Importância da Física para o Esclarecimento do Universo e para o Desenvolvimento das Forças Produtivas da Sociedade
G. Miakichev & B. Bukhovtsev
Traduzido do Russo por Ana Manteigas Pedro e Anatoli Kutchúmov
Adaptado por Alberto Ricardo Präss (www.fisica.net)
1. Panorama Físico do Universo
A Física permite-nos conhecer as leis gerais da Natureza que regulam o desenvolvimento dos processos que se verificam, tanto no Universo circundante como no Universo em geral.
O objetivo da Física consiste em descobrir as leis gerais da Natureza e esclarecer, com base nelas, processos concretos. Os cientistas, à medida que se aproximavam desse objetivo, iam compreendendo melhor o panorama grandioso a complexo da unidade universal da Natureza. O Universo não é um conjunto simples de acontecimentos independentes, mas todos eles constituem manifestações evidentes do Universo considerado como um todo.
Panorama mecânico do Universo.
O panorama grandioso da unidade do Universo idealizado por Newton, com base na Mecânica, causou sempre e continua a causar admiração. De acordo com o modelo de Newton, todo o Universo consta “de partículas duras, pesadas, impenetráveis e animadas de movimento”. São “partículas elementares absolutamente duras: a sua dureza é infinitamente superior à dos corpos constituídos por elas, tão duras que nunca sofrem desgaste nem ruptura”.
As partículas diferem umas das outras apenas quantitativamente, isto é, pelas suas massas. Toda a riqueza, toda a diversidade qualitativa do Universo resulta das diferenças no movimento das partículas. A natureza, a essência interna das partículas como que estavam em segundo plano.
As leis que regulam o movimento dos corpos, descobertas por Newton, e o seu caráter universal serviram de base para a idealização deste panorama geral do Universo. À leis de Newton obedecem com exatidão tanto os grandes astros como as pequeníssimas partículas de areia agitadas pelos ventos. O próprio vento obedece às mesmas leis, pois que consta de partículas de ar invisíveis a olho nu.
Durante muito tempo os cientistas consideraram que as leis da Mecânica de Newton são as únicas leis fundamentais da Natureza. Assim, por exemplo, o físico francês LAGRANGE considerava que “não há nenhum homem mais feliz do que Newton: somente uma vez cabe a um só homem a glória de idealizar o panorama do Universo”. No entanto, o panorama mecânico simples do Universo revelou-se inconsistente. Durante o estudo dos processos eletromagnéticos soube-se que os mesmos não obedecem às leis mecânicas de Newton. Maxwell descobriu um novo tipo de leis fundamentais que não se limitam apenas à mecânica de Newton. Trata-se das leis que regulam o comportamento do campo eletromagnético.
Panorama eletromagnético do Universo.
Na Mecânica de Newton admite-se que os corpos interagem, diretamente através do vazio, uns sobre os outros, interação esta que se realiza instantaneamente (teoria da interação a grandes distâncias). O conceito de forças, depois de criada a eletrodinâmica, sofreu alterações substanciais. Cada um dos corpos que entram em interação cria um campo eletromagnético que se propaga no espaço com uma velocidade finita. As interações realizam-se através desse campo (teoria da interação a pequenas distâncias).
As forças eletromagnéticas são muito freqüentes na Natureza. As forças eletromagnéticas atuam no seio do núcleo atômico, nos átomos, nas moléculas, assim como entre as moléculas nos corpos macroscópicos. Isto ocorre devido a que a composição de todos os átomos entram partículas carregadas de eletricidade. A ação das forças eletromagnéticas põe-se em evidência tanto a distâncias muito pequenas (dentro de um núcleo atômico) como muito grandes, cósmicas (radiação eletromagnética dos astros).
O desenvolvimento da eletrodinâmica deu origem a várias tentativas de idealizar um panorama eletromagnético do Universo. Todos os acontecimentos que se verificam no Universo, segundo tal panorama, obedecem às leis que regulam as interações eletromagnéticas.
O panorama eletromagnético do Universo atingiu o ponto culminante do seu desenvolvimento após a criação da teoria da relatividade especial. Foi nessa altura que se tornou possível compreender a importância fundamental do valor finito da velocidade de propagação das interações eletromagnéticas, assim como criar os novos conceitos de espaço e de tempo, escrever a nova equação relativista do movimento que substituiu as equações de Newton nos casos de se tratar de grandes velocidades.
Repare-se que, enquanto na época de existência única do panorama mecânico do Universo os cientistas tentavam reduzir os fenômenos eletromagnéticos aos processos mecânicos num meio especial hipotético (éter universal), nesta nova etapa, pelo contrário, os físicos tinham tendência para deduzir as leis que regulam o movimento das partículas com base na teoria eletromagnética. As partículas constituintes da matéria eram consideradas como porções concentradas de um campo eletromagnético.
