Física Moderna é a denominação dada ao conjunto de teorias surgidas no começo do século XX, principiando com a Mecânica Quântica e a Teoria da Relatividade e as alterações no entendimento científico daí decorrente, bem como todas as teorias posteriores. De fato, destas duas teorias resultaram drásticas alterações no entendimento das noções do espaço, tempo, medida, causalidade, simultaneidade , trajetória e localidade.


Albert Einstein
A mecânica quântica surgiu inicialmente dos trabalhos de Max Planck e de Einstein. Um dos mais importantes problemas de física não resolvidos no final do séc. XIX, era o da radiação do corpo negro. Planck resolve este problema em 1901 utilizando como hipótese ad hoc que a energia deste não tem um espectro contínuo, mas pelo contrário é discreta, ou em outras palavras quantizada. Einstein utiliza esta mesma hipótese para resolver o problema do efeito fotoeléctrico em 1905. Mas vai mais longe propondo que esta é na realidade a verdadeira natureza da luz. A essa quantidade discreta de luz se chama quantum de luz ou fóton.
Nasce assim a Mecânica Quântica que será posteriormente desenvolvida pelo trabalho de muitos outros cientistas como Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Einstein, Louis de Broglie, Max Born, Wolfgang Pauli ou Paul Dirac, citando apenas os mais importantes.
A hipótese de que a energia é quantizada permite então resolver muitos dos problemas pendentes da Física do ínicio do séc. XX. Einstein utiliza-a para explicar o calor específico dos sólidos e Niels Bohr para explicar a estabilidade do átomo. O primeiro modelo atómico, chamado modelo de Bohr, é posteriormente melhorado por Sommerfeld e outros cientistas acima referidos dando origem à moderna teoria quântica, com uma formalização em moldes mais rigorosos. Tal desenvolvimento também se deu pelos esforços do matemático John von Neumann.
Dentre esses desenvolvimentos, a teoria quântica abandonou parcialmente a noção de trajetória e da localidade, em função do princípio da incerteza de Heisenberg. Assim tem-se a noção da trajetória, de natureza determinista, substituída pela noção de função de onda, de natureza probabilística. Essa interpretação da função de onda, como medida da potencialidade de localização de uma partícula, foi dada pela análise e correta interpretação de Max Born.
Bohr contribui decisivamente também para esse desenvolvimento ulterior da mecânica quântica. Ele e seus seguidores (incluindo Heisenberg) ajudaram a formar a chamada Interpretação de Copenhaga. Nessa interpretação, dá-se a explicação quântica da medida. Uma medida realizada sobre um sistema quântico resulta da interação de um aparelho de medida clássico com um sistema quântico. Como a medida resulta numa certeza sobre um valor de uma grandeza (observável), ao passo que a função de onda representa uma função de probabilidades em termos da posição, significa dizer que o ato de medir implica um colapso da função de onda.
Também em 1905, Einstein publica a teoria da relatividade restrita, nesta a idéia clássica que se tinha da simultaniedade foi abandonada, em decorrência da finitude da velocidade de transmissão das interações electromagnéticas, que resulta da teoria clássica do electromagnetismo de Maxwell. A simultaniedade passa a depender do referencial que se está adotando para se analisar uma dada situação física. É assim, a invariância da velocidade da luz (que corresponde precisamente à velocidade de transmissão das interações) implica que as noções de espaço e tempo se mesclam em um novo conceito, o espaço-tempo. Para a teoria da relatividade restrita contribuiram decisavemente também Henri Poincaré, Hendrik Lorentz e Hermann Minkowski. Assim se encerra de modo consistente a teoria da electrodinâmica clássica. Posteriormente, em 1915, Einstein leva mais longe os conceitos da teoria da relatividade ao generalizar o conceito de finitude da velocidade de transmissão das interações à interação gravitacional. Do desenvolvimento desta ideia resulta a moderna teoria da gravitação, conhecida por teoria da relatividade geral.
É Dirac quem posteriormente formaliza a teoria da Electrodinâmica Quântica que une de modo consistente a teoria quântica e a electrodinâmica clássica, baseando-se em trabalho anterior de Oskar Klein, Walter Gordon e Vladimir Fock. As tentivas de lhes juntar também a teoria da relatividade geral foram até hoje infrutíferas, sendo este um dos maiores problemas em aberto da física moderna.

