força da gravidade, levando à conclusão de que o espaço é curvo e finito em tamanho, e a previsão de fenômenos como lentes gravitacionais e a distorção do tempo em campos gravitacionais.
Mecânica quântica
(1858–1947)
Embora a relatividade tenha resolvido o conflito dos fenômenos eletromagnéticos demonstrado por Michelson e Morley, um segundo problema teórico era a explicação da distribuição da radiação eletromagnética emitida por um corpo negro; O experimento mostrou que em comprimentos de onda mais curtos, perto da extremidade ultravioleta do espectro, a energia se aproximava de zero, mas a teoria clássica previu que deveria se tornar infinita. Essa discrepância flagrante, conhecida como catástrofe ultravioleta, foi resolvida pela nova teoria da mecânica quântica. A mecânica quântica é a teoria dos átomos e sistemas subatômicos. Aproximadamente os primeiros 30 anos do século XX representam a época da concepção e evolução da teoria. As ideias básicas da teoria quântica foram introduzidas em 1900 por Max Planck (1858-1947), que recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1918 por sua descoberta da natureza quantificada da energia. A teoria quântica (que anteriormente se baseava na "correspondência" em grandes escalas entre o mundo quantizado do átomo e as continuidades do mundo "clássico") foi aceita quando o Efeito Compton estabeleceu que a luz carrega momento e pode dispersar partículas, e quando Louis de Broglie afirmou que a matéria pode ser vista como se comportando como uma onda da mesma maneira que as ondas eletromagnéticas se comportam como partículas (dualidade onda-partícula).
(1901-1976)
Em 1905, Einstein usou a teoria quântica para explicar o efeito fotoelétrico, e em 1913 o físico dinamarquês Niels Bohr usou a mesma constante para explicar a estabilidade do átomo de Rutherford, bem como as frequências da luz emitida pelo hidrogênio gás. A teoria quantizada do átomo deu lugar a uma mecânica quântica em grande escala na década de 1920. Novos princípios de um "quântico" em vez de um "clássico" A mecânica, formulada em forma de matriz por Werner Heisenberg, Max Born e Pascual Jordan em 1925, baseava-se na relação probabilística entre "estados" e negou a possibilidade de causalidade. A mecânica quântica foi amplamente desenvolvida por Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac e Erwin Schrödinger, que estabeleceram uma teoria equivalente baseada em ondas em 1926; mas o "princípio da incerteza" de Heisenberg de 1927; (indicando a impossibilidade de medir de forma precisa e simultânea a posição e o momento) e a "interpretação de Copenhague" da mecânica quântica (em homenagem à cidade natal de Bohr) continuou a negar a possibilidade de causalidade fundamental, embora oponentes como Einstein afirmassem metaforicamente que "Deus não joga dados com o universo". A nova mecânica quântica tornou-se uma ferramenta indispensável na investigação e explicação dos fenômenos no nível atômico. Também na década de 1920, o trabalho do cientista indiano Satyendra Nath Bose sobre fótons e mecânica quântica forneceu a base para as estatísticas de Bose-Einstein, a teoria do condensado de Bose-Einstein.
O teorema da estatística do spin estabeleceu que qualquer partícula na mecânica quântica pode ser um bóson (estatisticamente Bose–Einstein) ou um férmion (estatisticamente Fermi-Dirac). Mais tarde, descobriu-se que todos os bósons fundamentais transmitem forças, como o fóton que transmite eletromagnetismo.
Férmions são partículas "como elétrons e nucleons" e são os constituintes habituais da matéria. As estatísticas de Fermi-Dirac mais tarde encontraram vários outros usos, desde a astrofísica (ver Matéria degenerada) até o design de semicondutores.
Física contemporânea e de partículas
Teoria quântica de campos
À medida que os filosoficamente inclinados continuaram a debater a natureza fundamental do universo, as teorias quânticas continuaram a ser produzidas, começando com a formulação de Paul Dirac de uma teoria quântica relativística em 1928. No entanto, as tentativas de quantizar inteiramente a teoria eletromagnética foram bloqueado ao longo da década de 1930 por formulações teóricas produzindo energias infinitas. Essa situação não foi considerada adequadamente resolvida até o fim da Segunda Guerra Mundial, quando Julian Schwinger, Richard Feynman e Sin-Itiro Tomonaga postularam independentemente a técnica de renormalização, que permitiu o estabelecimento de uma eletrodinâmica quântica robusta (QED).
