Introdução

Nos finais do século XIX, a Física que era vista como sendo determinista (ideias sólidas), passou a ser uma área probabilística, fazendo com que o Universo começasse a ser encarado como uma “teia infinita de eventos correlacionados”, devido ao Principio da Relatividade, da Mecânica Quântica e da Radioactividade, que originaram alterações no entendimento das noções de espaço, tempo, medida, casualidade, trajectória e localização.

Teoria da Relatividade

A Teoria da Relatividade foi apresentada inicialmente por Galileu, que afirmou e defendeu a ideia de que a descrição de um movimento depende do referencial escolhido e que nos referenciais inerciais (referencial em relação ao qual se verifica a Lei da Inércia) existe invariância das leis da física.

Einstein acabou por contrariar Galileu, comprovando que Galileu estava errado ao afirmar a invariância das leis perante os referenciais inerciais, pois as leis do electromagnetismo não são as mesmas em todos os referenciais de inércia.

Einstein apresentou, então, uma renovada Relatividade, que se dividia em Restrita e Geral. A Relatividade Restrita, desenvolvida em 1905, pode ser deduzida a partir de dois postulados que contrariam o chamado senso comum:

1º Não existe nenhuma forma de detectar o movimento absoluto; as leis de Física são as mesmas em todos os referenciais inerciais;

2º A velocidade da luz é independente do movimento da fonte luminosa ou do observador;

Estes postulados da relatividade restrita implicam:

- Simultaneidade de acontecimentos - Dois acontecimentos que são simultâneos num dado referencial não são simultâneos num referencial que se encontre em movimento relativamente ao primeiro.

- Dilatação do tempo - O intervalo de tempo medido num referencial em movimento relativamente ao referencial em que o acontecimento se encontra em repouso é maior.

EX:

Um observador A e outro observador B que está dentro da carruagem, estão equipados de relógios. Dentro da carruagem existe um dispositivo C capaz de emitir luz e detectá-la. Acima deste dispositivo está um espelho que reflecte os raios emitidos por C. Assim, um raio emitido pelo dispositivo C é reflectido no espelho e volta para C onde é detectado permitindo, então, o cálculo do tempo de percurso ∆t.

Os dois observadores medem o mesmo valor para o intervalo de tempo ∆t = 2d/c. Onde c = 299 792 458 m / s. Imagine agora que a carruagem tem movimento rectilíneo e uniforme, com velocidade igual a u relativa ao observador A em repouso no solo.

O observador B mediu o mesmo intervalo de tempo do primeiro teste, mas o observador A medirá um intervalo de tempo ∆t’ diferente do anterior, pois para ele o raio de luz percorreu uma distância diferente da anterior. Observe-se a distância percorrida pelo raio de luz:

Assim, podemos deduzir o tempo ∆t’:

- Contracção do espaço - O comprimento de um objecto é menor quando é medido num referencial no qual o objecto se encontra em movimento.

Para generalizar a Teoria da Relatividade para referenciais não inerciais (referenciais acelerados e submetidos à força da gravidade) e para levar em consideração as ideias descobertas na Relatividade Restrita sobre o espaço e o tempo, Albert Einstein, em 1916 desenvolveu a Teoria Relatividade Geral.

Esta teoria veio a resolver o problema da incompatibilidade da teoria de Gravitação de Newton com a teoria da Relatividade Restrita e também veio a resolver alguns obstáculos relativos à Gravitação de Newton. Esses obstáculos eram, respectivamente, a exclusão das partículas de massa zero e o facto da força gravitacional actuar à distância.

Mas como Einstein veio a comprovar através da Teoria de Relatividade Geral, o campo gravitacional é resultado de uma deformação do espaço-tempo quadridimensional na vizinhança de um corpo.

Esta teoria baseia-se no Princípio da Equivalência - um campo gravitacional homogéneo é equivalente a um referencial uniformemente acelerado. Este princípio estende a teoria da Relatividade Geral a todos os referenciais (inerciais e não inerciais), concluindo-se a partir deste que é impossível o observador saber se está num campo gravítico com a aceleração da gravidade, ou ligado a um referencial acelerado.