Física Nuclear



Para extrair um elétron de um átomo, é necessário uma certa quantidade de energia. Da mesma forma, cada núcleo (próton ou nêutron) necessita também de grande quantidade de energia, que é da ordem de milhões de vezes. Por esse motivo, a física nuclear é denominada "física de alta energia".


Fissão Nuclear
A divisão do núcleo do átomo, que é responsável pela liberação de grande quantidade de energia térmica, trata-se da chamada reação de fissão nuclear. Tal reação é obtida através do bombardeamento do núcleo de um átomo por um nêutron. Isto causa grande instabilidade no núcleo do átomo, acarretando em sua divisão. A grande energia que mantinha a própria integridade do núcleo atômico é liberada em forma de energia térmica. Com a divisão do núcleo, dois nêutrons adicionais são produzidos e arremessados em direção a outros átomos, bombardeando seus núcleos e podendo gerar reações sucessivas, em cadeia contínua.

Enrico Fermi, em 1934, bombardeando núcleos com nêutrons de velocidade moderada, observou que os núcleos bombardeados capturavam os nêutrons. Pouco tempo depois, após o bombardeamento de urânio com nêutrons moderados, a equipe do cientista alemão Otto Hahn constatou a presença de átomos de bário, vindo a concluir que, após o bombardeio, núcleos instáveis de urânio, partiam-se praticamente ao meio.

Como os nêutrons não possuem carga elétrica, não sofrem desvio de sua trajetória, devido ao campo eletromagnético do átomo. Estando muito acelerado, atravessariam completamente o átomo; estando a uma velocidade muito lenta, seriam rebatidos; mas com velocidade moderada, ficam retidos, e o novo núcleo formado, instável, sofre desintegração posterior com emissão de partículas beta. Somente alguns átomos são capazes de sofrer fissão, entre eles o urânio-235 e o plutônio.

A enorme quantidade de energia produzida numa fissão nuclear provém da transformação da matéria em energia. Na fissão nuclear há uma significativa perda de massa, isto é, a massa dos produtos é menor que a massa dos reagentes. Tal possibilidade está expressa na famosa equação de Einstein: E=mc2(ao quadrado), onde E é a energia, m a massa e c a velocidade da luz no vácuo. No processo de fissão, cerca de 87,5% da energia liberada aparece na forma de energia cinética dos produtos da fissão e cerca de 12,5% como energia eletromagnética.



Fusão Nuclear
A fusão nuclear consiste na produção de energia realizada através da reunião de núcleos de átomos, processo este que gera a formação de átomos maiores. Quando o deutério e o trítio (dois isótopos do hidrogênio) colidem entre si, ocorre a fusão nuclear. A nova combinação formada entre estes isótopos produz energia através da liberação de um nêutron. Também é produzido um átomo de hélio maior que os átomos comuns que formam este elemento. As reações de fusão constituem a fonte de energia das maiores usinas do universo: as estrelas. Embora uma estrela seja inicialmente apenas uma nuvem de hidrogênio, a contração, causada pela sua própria atração gravitacional, aumenta sua pressão, densidade e temperatura. Os choques entre os átomos aumentam em número e violência, até que eles passem a liberar seus elétrons. A massa de núcleos e elétrons assim produzida é conhecida como plasma. Este é o quarto estado da matéria, sendo os outros três o sólido, o líquido e o gasoso. É no plasma que se realizam as reações de fusão.

