AS CIÊNCIAS NATURAIS Segundo o dicionário do Aurélio Buarque de Holanda Ferreira, CIÊNCIA é um conjunto organizado de conhecimentos relativos a um determinado objeto, especialmente os obtidos mediante Observação, a Experiência dos fatos e um Método próprio. As Ciências Naturais são aquelas que têm a natureza como campo de estudo. A natureza, por sua vez, parece a nós como um verdadeiro jogo de xadrez, cujas regras desconhecemos: a finalidade da ciência é descobrir estas regras. Para tanto, não basta a observação, mas a combinação de Observação, Raciocínio e Experiência. A combinação destas três operações é o que se chama Método científico. Começa-se pela observação, que pode ser muito extensa. Realizam-se experiências para repetir a observação e muitas vezes isolar, se necessário o fenômeno que se tem em mente. Em seguida, faz-se uma hipótese de trabalho para explicar o fenômeno observado. Finalmente, esta hipótese (raciocínio) sugere novas experiências cujos resultados vão confirmar ou não a hipótese feita; se ela se mostra adequada para explicar um grande número de fatos, irá aos poucos ganhando a estatura de uma “lei natural”. Fica claro então o papel da experiência em ciência; ela não é só a fonte dos fenômenos, mas também um guia para que descubramos quais são as leis da Natureza. Neste sentido a Matemática não é uma ciência natural que necessite recorrer a experiências; pode-se deduzir todos os teoremas a partir de uns poucos postulados, como é feito na geometria plana de Euclides. Para caracterizar o método axiomático, onde tudo é deduzido de um conjunto de axiomas, Bertrand Russel definiu a matemática como “A ciência onde nunca se sabe de que se está falando nem se o que se está dizendo é verdade”, pois a matemática não coloca a questão da “validade” desses axiomas no mundo real. Hilbert, ao axiomatizar a geometria, disse que nada deveria se alterar se as palavras “ponto, reta, plano” fossem substituídas por “mesa, cadeira, copo”. Conforme o conjunto de axiomas adotado, obtém-se a geometria euclidiana ou uma das geometrias não euclidianas, mas não tem sentido perguntar, do ponto de vista matemático, qual delas é “verdadeira”. Infelizmente, o mesmo não pode ser feito nas ciências naturais; ainda não conhecemos todas as suas leis ou postulados fundamentais. Poderíamos, é claro, postular algumas leis e tentar deduzir tudo o que ocorre, a partir delas; a medida, porém, do seu êxito ou fracasso é a comparação com a experiência; se elas são capazes de prever os fenômenos, são postulados aceitáveis; caso contrário devem ser alteradas. A experiência é o único juiz da verdade científica. Entretanto, como disse Poincaré, “embora a ciência se construa com dados experimentais, da mesma forma que uma casa se constrói com tijolos, uma coleção de dados experimentais ainda não é ciência, da mesma forma que uma coleção de tijolos não é uma casa”. O trabalho de muitas gerações demonstrou a existência de ordem e regularidade nos fenômenos naturais, ou seja, nas leis naturais. O estudo que ora iniciamos pode ser empreendido pelas mais diversas motivações, mas uma de suas maiores recompensas é uma melhor apreciação da simplicidade, beleza e harmonia dessas leis. É uma espécie de milagre; como disse Einstein:-”O que a Natureza tem de mais incompreensível é o fato de ser compreensível”. Costuma-se, na prática, dividir as ciências naturais em setores, pela impossibilidade de uma pessoa adquirir e desenvolver todo o conhecimento relativo à natureza devido a sua amplitude e complexidade. Os setores são a Biologia, a Química e a Física. Tratemos brevemente e em linhas gerais cada setor: I. BIOLOGIA:- É o setor que se preocupa com o estudo dos seres vivos (maiores informações a este respeito serão vistas nas disciplinas afetas a ela) II. QUÍMICA:- Sua especialidade é conhecer o grande número de substâncias que nos rodeiam, como também as novas substâncias preparadas por químicos, e que nunca existiram (maiores informações também serão vistas nas disciplinas afetas a ela). Prof. Bertolo III. Capítulo Zero FÍSICA – É o setor fundamental da ciência da natureza, onde se estudam sistematicamente as propriedades básicas, relacionadas às interações entre os objetos encontrados no Universo; desde os átomos (e seus constituintes) até os satélites, os planetas, as estrelas e as galáxias, passando em