Porém, foi impossível reduzir todos os fenômenos da Natureza apenas aos processos eletromagnéticos. A equação do movimento das partículas e a lei da interação gravitacional não podem deduzir-se da teoria do campo eletromagnético.
Além disto, foram descobertas as partículas eletricamente neutrais, assim como as interações de novos tipos. A Natureza revelou-se mais complexa do que os cientistas supunham antes: não há nenhuma lei geral do movimento nem força universal alguma que possam abranger a enorme diversidade dos processos a fenômenos no Universo.
Unidade da composição geral da matéria.
A diversidade do Universo é tão grande que todos os corpos, sem dúvida, não podem ser constituídos por partículas de uma só espécie. No entanto, a matéria de que são compostos astros, por mais surpreendente que isto seja, é a mesma que entra na constituição da Terra.
Os átomos de que constam todos os corpos do Universo são iguais. Os organismos vivos são constituídos pelos mesmos átomos que os mortos.
Todos os átomos têm a mesma estrutura a constam de partículas elementares de três espécies.
Os átomos possuem núcleos constituídos por prótons a nêutrons rodeados por elétrons.
A interação que se verifica entre os núcleos a os elétrons é realizada através do campo eletromagnético, cujos quantos são fótons.
A interação entre prótons a nêutrons no seio dos núcleos realiza-se geralmente através dos mésons pi, que constituem os quantos do campo nuclear. A desintegração dos nêutrons dá origem à formação de neutrinos. Além disto, foram descobertas muitas outras partículas elementares cuja interação só se reveste de importância considerável quando possuem energias extraordinariamente grandes.
Durante a primeira metade do século XX foi estabelecido o seguinte fato fundamental: todas as partículas elementares são susceptíveis de se transformarem reciprocamente umas nas outras.
Depois da descoberta das partículas elementares a das suas transmutações, tornou-se evidente o caráter universal da composição a da estrutura da matéria, assente na materialidade de todas as partículas elementares. As partículas elementares, por muito diferentes que sejam, não são mais do que diversas formas concretas de existência da matéria.
Panorama físico atual do Universo.
No entanto, a unidade do Universo não se limita ao caráter universal da estrutura da matéria, mas sim se manifesta também nas leis que regulam o movimento das partículas e a interação delas entre si. Apesar da surpreendente diversidade das interações dos corpos entre si, na Natureza, de acordo com os conhecimentos atuais, existem apenas quatro tipos de forças, a saber: forças gravitacionais, eletromagnéticas, nucleares a as chamadas interações facas. Estas últimas manifestam-se somente durante as transmutações das partículas. Estes quatro tipos de forças podem observar-se tanto nos espaços ilimitados do Universo, como em quaisquer corpos a objetos na Terra (entre eles, nos organismos vivos), nos átomos a núcleos atômicos, e, mesmo, durante todas as transmutações das partículas elementares.
Este câmbio radical, revolucionário dos conceitos clássicos acerca do panorama físico do Universo foi possível depois da descoberta das propriedades quânticas da matéria. Após o aparecimento da Física Quântica, que descreve o movimento das partículas elementares, tornou-se possível o esclarecimento de novos aspectos e elementos do panorama físico universal do Universo.
A divisão da matéria em substância, com uma estrutura descontínua, e em campo contínuo, perdeu hoje o seu sentido absoluto. A cada campo dado correspondem os respectivos quantos: os fótons, quando se trata do campo eletromagnético, os mésons no caso do campo nuclear, a assim sucessivamente. Todas as partículas, por sua vez, possuem propriedades ondulatórias. O dualismo onda-partícula é próprio de todas as formas da matéria. O esclarecimento das propriedades corpusculares a ondulatórias, aparentemente incompatíveis, por intermédio de uma teoria universal, foi possível devido ao fato de que as leis do movimento de todas as micropartículas, sem exceção, têm caráter estatístico (provável). Isto torna impossível o prognóstico inequívoco do comportamento dos objetos microscópicos.
Os princípios da Teoria Quântica são absolutamente universais, podendo aplicar-los tanto para a descrição do movimento de todas as partículas e a interação delas entre si, como para a análise das suas transmutações. Pois bem, a Física moderna põe em evidência a unidade universal da Natureza. No entanto, são muitos os problemas, incluindo própria essência física da unidade universal do Universo, que não estão ainda definitivamente esclarecidos. Não sabemos por que é que as partículas elementares são tão numerosas, nem por que razão possuem massas e cargas diferentes e uma série de outras características específicas. Até hoje, todas estas grandezas foram avaliadas experimentalmente. Contudo, torna-se cada vez mais clara a relação entre diversos tipos de interações. As interações eletromagnéticas a as fracas são abrangidas já dentro dos limites de uma teoria comum. Os físicos conhecem já a estrutura da maior parte das partículas elementares. Torna-se evidente que a Física das partículas elementares está em vésperas de realizar descobertas grandiosas.