A Teoria das cordas

(ou teoria das supercordas) é um modelo físico cujos blocos fundamentais são objetos extensos unidimensionais, semelhantes a uma corda, e não por pontos sem dimensão (partículas) que eram a base da física tradicional. Por essa razão, as teorias baseadas na teoria das cordas podem evitar os problemas associados à presença de partículas pontuais (entenda-se de dimensão zero) em uma teoria física tradicional, como uma densidade infinita de energia associada à utilização de pontos matemáticos. O estudo da teoria de cordas tem revelado a necessidade de outros objetos não propriamente cordas, incluindo pontos, membranas, e outros objetos de dimensões mais altas.
O interesse na teoria das cordas é dirigido pela grande esperança de que ela possa vir a ser uma teoria de tudo. Ela é uma possível solução do problema da gravitação quântica e, adicionalmente à gravitação, talvez poderá naturalmente descrever as interações similares ao eletromagnetismo e outras forças da natureza. As teorias das supercordas incluem os férmions, os blocos de construção da matéria. Não se sabe ainda se a teoria das cordas é capaz de descrever o universo como a precisa coleção de forças e matéria que nós observamos, nem quanta liberdade para escolha destes detalhes a teoria irá permitir. Nenhuma teoria das cordas fez alguma nova predição que possa ser experimentalmente testada.
Trabalhos na teoria das cordas têm levado a avanços na matemática, principalmente em geometria algébrica. A teoria das Cordas tem também levado a novas descobertas na teoria da supersimetria que poderão ser testadas experimentalmente pelo Grande Colisor de Hádrons. Os novos princípios matemáticos utilizados nesta teoria permitem aos físicos afirmar que o nosso universo possui 11 dimensões: 3 espaciais (altura, largura e comprimento), 1 temporal (tempo) e 7 dimensões recurvadas (sendo a estas atribuídas outras propriedades como massa e carga elétrica, por exemplo), o que explicaria as características das forças fundamentais da natureza.
O estudo da chamada teoria das cordas foi iniciado na década de 60 e teve a participação de vários físicos para sua elaboração. Essa teoria propõe unificar toda a física e unir a Teoria da relatividade e a Teoria Quântica numa única estrutura matemática. Embora não esteja totalmente consolidada, a teoria mostra sinais promissores de sua plausibilidade.
Problemas