Mecânica Quântica

A Mecânica Quântica acabou também por ter relevante importância no aparecimento da Física Moderna. Esta teoria, que se aplica mais em sistemas microscópicos, teve como seus impulsionadores Planck (com os seus estudos sobre a radiação do corpo negro e a sua ideia da quantização de energia) e Einstein (com a teoria dos fotões e com o efeito fotoeléctrico).

A Mecânica Quântica é a teoria que descreve o comportamento da matéria à escala nanométrica, ou seja, é a física dos componentes da matéria (átomos, moléculas e outras partículas elementares).

A origem desta teoria encontra-se num determinado conjunto de experiências que apresentou resultados que eram incongruentes com a noção clássica de onda e partícula e com os seus comportamentos supostamente distintos. Essencialmente, a Mecânica Quântica, mesmo considerando uma só partícula, associou-a a uma onda para poder explicar os resultados obtidos nessas experiências. Deste modo, relacionou-se a onda à probabilidade de se encontrar a partícula num determinado ponto do espaço, dando origem ao chamado Princípio da Dualidade Onda – Partícula. O que veio revolucionar a Física é o facto de que, ao contrário dos métodos clássicos, um sistema quântico só pode ser descrito através de alternativas sujeitas a diversos métodos de interpretação, isto porque a onda associada ao sistema compreende, acima de tudo e apenas, a probabilidade.

Planck

A partir dos estudos de Planck sobre radiações térmicas notaram-se os primeiros indícios de natureza quântica da radiação.

A emissão de radiação por parte do corpo negro levava à procura da sua devida explicação, o que originou muitas tentativas falhadas. Verifica-se, no corpo negro, que ele absorve toda a radiação que nele incide, e que nenhuma luz o atravessa nem é reflectida.

Apesar do nome, os corpos negros produzem radiação electromagnética. Quando um corpo negro é aquecido, essas propriedades tornam-no uma fonte ideal de radiação térmica. Se um corpo negro ideal a certa temperatura é cercado por outros objectos da mesma temperatura e em equilíbrio térmico, um corpo negro em média emitirá exactamente a mesma quantidade que absorve, em todos os comprimentos de onda: cada raio que atinge o objecto é absorvido, então a quantidade de radiação absorvida será emitida da mesma forma.

Esta emissão de radiação por parte do corpo negro acabou finalmente por ser explicada por Planck, em 1900, através da Lei da Radiação de Planck, que através dela conseguiu explicar também a distribuição de energia emitida por um corpo negro e interpretar o espectro da radiação térmica.

Fez ainda outra descoberta ao afirmar que os átomos que formam a matéria comportam-se como pequenos osciladores, cada um deles vibrando com a sua própria frequência, e formulou o Postulado de Planck: a uma dada temperatura, cada oscilador pode absorver ou emitir energia, sob a forma de radiação electromagnética, unicamente em quantidades discretas que são proporcionais à sua frequência de vibração.

Max Planck também descobriu que a energia dos supostos osciladores está quantizada e que é transferida em pequenas quantidades (quantização de energia).

Teoria dos fotões e Efeito Fotoeléctrico

Einstein, em 1905, demonstrou que se podiam resolver as dificuldades atrás apontadas se se aplicasse, às radiações luminosas, a hipótese dos quanta que o físico Max Planck recentemente apresentara.

Assim, Einstein, em vez de considerar a luz incidente como uma onda de frequência f, considerou-a como uma corrente de corpúsculos, recuperando uma ideia de Newton, os fotões, cada um dos quais de energia E proporcional à frequência f da onda considerada, e cuja constante de proporcionalidade, h, era a mesma que Planck deduzira a partir da sua hipótese.Einstein considerou ainda que a intensidade da onda luminosa incidente é proporcional ao número de fotões que ela transporta e que a energia das radiações electromagnéticas está quantizada.