“Aqui estão encobertos segredos tão grandes a pensamentos tão elevados que, apesar das tentativas de centenas de sábios dos mais perspicazes, que durante milênios trabalharam para desvendá-los, ainda não foram revelados, de forma que ainda é possível gozar o prazer e o regozijo proporcionado pelo trabalho criativo a pelas descobertas”. Estas palavras de Galileu Galilei, ditas há mais de três séculos, são ainda muito atuais.
Concepção científica do Universo.
As leis fundamentais estabelecidas pela Física, quanto ao seu caráter complexo e universal, vão muito para além dos fatos que dão origem ao estudo dos respectivos fenômenos. No entanto, as leis físicas são tão certas e objetivas como os nossos conhecimentos dos fenômenos simples observados a olho nu. Tais leis nunca podem ser violadas, seja em que circunstâncias for.
É cada vez maior o número de pessoas que se dão conta de que as leis objetivas da Natureza excluem milagres e o conhecimento perfeito destas leis aumenta o poder do homem sobre a Natureza.
Nos séculos passados a Humanidade depositou as suas melhores esperanças na crença no sobrenatural, em Deus. A religião contém idéias sobre o caráter limitado das possibilidades do homem, da existência da vontade divina que orienta os homens a um determinado objetivo hipotético. Não há dúvida que o progresso da ciência no domínio do esclarecimento da Natureza tem destruído a pouco a pouco esse sistema filosófico.
2. Física a Revolução Técnico-Científica
Presentemente assistimos a uma grandiosa revolução técnico-científica que começou aproximadamente há um meio de século. Esta revolução causou alterações profundas e qualitativas em numerosos domínios da ciência e técnica. A Astronomia, uma das ciências mais antigas, está a sofrer mudanças radicais, devidas às grandes realizações alcançadas pela Humanidade na conquista do espaço .
O aparecimento da Biologia Molecular a da Genética deu origem a uma revolução na Biologia, ao passo que a instituição da chamada grande Química tornou-se possível graças a mudanças radicais na ciência Química. Os processos análogos desenvolvem-se também na Geologia, Meteorologia, Oceanologia a muitos outros domínios da ciência moderna.
São profundas as modificações qualitativas que se verificam hoje em dia em todos os setores industriais. A revolução na produção de energia, por exemplo, devesse à passagem do emprego das centrais termelétricas, cujo funcionamento assenta na utilização de combustíveis de origem orgânica, para o uso das centrais elétricas atômicas.
Crescem as aplicações de materiais sintéticos com propriedades novas e muito valiosas. A mecanização e automatização complexas tornam inevitável uma revolução nos setores industrial a agrícola. Os transportes, a construção e as comunicações vão se transformando em setores realmente novos a eficazes da técnica moderna.
A revolução técnico-científica modificou radicalmente o papel que a ciência desempenha na vida da sociedade. A ciência constitui já uma força produtiva. De agora para o futuro, a produção dos bens materiais necessários para a Humanidade dependerá do progresso da ciência.
A revolução técnico-científica conduz necessariamente a Humanidade a uma grandiosa reorganização a ao aperfeiçoamento de todos os domínios da produção. A revolução técnico-científica, além disso, torna muito atual o problema da proteção do meio ambiente.
A Física é uma das ciências fundamentais. A Física influi consideravelmente sobre os mais variados ramos a setores da ciência, técnica a produção. Analisemos, então, alguns fatos elucidativos da importância que a Física tem para os outros domínios da ciência a técnica modernas.
No decurso de vários milênios toda a informação de que os astrônomos dispunham sobre os fenômenos astronômicos era-lhes dada pela luz visível. Pode-se dizer que os astrônomos observavam a estudavam esses fenômenos através de uma pequena fenda no amplo espetro das radiações eletromagnéticas. Há trinta anos, graças ao desenvolvimento da Radiofísica, surgiu a Radioastronomia que permitiu ampliar os nossos conhecimentos sobre o Universo. A radioastronomia revelou-nos a existência de muitos novos corpos cósmicos. A faixa da escala eletromagnética que corresponde à banda de ondas de rádio tornou-se uma fonte adicional de conhecimentos astronômicos.