A teoria das cordas permanece não verificada. Nenhuma versão da teoria das cordas fez ainda uma predição diferente de alguma feita por outras teorias; ao menos, nenhuma que pudesse ser verificada por um experimento atualmente realizável. Neste sentido, a teoria das cordas está em "estado larval": ela possui muitos aspectos de interesse matemático, e isto ainda deve se tornar de suprema importância para nossa compreensão do universo, mas isto ainda vai requerer mais desenvolvimentos para ser aceito ou negado. Uma vez que a teoria das cordas não possa ser testada em um futuro próximo, alguns cientistas têm se perguntado se ela merece mesmo ser chamada de uma teoria científica: ela não é ainda um teoria rejeitável ou falseável no sentido dado por Popper.
Isto não significa que ela seja a única teoria corrente que começou a ser desenvolvida que oferece estas dificuldades. Muitos novos desenvolvimentos podem passar através de um estágio de incerteza antes de se tornarem conclusivamente aceitos ou rejeitados. Como assinalado por Richard Feynman em The Character of Physical Law, o teste chave da teoria científica é se suas conseqüências concordam com as medições que obtivemos do experimento. Isto significa que não importa quem inventou a teoria, "qual é o seu nome", ou mesmo qual apelo estético a teoria venha ter. "Se ela não está de acordo como os experimentos, ela está errada." (Certamente, haveria outras possibilidades: alguma coisa pode estar errada com os experimentos, ou talvez tenha se cometido um erro ao prever as conseqüências da teoria. Todas estas possibilidades devem ser verificadas, o que pode tomar um tempo considerável). Estes desenvolvimentos podem se dar na teoria em si, tais como novos métodos de realizar os cálculos e produzir previsões, ou devem ocorrer nos experimentos em si, que passam a exibir quantidades antes imensuráveis.
A humanidade não tem atualmente tecnologia para observar as cordas (que se acredita terem aproximadamente o Comprimento de Planck, em torno de 10−35 m). Em algum momento poderemos ser capazes de observar as cordas de uma forma significativa, ou ao menos obter uma percepção mais substancial pela observação de fenômenos cosmológicos que elucidem a física das cordas.
No início dos anos 2000, teóricos da teoria das cordas retomaram seu interesse em um velho conceito, a corda cósmica. Originalmente discutida nos anos 1980, cordas cósmicas são objetos diferentes em relação às entidades da teoria das supercordas. Por vários anos, cordas cósmicas eram um modelo popular para explicar vários fenômenos cosmológicos, tais como o caminho que foi seguido para a formação das galáxias no início do universo. Apesar disso, novos experimentos — em particular medições detalhadas da radiação cósmica de fundo — falharam em apoiar as predições do modelo da corda cósmica e ela saiu de moda. Se tais objetos existiram, eles devem ser raros e bem esparsos. Vários anos mais tarde, foi apontado que a expansão do universo poderia ter esticado a corda fundamental (do mesmo tipo considerado pela teoria das supercordas) até que ela atingisse o tamanho intergaláctico. Tal corda esticada pode exibir muitas propriedades da variação da velha corda "cósmica", tornando os velhos cálculos úteis novamente. Além disto, as teorias modernas das supercordas oferecem outros objetos que poderiam ter uma razoável semelhança com cordas cósmicas, tais como D-branas unidimensionais altamente alongadas (conhecidas como "D-cordas"). Como o teórico Tom Kibble comenta, "cosmologistas da teoria das cordas têm descoberto cordas cósmicas observando em todos os lugares escondidos". Velhas propostas para detecção de cordas cósmicas podem agora ser usadas para investigar a teoria das supercordas. Por exemplo, astrônomos têm também detectado uns poucos casos do que podem ser lentes gravitacionais induzidas por cordas.
Super-cordas, D-cordas ou outros tipos de corda esticadas na escala intergaláctica devem irradiar ondas gravitacionais, que podem ser presumivelmente detectadas usando experimentos como o LIGO. Elas também devem causar ligeiras irregularidades na radiação de microondas de fundo, muito sutis para terem sido detectadas ainda, mas na esfera das possíveis observações no futuro.
Embora intrigantes, estes propósitos cosmológicos falham em um sentido: testar uma teoria requer que o teste seja capaz de derrubar (ou provar falsa) uma teoria. Por exemplo, se a observação do Sol durante um eclipse não tivesse mostrado que a gravidade é capaz de desviar a luz, teria sido provado que a teoria da relatividade geral de Einstein era falsa (eliminando, é claro, a chance de erro experimental). Não encontrar cordas cósmicas não demonstraria que a teoria das cordas é fundamentalmente errada — meramente que a ideia particular de uma corda altamente esticada atuando "cosmicamente" é um erro. Enquanto muitas medições podem, em princípio, ser feitas para sugerir que a teoria das cordas está no caminho certo, os cientistas ainda não divisaram um "teste" confiável.
Em um nível mais matemático, outro problema é que, como a teoria quântica de campos, muito da teoria das cordas é ainda somente formulado através da técnica da perturbação (isto é, como uma série de aproximações ao invés de uma solução exata). Embora técnicas não-perturbativas tenham tido um progresso considerável — incluindo definições de conjecturas completas envolvendo tempo-espaço satisfazendo princípios assintóticos — a definição de uma teoria não-perturbativa completa é uma lacuna a ser preenchida.

As quatro forças fundamentais do universo


O Universo é governado por quatro forças fundamentais: a gravitacional, a electromagnética, a nuclear fraca e a nuclear forte. De todas as forças a gravitacional é a menos intensa sendo 1040 vezes mais fraca que a nuclear forte. No entanto, o seu alcance é infinito. Ela só é considerada importante quando se fala de massas enormes como planetas, estrelas, etc.
A força electromagnética também tem um alcance infinito mas ao contrário da gravitacional , a força electromagnética é muito mais intensa sendo um centésimo mais fraca que a nuclear forte.
A força nuclear fraca e a nuclear forte possuem um alcance muito pequeno que só se verifica a nível atómico. A nuclear fraca é mais fraca que a nuclear forte e que a electromagnética, a nuclear forte, como o nome indica é a mais intensa de todas as forças sendo ela termo de comparação com as outras.
Forças
Intensidade
Alcance
Gravitacional
10-40
Infinito
Electromagnética
10-2
Infinito
Nuclear fraca
10-5
10-16m
Nuclear forte
1
10-15m