revista vários aspectos deste Universo como o tempo, o espaço, o movimento, a matéria, a eletricidade, a luz e a radiação, examinando nestes termos algumas características de cada fato que ocorre na natureza. Serve ainda de alicerce para outras ciências naturais como: a. ASTRONOMIA que é o setor que procura conhecer a Lua, os Planetas, as Estrelas e o Universo. b. ASTROFÍSICA – que é a Física do mundo astronômico. Difere da Astronomia porque esta se preocupa com as posições e identificações das Estrelas enquanto aquela (astrofísica) se preocupa com o que faz as estrelas brilharem. c. METEOROLOGIA é onde se procura explicar as causas do tempo em termos de física. d. GEOLOGIA que é uma espécie de “astronomia” pormenori- 2 zada do planeta que melhor conhecemos, nossa própria Terra. e. BIOFÍSICA é onde se estuda a Física dos seres vivos f. Etc. A divisão setorial das ciências naturais tem origem histórica e é difícil, às vezes, especificar claramente os limites entre elas. O progresso que as ciências naturais tiveram nos últimos 200 anos torna esta divisão artificial; por exemplo, há um ramo da Química em que se estudam métodos de “fazer seres vivos”, isto é, sintetizar a vida (objeto da Biologia) a partir de substâncias químicas inertes; por outro lado, o estudo dos átomos permite explicar as propriedades químicas das substâncias e a maneira pela qual se combinam. Vê-se aí uma parte da Biologia convertendo-se em Química e esta em Física. Não há, portanto, uma separação rígida entre estes setores. O que se pode dizer realmente é que as ciências naturais são muito amplas e que existem especialistas em alguns de seus aspectos. O campo de interesse desses especialistas delimita um certo setor da ciência natural e determina um nome à sua especialidade. Exemplo, um Bioquímico se preocupa com a química da vida, um Físico Nuclear se preocupa com o estudo do núcleo dos átomos, etc. Mas todas as ciências naturais têm uma coisa em comum: o seu corpo de ação é a natureza. A FÍSICA E SUAS APLICAÇÕES Além de servir de alicerce para várias outras ciências naturais, fundamentando as suas bases e com elas se entrelaçando e tornando impossível de se estabelecer os seus limites, a Física tem encontrado aplicações fantásticas numa infinidade de empreendimentos visando à melhoria de vida do Homem. A TECNOLOGIA – conjunto integral de recursos e equipamentos que o homem criou para melhorar sua situação neste planeta – está baseada na ciência. Todas as ciências contribuem para ela – e a Física por certo, muito freqüentemente. Quando os físicos aprendem a compreender e controlar um tipo particular de fenômeno, digamos as ondas de rádio, surge, então, um grupo de especialistas cujos trabalhos visam tornar proveitosa esta nova aquisição. A engenharia de rádio e a eletrônica surgiram, deste modo, como um ramo especial da Física, e são atualmente estudadas por um número maior de pessoas e com mais empenho total que a própria Física. Isto se repetiu várias vezes: para a eletricidade, para a aviação, para o movimento do ar e da água (chamados aerodinâmica e hidrodinâmica), para a energia nuclear (com utilização na produção de energia Prof. Bertolo Capítulo Zero elétrica, para citar uma aplicação apenas), para os lasers, para a super condutividade, etc. Este é o trajeto da Física. Ela dá origem a outras ciências aplicadas e tecnológicas, e estes retribuem, freqüentemente, dando à Física, novos materiais, novos instrumentos, e novas técnicas e idéias, sendo alguns instrumentos indispensáveis à Física, como os aparelhos eletrônicos. Na Medicina a Física ocupa hoje um lugar de destaque, tornando-se até uma de suas especializações – a Física Médica – onde se estudam as aplicações da Física às funções do corpo humano na saúde e na doença (física da fisiologia) e também as suas aplicações na prática da medicina, tais como no uso do estetoscópio no batimento cardíaco, nas aplicações de ultra-som, de lasers, de radiação, etc. Hoje a primeira coisa que um médico faz após tomar a história do paciente é dar a ele um exame físico, onde ele usa o estetoscópio, pancadinhas no peito, mede a razão de pulsação, mede a temperatura, ou seja, aplica a Física. No diagnóstico, e às vezes no tratamento de doenças e lesões, lança mão de massagens, exercícios, manipulação, calor e água. Chamamos de Terapia Física a este tipo de