Enquanto isso, novas teorias de partículas fundamentais proliferaram com o surgimento da ideia da quantização de campos por meio de "forças de troca" regulado por uma troca de mensagens "virtuais" partículas, que foram autorizadas a existir de acordo com as leis que regem as incertezas inerentes ao mundo quântico. Notavelmente, Hideki Yukawa propôs que as cargas positivas do núcleo eram mantidas juntas por cortesia de uma força poderosa, mas de curto alcance, mediada por uma partícula com uma massa entre a do elétron e a do próton. Esta partícula, o "pion", foi identificada em 1947 como parte do que se tornou uma série de partículas descobertas após a Segunda Guerra Mundial. Inicialmente, tais partículas foram encontradas como radiação ionizante deixada por raios cósmicos, mas cada vez mais passaram a ser produzidas em aceleradores de partículas mais novos e poderosos.
Fora da física de partículas, os avanços significativos da época foram:
- a invenção do laser (1964 Prêmio Nobel de Física);
- a pesquisa teórica e experimental de supercondutividade, especialmente a invenção de uma teoria quântica de supercondutividade por Vitaly Ginzburg e Lev Landau (1962 Prêmio Nobel de Física) e, mais tarde, sua explicação via Cooper pares (1972 Prêmio Nobel de Física). O par de Cooper foi um exemplo inicial de quasiparticles.
Teorias de campo unificado
Einstein considerou que todas as interações fundamentais na natureza podem ser explicadas em uma única teoria. As teorias de campo unificado foram inúmeras tentativas de "fundir" várias interações. Uma das muitas formulações de tais teorias (assim como teorias de campo em geral) é uma teoria de calibre, uma generalização da ideia de simetria. Eventualmente, o Modelo Padrão (veja abaixo) conseguiu unificar interações fortes, fracas e eletromagnéticas. Todas as tentativas de unificar a gravitação com outra coisa falharam.
Modelo padrão
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Quando a paridade foi quebrada em interações fracas por Chien-Shiung Wu em seu experimento, uma série de descobertas foram criadas a partir de então. A interação dessas partículas por espalhamento e decaimento forneceu uma chave para novas teorias quânticas fundamentais. Murray Gell-Mann e Yuval Ne'eman trouxeram alguma ordem a essas novas partículas, classificando-as de acordo com certas qualidades, começando com o que Gell-Mann chamou de "Caminho Óctuplo". Embora seu desenvolvimento posterior, o modelo quark, inicialmente parecesse inadequado para descrever forças nucleares fortes, permitindo o surgimento temporário de teorias concorrentes, como a Matriz S, o estabelecimento da cromodinâmica quântica na década de 1970 finalizou um conjunto de partículas fundamentais e de troca, que permitiu o estabelecimento de um "modelo padrão" com base na matemática da invariância de calibre, que descreveu com sucesso todas as forças, exceto a gravitação, e que permanece geralmente aceita dentro de seu domínio de aplicação.
O Modelo Padrão, baseado na teoria de Yang-Mills agrupa a teoria da interação eletrofraca e a cromodinâmica quântica em uma estrutura denotada pelo grupo de gauge SU(3)×SU(2)×U(1). A formulação da unificação das interações eletromagnética e fraca no modelo padrão deve-se a Abdus Salam, Steven Weinberg e, posteriormente, Sheldon Glashow. A teoria eletrofraca foi posteriormente confirmada experimentalmente (pela observação de correntes neutras fracas) e distinguida pelo Prêmio Nobel de Física de 1979.
Desde a década de 1970, a física de partículas fundamentais forneceu insights sobre a cosmologia do universo primitivo, particularmente a teoria do Big Bang proposta como consequência da teoria geral da relatividade de Einstein. No entanto, a partir da década de 1990, as observações astronômicas também trouxeram novos desafios, como a necessidade de novas explicações sobre a estabilidade galáctica ("matéria escura") e a aparente aceleração na expansão do universo ("energia escura").
Embora os aceleradores tenham confirmado a maioria dos aspectos do Modelo Padrão, detectando interações esperadas de partículas em várias energias de colisão, nenhuma teoria reconciliando a relatividade geral com o Modelo Padrão foi encontrada, embora a supersimetria e a teoria das cordas tenham sido consideradas por muitos teóricos como uma promissor caminho a seguir. O Grande Colisor de Hádrons, no entanto, que começou a operar em 2008, não conseguiu encontrar nenhuma evidência que apoie a supersimetria e a teoria das cordas.