Cada uma dessas forças tem a sua partícula (bosão) correspondente: o Gluão corresponde à força forte; o fotão à electromagnética; os bosões W e Z para a força nuclear fraca e acredita-se que o gravitão seja o bosão responsável pela força gravitacional.
O modelo “Standard” da física das partículas, explica como são interligadas três das quatro forças fundamentais do universo mas não consegue integrar a força gravitacional; integra a força electromagnética, a nuclear fraca e forte e explica como interagem nas partículas da matéria. Mas apesar da força gravitacional ser a força com que estamos mais familiarizados, ela não tem lugar neste modelo. A teoria quântica descreve o mundo microscópico; a teoria da relatividade geral descreve o mundo macroscópico; as duas não conseguem entender-se e até hoje, ninguém conseguiu conjuga-las matematicamente no modelo “Standard”. Podemos apesar de tudo referir que como a gravidade não tem grande influencia no mundo microscópico a física quântica integrou perfeitamente o modelo “Standard” embora este exclua uma das quatro forças fundamentais.
Existe ainda um modelo chamado “Superforça” em que foi provado que a elevadas temperaturas a força electromagnética e a força nuclear fraca se juntavam criando um força mais intensa. Os físicos de hoje acreditam que se aumentarmos a temperatura para valores elevadíssimos a nuclear forte se juntaria às outra e se aumentarmos ainda mais até a força gravítica se juntaria criando assim uma superforça ( quando os cientistas dizem juntar querem dizer impossível de discernir as quatro forças umas das outras) .Este modelo, ao contrario do modelo “Standard”, consegue incluir a força gravitacional

O universo é constituído de tudo o que percebemos existir físicamente, a totalidade do espaço e tempo e todas as formas de matéria e energia. O termo Universo pode ser usuado em sentidos contextuais ligeiramente diferentes, denotando conceitos como o cosmo, o mundo ou natureza.
A palavra Universo é geralmente definida como englobando tudo. Entretanto, usando uma definição alternativa, alguns cosmologistas tem especulado que o "Universo" composto do "espaço em expansão como o conhecemos", é somente um dos muitos "universos" desconectados, que são chamados multiverso[1] Por exemplo, em Interpretação de muitos mundos, novos "universos" são gerados a cada medição quântica[carece de fontes]. Acredita-se que esses universos são geralmente desconectados do nosso, portanto, impossível de ser detectados experimentalmente[quem?]. Observações de partes antigas do universo (que situam-se muito afastadas) sugerem que o Universo vem sendo regido pelas mesmas leis físicas e constantes durante a maior parte de sua exxtensão e história. No entenato, na teoria da bolha, pode haver uma infinidade de "universos" criado de várias maneiras, e talvez cada um com diferentes constantes físicas.
Ao longo da história, varias cosmologias e cosmogonias têm sido propostas para explicar as observações do Universo. O primeiro modelo geocentrico quantitativo foi desenvolvido pelos gregos antigos, que propunham que o Universo possui espaço infinito e tem existido eternamente, mas contém um único conjunto de círculos concêntricos esferas de tamanho finito - o que corresponde a estrelas fixas, o Sol e vários planetas – girando sobre uma esférica mas imóvel Terra. Ao longo dos séculos, observações mais precisas e melhores teorias levaram ao modelo heliocentrico de Copérnico e o modelo Newtoniano do Sistema Solar respectivamente. Outras descobertas na astronomia levaram a conclusão de que o Sistema Solar está contido em uma galáxia composta de milhões de estrelas, a Via Láctea, e outras galáxias existem fora dela, tão longe quanto os instrumentos astronômicos pode alcançar. Estudos cuidadosos sobre a distribuição dessas galáxias e suas raias espectrais contribuiram muito para a cosmologia moderna. O descobrimento do desvio para o vermelho e a radiação cósmica de fundo revelaram que o Universo continua se expandindo e aparentemente teve um princípio.


