História do Físico: Arquimedes ao Bóson de Higgs

A física é incomum entre as disciplinas acadêmicas pela antiguidade de sua história registrada e pela forma como seus resultados mais antigos ainda são usados diretamente: hoje, um estudante de engenharia aprende o princípio da flutuabilidade de Arquimedes essencialmente inalterado em relação à forma como ele o declarou no século III aC, mais de dois mil anos antes de alguém usar a palavra “físico”.

A história percorre a insistência da Idade de Ouro Islâmica na experimentação controlada, o casamento da matemática e da observação na Revolução Científica, a unificação da electricidade, do magnetismo e da luz no século XIX, e um século XX que desmantelou duas vezes o universo mecânico de Newton - primeiro com a relatividade, depois com a mecânica quântica - antes de transformar a própria física num empreendimento colaborativo à escala estatal.

Where it began

c. 250 a.C.Siracusa, Sicília

Arquimedes elabora o princípio da flutuabilidade - que um corpo flutuante ou submerso desloca um peso de fluido igual à força que o empurra para cima - e a matemática das alavancas e máquinas simples, supostamente testando a pureza do ouro da coroa do rei Hierão II, medindo a quantidade de água que ela deslocou. Seu método, usando a matemática para derivar regras precisas e testáveis sobre objetos físicos, é o exemplo mais antigo do que mais tarde seria chamado de física.

Timeline

c. 250 a.C.Arquimedes formula o princípio da flutuabilidade

Arquimedes descobre que um corpo desloca seu próprio volume de fluido, supostamente para testar se a coroa do rei Hierão II era de ouro puro, e deriva a matemática de alavancas e máquinas simples em Siracusa.

1021Ibn al-Haytham completa o Livro da Óptica

Trabalhando no Cairo, Ibn al-Haytham termina o Kitab al-Manazir de sete volumes, usando experimentos controlados para mostrar que a visão funciona pela luz que entra no olho, e não pelo olho que emite raios, um texto fundamental para o método experimental.

1609Galileu vira um telescópio para o céu

Galileu constrói o seu próprio telescópio em Pádua, observa as montanhas da Lua e, em poucos meses, quatro luas orbitando Júpiter – prova de que nem tudo no céu circunda a Terra.

1687Newton publica os Principia

O Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Isaac Newton estabelece as leis do movimento e da gravitação universal, unificando a física da queda de maçãs e da órbita dos planetas sob uma estrutura matemática.

1831Faraday descobre a indução eletromagnética

Michael Faraday mostra que um campo magnético variável induz uma corrente elétrica, o princípio por trás de todos os geradores, transformadores e motores elétricos construídos desde então.

1865Maxwell unifica eletricidade, magnetismo e luz

James Clerk Maxwell publica equações mostrando que a eletricidade e o magnetismo são duas faces de um mesmo campo, e que a própria luz é uma onda eletromagnética que viaja a uma velocidade previsível.

1900Planck apresenta o quantum

Max Planck mostra que a radiação de um objeto quente só corresponde à observação se a energia for emitida em pacotes discretos, ou quanta – uma suposição que ele trata como um truque matemático que acaba por descrever algo real.

1905O ano milagroso de Einstein

Trabalhando como funcionário de patentes em Berna, Albert Einstein publica quatro artigos num único ano sobre a relatividade especial, o efeito fotoelétrico e o movimento browniano, remodelando os conceitos básicos da física de espaço, tempo, massa e luz.

1942Fermi alcança a primeira reação em cadeia controlada

A equipe de Enrico Fermi dá início ao Chicago Pile-1, a primeira reação em cadeia nuclear autossustentável criada pelo homem, construída sob um estádio de futebol da Universidade de Chicago - no momento em que a física deixa de ser uma disciplina de pequenos grupos e se torna uma 'Grande Ciência' em escala estatal.

2012O bóson de Higgs é descoberto no CERN

Duas colaborações internacionais de cerca de 3.000 físicos cada, ATLAS e CMS, anunciam a descoberta do bóson de Higgs no Large Hadron Collider, confirmando a última peça não confirmada do Modelo Padrão quase 50 anos depois de ter sido previsto.

The eras

Representação de Ibn al-Haytham, o estudioso medieval pioneiro da óptica experimental — Adolph Boÿ, engraved by Jeremias Falck. Used as the frontispiece to Johannes Hevelius, Selenographia, 1647 · Public domain · Wikimedia Commons

c. 250 AC – 1543

Filosofia natural antes do método científico

De Arquimedes a Ibn al-Haytham, os investigadores do mundo físico trabalharam como parte de uma tradição mais ampla de filosofia natural, misturada com teologia, matemática e medicina, e sem uma identidade profissional separada. A insistência de Ibn al-Haytham em experiências controladas e repetíveis no seu Livro de Óptica (1021) é frequentemente considerada a declaração inicial mais clara do que se tornou o método científico, séculos antes da Revolução Científica da Europa.