É grande a quantidade de informação que nos trazem do espaço cósmico as outras espécies de radiações eletromagnéticas que, antes de atingirem a superfície terrestre, são absorvidas pela atmosfera da Terra. A ofensiva do Homem no espaço cósmico deu origem a novos domínios da astronomia: a astronomia ultravioleta, infravermelha, dos raios X, dos raios gama. Tornou-se muito grande a possibilidade de estudo dos raios cósmicos originais fora da atmosfera. No decurso do desenvolvimento da revolução técnico-científica os astrônomos obtiveram pela primeira vez a possibilidade de analisarem todas as espécies de partículas a radiações oriundas do espaço cósmico. A quantidade de informação científica obtida pelos astrônomos durante as últimas décadas é muito superior à obtida no decurso de toda a história do desenvolvimento da astronomia até hoje. Os métodos de investigação e a aparelhagem de registro utilizada pelos astrônomos são análogos aos que se empregam na Física; a astronomia antiga vai-se transformando em astrofísica, uma nova ciência que se desenvolve rapidamente.
Hoje em dia estão a ser lançados os fundamentos da chamada Astronomia dos Neutrinos, capaz de oferecer aos cientistas informação acerca dos processos que se verificam no seio dos corpos cósmicos, por exemplo, no interior do Sol. A criação da astronomia dos neutrinos tornou-se possível apenas devido aos êxitos alcançados pela Física dos núcleos atômicos a das partículas elementares.
A revolução técnico-científica na Biologia tem muito a ver com o aparecimento da biologia molecular a da genética, ciências biológicas que estudam os processos vitais ao nível molecular. Os meios a métodos fundamentais que se empregam na biologia molecular para identificar e analisar os objetos microscópicos em estudo (microscópios eletrônicos e protônicos, análise estrutural com raios X, análise neutrônica de átomos marcados, ultracentrífugas, etc.) são os mesmos que se usam na Física.
Os biólogos, sem esses aparelhos a métodos nascidos nos laboratórios de Física, não poderiam ter alcançado tão grandes realizações no estudo dos processos que se desenvolvem nos organismos vivos. Deste modo, a aplicação dos métodos de pesquisas próprios da Física teve grande importância para a instituição e o desenvolvimento da biologia molecular e a genética. A Física moderna também desempenha um papel importante na reforma revolucionária da química, geologia, Oceanologia a outras ciências naturais.
A Física deu origem também a modificações radicais em todos os domínios da técnica. As grandes realizações da Física serviram de base para a reconstrução da energética, comunicações, transportes, construção, setores industrial a agrícola.
A revolução na energética deve-se à fundação da energética atômica. Os recursos de energia contidos no combustível atômico são consideravelmente superiores aos de combustíveis de origem orgânica.
A hulha, o petróleo e o gás natural constituem, hoje em dia, matéria-prima exclusiva para a chamada grande química. Queimá-los em grandes quantidades significa causar dano irreparável a este setor industrial moderno de grande importância.
Portanto, torna-se indispensável o use do combustível atômico urânio, tório) para o fornecimento de energia, sendo estas as vantagens fundamentais da energética atômica em relação aos outros ramos da energética.
As centrais elétricas termonucleares vão resolver, no futuro, todos os problemas que afetam a Humanidade no domínio da energética. Como já foi salientado, os fundamentos científicos da energética atômica e termonuclear assentam totalmente nas realizações alcançadas pela Física dos núcleos atômicos.
A técnica do futuro deixará de utilizar os materiais naturais para passar a usar materiais sintéticos com as propriedades desejadas que garanta trabalho seguro a longa duração. Na obtenção de tais materiais desempenharão um papel cada vez mais importante os métodos físicos de modificação da matéria (feixes de elétrons, íons a de laser; campos magnéticos de intensidades extraordinariamente grandes; pressões e temperaturas elevadíssimas; ultra-som, etc.). Os métodos físicos de modificação da matéria tornaram possível a obtenção de materiais com características limites e a criação de novos métodos de trabalho das substâncias, modificando radicalmente a tecnologia da produção moderna.
O setor industrial e a agricultura vão-se transformando em sistemas de produção complexa a automatizada. A automatização complexa assenta no emprego da aparelhagem eletrônica de controlo a medição indispensável.
Os fundamentos científicos dessa aparelhagem e a sua realização prática estão organicamente ligadas à radioeletrônica, a Física dos sólidos, a Física do núcleo atômico e a outros domínios da Física Moderna.
A Física Moderna tem importância radical para o desenvolvimento dos computadores. Todas as séries de computadores (tanto assentes no emprego de válvulas eletrônicas, como as que usam semicondutores a circuitos integrados) existentes até hoje nasceram em laboratórios de física.
A Física Moderna permite o desenvolvimento conseqüente da miniaturização, alcançar uma grande rapidez e o trabalho seguro dos computadores eletrônicos. O use dos lasers a da holografia permitirá aperfeiçoar ainda mais os computadores.
Não podemos citar aqui todos os aspetos da influência revolucionária que tem a física moderna no desenvolvimento de diversos domínios das ciências a técnicas. No entanto, os exemplos citados são suficientes para nos certificarmos da enorme contribuição da Física Moderna para a realização da revolução técnico-científica.
