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Física Moderna, 6ª Edição
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A
Relatividade e Mecânica Quântica: Os Fundamentos
da Física Moderna
s primeiras tentativas sistemáticas de que se tem notícia para reunir conhecimentos a respeito do movimento como forma de
compreender os fenômenos naturais foram realizadas na Grécia Antiga. A filosofia natural (ou seja, a física) da época,
colocada em uma forma sofisticada por Aristóteles por volta de 350 a.C., baseava-se em explicações deduzidas a partir de
hipóteses, e não em experimentos. Uma dessas hipóteses fundamentais, por exemplo, era a de que toda substância possui um
“lugar natural” no universo. O movimento acontecia quando uma substância estava tentando chegar ao seu lugar natural. Ao
tempo também era atribuído um significado absoluto, na forma de um movimento a partir de um certo instante do passado (a
criação do universo) em direção a um objetivo final no futuro, seu lugar natural. Graças a uma notável concordância entre as
deduções da física aristotélica e os movimentos observados no universo e a uma ausência quase total de instrumentos precisos
que permitissem examinar criticamente essas deduções, a visão dos gregos continuou a ser aceita como verdadeira durante
quase 2.000 anos. No final desse período, uns poucos estudiosos tinham começado a testar experimentalmente algumas das
previsões teóricas, mas foi o cientista italiano Galileu Galilei que, com seus brilhantes experimentos envolvendo o movimento,
estabeleceu definitivamente a necessidade da experimentação na física e, ao mesmo tempo, iniciou a derrocada da física
aristotélica. Menos de 100 anos depois, Isaac Newton havia generalizado os resultados dos experimentos de Galileu em suas
espetacularmente bem-sucedidas leis do movimento, e a filosofia natural de Aristóteles se tornara coisa do passado.
Com o florescimento da experimentação, os 200 anos seguintes assistiram a uma miríade de descobertas importantes e ao
desenvolvimento concomitante de teorias físicas para explicá-las. A maioria das últimas, como até hoje acontece, não conseguiu
sobreviver aos testes experimentais cada vez mais sofisticados, mas no início do século XX as explicações teóricas propostas
por Newton para o movimento de sistemas mecânicos tinham sido complementadas pelas leis igualmente grandiosas do
eletromagnetismo e da termodinâmica formuladas por Maxwell, Carnot e outros. O notável sucesso conseguido por essas leis
levou muitos cientistas a acreditarem que a descrição do universo estivesse completa. A. A. Michelson, dirigindo-se aos cientistas
no final do século XIX, declarou o seguinte: “Os grandes princípios já estão firmemente estabelecidos... As futuras verdades da
física terão que ser procuradas na sexta casa decimal.”
Esse otimismo (ou pessimismo, dependendo do ponto de vista) revelou-se prematuro, pois já havia sérias rachaduras nos
alicerces do que hoje chamamos de física clássica. Duas delas foram consideradas por Lorde Kelvin, em suas famosas
conferências de Baltimore em 1900, como “duas nuvens” no horizonte da física do século XX: a incapacidade da teoria de
descrever o espectro de radiação emitido por um corpo negro e os resultados inexplicáveis do experimento de Michelson-Morley.
Na verdade, a ruptura da física clássica ocorreu em muitos setores ao mesmo tempo: o resultado nulo do experimento de
Michelson-Morley contrariava a relatividade newtoniana; o espectro da radiação de corpo negro não estava de acordo com as
previsões da termodinâmica; o efeito fotelétrico e os espectros dos átomos não podiam ser explicados pela teoria
eletromagnética; os fascinantes fenômenos associados aos raios X e à radioatividade pareciam estar totalmente fora do contexto
da física clássica. As teorias da mecânica quântica e da relatividade, formuladas no início do século XX, não só dissiparam as
“nuvens escuras” de Kelvin, mas forneceram respostas para todos esses enigmas e muitos mais. A aplicação dessas teorias a
sistemas microscópicos, como átomos, moléculas, núcleos atômicos e partículas elementares, e a sistemas macroscópicos
(sólidos, líquidos, gases e plasmas) proporcionou uma melhor compreensão dos intrincados processos naturais e revolucionou
nossa forma de viver.
Na Parte I, discutimos os fundamentos da física moderna: a teoria da relatividade e a mecânica quântica. O Capítulo 1
examina o aparente conflito entre o princípio da relatividade de Einstein e a observação experimental de que a velocidade da luz
é constante, mostra de que forma a aceitação simultânea das duas ideias levou à teoria da relatividade restrita. O Capítulo 2 trata
das relações entre massa, energia e momento na relatividade restrita e termina com uma breve discussão da relatividade geral e
algumas verificações experimentais de suas previsões. Nos Capítulos 3, 4 e 5 é discutida a evolução da mecânica quântica,
desde os primeiros indícios da existência de quantização até a hipótese de de Broglie de que os elétrons podem se comportar
como ondas. Uma discussão elementar da equação de Schrödinger é apresentada no Capítulo 6 e ilustrada com aplicações a
sistemas unidimensionais. O Capítulo 7 estende a aplicação da mecânica quântica a sistemas de muitas partículas e introduz os
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importantes conceitos do spin eletrônico e do princípio de exclusão. Para concluir, o Capítulo 8 discute a mecânica ondulatória
em sistemas com um grande número de partículas idênticas, destacando a importância da simetria das funções de onda. A partir
do Capítulo 3, os capítulos da Parte I devem ser estudados em sequência, já que os Capítulos de 4 a 8 dependem das
explicações, das discussões e dos exemplos apresentados nos anteriores.
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