Retrato de Galileu Galilei — Justus Sustermans · Public domain · Wikimedia Commons

1543–1687

A Revolução Científica

O modelo heliocêntrico de Copérnico de 1543, as observações telescópicas de Galileu e seu julgamento pela Inquisição em 1633, e as leis do movimento planetário de Kepler, juntas, quebraram a autoridade da física antiga e sancionada pela Igreja. Os Principia de Newton de 1687 forneceram então a síntese matemática — leis do movimento e da gravitação universal — para a qual o resto das evidências da época apontavam.

Retrato de James Clerk Maxwell — Unknown author Unknown author · Public domain · Wikimedia Commons

1687–1900

A física clássica amadurece

A mecânica newtoniana estendeu-se à termodinâmica, à mecânica estatística e, através dos experimentos de Faraday e das equações de Maxwell, uma teoria completa do eletromagnetismo que previa que a própria luz era uma onda eletromagnética. A palavra “físico” foi cunhada apenas em 1840, pelo polímata inglês William Whewell, quando as universidades começaram a criar cátedras e periódicos dedicados a uma disciplina que havia superado o antigo rótulo de filosofia natural.

Fotografia de grupo de físicos na Conferência Solvay de 1927 — Benjamin Couprie · Public domain · Wikimedia Commons

1900–1945

A revolução quântica e da relatividade

A hipótese quântica de Planck, a relatividade de Einstein e a mecânica quântica desenvolvida por Bohr, Heisenberg e Schrodinger derrubaram o universo determinístico de Newton duas vezes em três décadas, debates capturados de forma mais famosa em fotografias da Conferência Solvay de 1927. A era terminou com a física mobilizada para a guerra: o Projecto Manhattan transformou a física nuclear teórica num programa de armas à escala industrial.

Interior de um túnel do Grande Colisor de Hádrons no CERN — Arpad Horvath · CC BY-SA 2.5 · Wikimedia Commons

1945 – presente

A era da grande ciência

A física do pós-guerra passou de laboratórios individuais para megainstalações financiadas pelo Estado: o CERN, fundado em 1954 por doze estados europeus, gere agora o Grande Colisor de Hádrons, cuja descoberta do bóson de Higgs em 2012 exigiu a colaboração de cerca de 3.000 físicos cada. Telescópios espaciais, detectores de ondas gravitacionais e artigos de milhares de autores fizeram da colaboração em grandes equipes, e não do gênio individual, o modelo de trabalho dominante na área.

What this job replaced

Neighbouring trades that no longer exist — absorbed, automated or regulated away.

Filósofo natural

até 1840

Antes da palavra “físico” ser cunhada por William Whewell em 1840, as pessoas que investigavam o mundo físico chamavam-se filósofos naturais, um título que abrangia a química, a biologia e o que mais tarde se separaria como física sob um amplo guarda-chuva. À medida que as universidades criaram cátedras e periódicos dedicados à física ao longo do século XIX, o título mais antigo e mais amplo caiu em desuso.

Computador humano

1900-1950

Antes dos computadores eletrónicos, os grupos de investigação em física – incluindo o Projeto Manhattan em Los Alamos – empregavam salas cheias de pessoas, na sua maioria mulheres, para realizar os cálculos numéricos repetitivos que uma teoria precisava de ser verificada manualmente ou com calculadoras mecânicas. Computadores eletrônicos como o ENIAC (1945) e seus sucessores assumiram esse trabalho durante a década de 1950, e o título do cargo desapareceu.

Demonstrador elétrico itinerante

Décadas de 1740 a 1850

Antes da física se estabelecer nas universidades, os showmen viajavam pela Europa e pela América apresentando electricidade e magnetismo como espectáculo público – carregando jarros de Leyden, voluntários “electrificantes” retirados do público – em parte entretenimento, em parte educação científica popular. À medida que a disciplina se profissionalizou em laboratórios e cursos teóricos, o demonstrador itinerante desapareceu em grande parte.

Trades that vanished →

Quase todos os saltos nesta história seguem o mesmo padrão: uma anomalia que a teoria existente não consegue explicar – uma coroa que pode não ser ouro puro, a luz das estrelas curvando-se perto do Sol, um núcleo que não para de se dividir – força uma nova estrutura matemática, que é então testada contra a natureza até sobreviver ou quebrar.

A mudança de Newton trabalhando em grande parte sozinho para um artigo sobre o bóson de Higgs com cerca de três mil coautores é a mudança recente mais importante no campo, e levanta uma questão à qual o resto deste perfil continua voltando: o que significa o crédito científico individual numa época em que nenhuma pessoa pode alegar plausivelmente ter feito a descoberta sozinha?

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