Cosmologia
Pode-se dizer que a cosmologia se tornou uma séria questão de pesquisa com a publicação da Teoria Geral da Relatividade de Einstein em 1915, embora não tenha entrado no mainstream científico até o período conhecido como a "era de ouro da relatividade geral'.
Cerca de uma década depois, no meio do que foi apelidado de "Grande Debate", Hubble e Slipher descobriram a expansão do universo na década de 1920 medindo os desvios para o vermelho dos espectros Doppler de nebulosas galácticas. Usando a relatividade geral de Einstein, Lemaître e Gamow formularam o que se tornaria conhecido como a teoria do big bang. Um rival, chamado de teoria do estado estacionário, foi desenvolvido por Hoyle, Gold, Narlikar e Bondi.
A radiação cósmica de fundo foi verificada na década de 1960 por Penzias e Wilson, e essa descoberta favoreceu o big bang em detrimento do cenário de estado estacionário. O trabalho posterior foi de Smoot et al. (1989), entre outros colaboradores, usando dados dos satélites Cosmic Background Explorer (CoBE) e Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) que refinaram essas observações. A década de 1980 (mesma década das medições do COBE) também viu a proposta da teoria da inflação por Alan Guth.
Recentemente, os problemas da matéria escura e da energia escura subiram ao topo da agenda da cosmologia.
Bóson de Higgs
Em 4 de julho de 2012, físicos que trabalhavam no Grande Colisor de Hádrons do CERN anunciaram a descoberta de uma nova partícula subatômica muito parecida com o bóson de Higgs, uma chave potencial para a compreensão de por que as partículas elementares têm massa e, de fato, para a existência da diversidade e da vida no universo. Por enquanto, alguns físicos estão chamando-o de "Higgslike" partícula. Joe Incandela, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, disse: "É algo que pode, no final, ser uma das maiores observações de qualquer novo fenômeno em nosso campo nos últimos 30 ou 40 anos. anos, remontando à descoberta dos quarks, por exemplo." Michael Turner, cosmólogo da Universidade de Chicago e presidente do conselho do centro de física, disse:
"Este é um grande momento para a física de partículas e uma encruzilhada - será esta a marca de água alta ou será a primeira de muitas descobertas que nos apontam para resolver as perguntas realmente grandes que temos posado?"
—Michael Turner, Universidade de Chicago
Peter Higgs foi um dos seis físicos, trabalhando em três grupos independentes, que, em 1964, inventou a noção do campo de Higgs ("melaço cósmico"). Os outros eram Tom Kibble, do Imperial College, em Londres; Carl Hagen da Universidade de Rochester; Gerald Guralnik da Brown University; e François Englert e Robert Brout, ambos da Université libre de Bruxelles.
Embora nunca tenham sido vistos, os campos semelhantes a Higgs desempenham um papel importante nas teorias do universo e na teoria das cordas. Sob certas condições, de acordo com a estranha contabilidade da física einsteiniana, eles podem se tornar impregnados de energia que exerce uma força antigravitacional. Esses campos foram propostos como a fonte de uma enorme explosão de expansão, conhecida como inflação, no início do universo e, possivelmente, como o segredo da energia escura que agora parece estar acelerando a expansão do universo.
Ciências físicas
Com maior acessibilidade e elaboração de técnicas analíticas avançadas no século 19, a física foi definida tanto, senão mais, por essas técnicas do que pela busca de princípios universais de movimento e energia e a natureza fundamental da matéria. Campos como acústica, geofísica, astrofísica, aerodinâmica, física de plasma, física de baixa temperatura e física do estado sólido juntaram-se à óptica, dinâmica de fluidos, eletromagnetismo e mecânica como áreas de pesquisa física. No século 20, a física também se aliou estreitamente a campos como a engenharia elétrica, aeroespacial e de materiais, e os físicos começaram a trabalhar tanto em laboratórios governamentais e industriais quanto em ambientes acadêmicos. Após a Segunda Guerra Mundial, a população de físicos aumentou dramaticamente e passou a se concentrar nos Estados Unidos, enquanto, nas décadas mais recentes, a física se tornou uma atividade mais internacional do que em qualquer outro momento de sua história anterior.
Publicações seminais de física
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