Esta imagem em alta-resolução do Hubble ultra deep field, mostra uma grande variedade de galáxias, cada uma composta de bilhões de estrelas. A pequenas galáxias avermelhadas, aproximadamente 100, são algumas das galáxias mais distantes fotografada por um telescópio óptico, existentes no momento logo após o Big Bang.
De acordo com o modelo cinetífico vigente do Universo, conhecido como Big Bang, o Universo se expandiu a partir de uma densa e extremamente quente fase chamada Era de Planck, onde toda matéria e energia do universo observável encontrava-se concentrada. A partir da Era Planck, o Universo vem se expandindo até sua atual forma, possívelmente com curtos períodos (menos que 10−32 segundos) de inflação cósmica. Diversas medições experimentais independentes apóiam teoricamente tal expansão e a teoria do big Bang. Observações recentes indicam que essa expansão tem-se acelerado por causa da energia escura e pelo fato de que a maioria da "matéria" está em uma forma que não pode ser detectada pelos instrumentos existentes e por isso não são contabilizadas nos modelos atuais do universo, que é chamada de matéria escura. As imprecisão das atuais observações tem dificultado as predições a cerca do destino do Universo.
Atuais interpretaçõe de observações atronomicas indicam que a idade do Universo é de 13,73 (± 0,12) bilhões de anos,[2] e seu diâmetro é de 93 bilhões de anos-luz ou 8,80 ×1026 metros. [3] De acordo com a teoria da relatividade geral, o espaço pode expandir-se tão rápido quanto a velocidaed da luz, embora possamos ver somente uma pequena fração do universo devido a limitação imposta pela velocidade da luz. É incerto se a dimensão do espaço é finita ou infinita.

Supernova é o nome dado aos corpos celestes surgidos após as explosões de estrelas (estimativa) com mais de 10 massas solares, que produzem objetos extremamente brilhantes, os quais declinam até se tornarem invisíveis, passadas algumas semanas ou meses. Em apenas alguns dias o seu brilho pode intensificar-se em 1 bilhão de vezes a partir de seu estado original, tornando a estrela tão brilhante quanto uma galáxia, mas, com o passar do tempo, sua temperatura e brilho diminuem até chegarem a um grau inferior aos primeiros.
Uma supernova possui todos os elementos da tabela periódica, consequentemente pode causar a extinção dos seres da Terra, mas também pode gerar vida.
A explosão de uma supernova pode expulsar para o espaço até 90% da matéria de uma estrela. O núcleo remanescente tem massa superior a 1,5 Massas solares, a Pressão de Degenerescência dos elétrons não é mais suficiente para manter o núcleo estável; então os elétrons colapsam com o núcleo, chocando-se com os prótons, originando nêutrons: o resultado é uma estrela composta de nêutrons, com aproximadamente 15 km de diametro e extremamente densa, conhecida como estrela de nêutrons ou Pulsar. Mas, quando a massa desse núcleo ultrapassa 3 massas solares, nem mesmo a Pressão de Degenerescência dos neutrons consegue manter o núcleo; então a estrela continua a se colapsar, dando origem a uma singularidade no espaço-tempo, conhecida como Buraco Negro, cuja Velocidade de Escape é um pouco maior do que a velocidade da luz.

Black hole ( Buracos negros )

Um buraco negro clássico é um objeto com campo gravitacional tão intenso que a velocidade de escape excede a velocidade da luz (299.792.458 m/s, equivalente a 1.079.252.848,8 km/h). Nem mesmo a luz pode escapar do seu interior, por isso o termo "negro" (cor aparente de um objeto que não emite nem reflete luz, tornando-o de fato invisível). A expressão "buraco negro", para designar tal fenômeno, foi cunhada pela primeira vez em 1968 pelo físico americano John Archibald Wheeler, em um artigo científico histórico chamado The Known and the Unknown, publicado no American Scholar e no American Scientist. O termo "buraco" não tem o sentido usual, mas traduz a propriedade de que os eventos em seu interior não são vistos por observadores externos.
Teoricamente, o "buraco negro" pode ter qualquer tamanho, de microscópico a astronômico (alguns com dias-luz de diâmetro, formados por fusões de vários outros), e com apenas três características: massa, momento angular (spin) e carga elétrica, ou seja, buracos negros com essas três grandezas iguais são indistinguíveis (diz-se por isso que "um buraco negro não tem cabelos"). Uma vez que, depois de formado, o seu tamanho tende para zero, isso implica que a "densidade tenda para infinito".