Esta teoria dos fotões realizada por este físico alemão auxiliou-o a reformular o efeito fotoeléctrico clássico. O Efeito Fotoeléctrico, que se entende como sendo uma emissão de radiações sobre um material, geralmente metálico, só ocorre se sobre o metal incidir radiação com uma energia igual ou superior à energia mínima de remoção desse metal, podendo haver maior remoção de electrões (e com maior energia cinética) se a energia de radiação incidente for superior à energia mínima de remoção.

Esta energia mínima de remoção de electrões foi possível descobrir a partir do quantum de energia definido por Einstein na sua teoria de fotões, sendo isso o que distingue a teoria clássica do Efeito Fotoeléctrico com a mais recente Teoria do Efeito Fotoeléctrico apresentada pelo físico alemão.

Radioactividade

A radioactividade é um fenómeno natural ou artificial, pelo qual algumas substâncias ou elementos químicos, chamados radioactivos, são capazes de emitir radiações por terem excesso de partículas ou de carga, de modo a estabilizarem-se. As radiações emitidas podem ser radiação α (alfa), radiação β (beta) e radiação µ (gama).

Um dos processos de estabilização de um núcleo com excesso de energia é o da emissão de um grupo de partículas positivas, constituídas por dois protões e dois neutrões, e da energia a elas associada. São as radiações alfa ou partículas alfa.
Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de neutrões em relação a protões, é através da emissão de uma partícula negativa, um electrão, resultante da conversão de um neutrão num protão. É a partícula beta negativa ou, simplesmente, partícula beta.

No caso de existir excesso de cargas positivas, é emitida uma partícula beta positiva, chamada positrão, resultante da conversão de um protão num neutrão. Portanto, a radiação beta é constituída de partículas emitidas por um núcleo, quando ocorre transformação de neutrões em protões (partículas beta) ou de protões em neutrões (positrões).
Geralmente, após a emissão de uma partícula alfa ou beta, o núcleo resultante desse processo, ainda com excesso de energia, procura estabilizar-se, emitindo esse excesso sob a forma de onda electromagnética, da mesma natureza da luz, denominada radiação gama.
Neste fenómeno de radioactividade é possível observar a fusão nuclear e a fissão nuclear.

Fissão nuclear é a divisão de um núcleo atómico pesado e instável através do seu bombardeamento com neutrões - obtendo dois núcleos menores, neutrões e a libertação de uma quantidade enorme de energia.

Fusão nuclear é a junção de dois ou mais núcleos atómicos produzindo um único núcleo maior, com libertação de grande quantidade de energia.

Aplicações da Física Moderna

A Física Moderna é vista como uma nova fase nas investigações científicas, como um novo desafio proposto à inteligência e perseverança humanas. Quando, nos finais do século XIX Lord Kelvin (o físico J.J.Thomson) tinha declarado que na Física haviam apenas alguns detalhes insignificantes a serem desenvolvidos, pensou-se que a compreensão da totalidade através de uma perspectiva alicerçada na Física tinha atingido o seu auge. Eis que, ambicionando-se clarificar duas das “nuvens” que tomavam forma no seu horizonte (uma delas era a distribuição de energia na radiação de um corpo aquecido), surgiram as teorias e os estudos mais revolucionários da História desta ciência: a Teoria da Relatividade, a Teoria Quântica e também a Radioactividade.

Desenvolvendo trabalhos espantosos nestas novas ideias, Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, de Broglie, Born, Pauli, Dirac, Becquerel, os Curie, entre outros, trouxeram-nos um mundo mais rico, na medida em que nos presentearam com uma vastíssima gama de aplicações que nos convidam a espreitar uma vida repleta de novas oportunidades e um futuro bem mais promissor.

Sumariamente, apresentamos algumas das principais áreas e respectivos exemplos de aplicações da Física Moderna:

↘ Indústria Tecnológica (todos os equipamentos high-tech):

• Computação (componentes como microprocessadores e processadores quânticos), que se baseia no efeito de “descoerência prolongada”. Este efeito só recentemente foi considerado, e é basicamente o desaparecimento dos efeitos quânticos num corpo macroscópico numa escala de tempo curta. Logo, estes microdispositivos permitem manipular um enorme número de partículas, o que torna os computadores ainda mais rápidos.

• Nanotecnologia: o estudo da Física Moderna permite uma melhor compreensão do mundo atómico, o que permite superar as importantes modificações das propriedades físicas e químicas que se mostram na passagem do mundo macroscópico para o mundo nanométrico. Assim, vê-se permitida a manipulação e caracterização de materiais à escala nanométrica, cuja produção promete revolucionar as propriedades dos materiais e até mesmo a concepção de novos dispositivos baseados em fenómenos físicos quânticos.

• Microscopia Electrónica: o princípio de funcionamento assenta na mecânica quântica. Num dos tipos, a amostra é “varrida” por uma sonda carregada electricamente, gerando-se uma diferença de potencial entre a sonda e a amostra; no outro tipo, sobre uma amostra incide-se uma radiação que resulta na ionização dos átomos e na produção de sinais. As variações de corrente eléctrica e as alterações de comprimentos de onda determinam as colinas e vales da superfície e caracterizam cada espécie atómica, respectivamente.

• Fotografia/Cinematografia: através de meios químicos é conseguida a fixação de imagens que posteriormente são expostas a radiação (infravermelha e ultravioleta). As sequências de fotografias e as fotografias de objectos em movimento deram origem ao cinema.
↘ Indústria/ Engenharia de Materiais (nesta secção pode-se enquadrar também a engenharia civil, a mecânica e a indústria metalúrgica):

• Novas ligas/fibras metálicas e plásticas, que conferem maior resistência e fiabilidade aos materiais.

• Processos de controlo (ex: qualidade e segurança), que se baseiam nos raios X, que permitem a visualização de corpos opacos.

↘ Medicina:

• Ressonância Magnética

• Radioterapia

• Genética/Biologia Molecular: a difracção de raios X permite determinar estruturas microscópicas, como a do DNA em 1953 por Crick e Watson, sendo uma ferramenta na investigação das estruturas genéticas.

• Tomografia PET: esta técnica permite ver o funcionamento dos órgãos, injectando-se no paciente marcadores radioactivos que reagindo com os positrões emitidos entram em processos de decaimento permitindo ao dispositivo determinar a trajectória de fotões e determinar o percurso do marcador radioactivo, informando acerca do funcionamento dos órgãos do paciente.

• Cosmética: os elementos como o Rádio eram utilizados na remoção de sinais e outros aglomerados de da pele.

↘ Telecomunicações:

• Telemóveis, televisão, rádio, etc.: o funcionamento destes aparelhos e de outros da mesma família baseia-se na transmissão de informação sob a forma de sinais eléctricos e radiações electromagnéticas.

• Satélites, GPS, etc.: como os satélites se encontram muito acima da superfície terrestre e a sua velocidade orbital é elevada, os efeitos da relatividade são muito evidentes, particularmente na medição do tempo. Isto era de prever, pois os relógios num referencial em movimento tendem a atrasar-se. Apesar de serem usados relógios atómicos bastante precisos, há necessidade de os sincronizar, de modo a compensar as discrepâncias nas medições.

↘ Geologia: a visualização, determinação e interpretação do interior da estrutura atómica vieram permitir o estudo das composições das rochas, terrenos, sais minerais, etc.

• Cristalografia

• Mineralogia
↘ Produção de Energia

• Células Fotovoltáicas: baseiam-se no efeito fotoeléctrico para produzirem energia eléctrica.


• Centrais Nucleares: a manipulação de núcleos atómicos de certos elementos permite a produção de enormes quantidades de energia.


↘ Espectroscopia: no século XIX tornou-se um instrumento fundamental na química, essencialmente na identificação de elementos. As linhas dos espectros (de emissão e de absorção) correspondem a frequências exactas distintas de absorção e emissão da radiação, o que é explicado pelos diferentes estados quânticos (e transições electrónicas) dos elementos.