tratamento, conduzindo, às vezes, a melhores resultados do que com drogas. Isto talvez explica a razão das palavras Físico (Physicist) e Médico (Physician) terem, em inglês, a mesma raiz na palavra grega Physiké. Embora no passado os físicos iam aos hospitais apenas par cuidarem de suas saúdes, ou então, visitar algum paciente conhecido, hoje em dia em países desenvolvidos como o Reino Unido, por exemplo, tinha em 1974, no Departamento de Físicos e Engenheiros Clínicos do Leste Europeu, mantido pelo governo, mais de 150 membros no seu “staff”profissional servindo a hospitais na área. Vale ressalvar que a palavra médico, é trocada por clínico sempre que o trabalho for estreitamente relacionado com problemas de pacientes em hospital. 3 Em princípio poder-se-ía pensar que o campo da biofísica incluiria a física médica como importante sub-especialidade, mas a biofísica é um ramo bem definido que tem muito pouco haver com a medicina. Ela está principalmente envolvida com a física das grandes biomoléculas, viroses, etc. O biofísico conduz pesquisas básicas que devem aperfeiçoar a prática da medicina nas próximas gerações, enquanto o físico médico emprega na pesquisa o que ele espera que vá aperfeiçoar a prática da medicina na geração atual. Muito freqüentemente um campo aplicado da física é chamado engenharia. Assim, física médica poderia ser chamada de Engenharia Médica. Entretanto, para propósitos práticos se você encontra um indivíduo que se refere como um físico médico é altamente provável que ele está trabalhando na área de física radiológica; uma pessoa que se refere como engenheiro médico ou engenheiro biomédico está comumente trabalhando com instrumentação médica, usualmente de natureza eletrônica. Além disso, o físico médico usualmente tem um grau de bacharel em física, enquanto um engenheiro médico usualmente tem um grau de bacharel em algum campo da engenharia – usualmente engenharia elétrica. Em algumas áreas tais como aplicações de ultra-som na medicina e o uso de computadores na medicina, você comumente encontrará físicos médicos e engenheiros médicos em número aproximadamente iguais. Embora os termos engenheiros médicos e engenheiro biomédico são essencialmente sinônimos, a palavra bioengenharia tem muito mais extensão no seu significado. Bioengenharia envolve a aplicação de qualquer engenharia na área biológica. Bioengenharia inclui engenharia médica como uma importante categoria, mas ela também inclui outros campos tais como engenharia agrícola. Se quisermos enumerar todas as aplicações da física tanto nas ciências puras como a Biologia, Química, Astronomia, etc. , como nas ciências aplicadas e tecnologia não teríamos espaço e tempo para isso. Prof. Bertolo Capítulo Zero 4 OS INSTRUMENTOS DA FÍSICA A Física necessita de instrumentos – instrumentos de todas as espécies. Como em qualquer atividade, ou pelo menos quase todas as atividades dos seres humanos, o instrumentochave do físico é a sua mente. Em seguida, ele precisa de uma linguagem par tornar claro para si e para os outros, o que ele pensa e fez, e o que pretende realizar. A Matemática é essa linguagem por ser clara e flexível. Na expressão de Galileu, “A ciência está escrita neste grande livro colocado sempre diante de nossos olhos – o Universo – mas não podemos lê-lo sem aprender a linguagem e entender os seus símbolos em termos aos quais está escrito. Este livro está escrito na linguagem matemática”. A Física deve grande parte de seu sucesso como modelo de ciência natural ao fato de usar a matemática que é uma ferramenta muito poderosa como linguagem, e é importante compreender bem as relações entre Física e Matemática. Como dissemos antes a matemática é abstrata e se desenvolve, como no caso da geometria, a partir de premissas (postulados) não postas sob considerações de validade; por exemplo, não tem sentido perguntar qual das geometrias (euclidiana ou não euclidianas) é a verdadeira. Na Física, como ciência natural, essa questão faz sentido: qual é a geometria do mundo real? A experiência mostra que, na escala astronômica, aparecem desvios da geometria euclidiana. São instrumentos importantes também, seus olhos, ouvidos e mãos. Sem dúvida, estes são considerados como os principais instrumentos na obtenção de informações sobre as ocorrências do mundo que ele tenta compreender e controlar. Além disso, para auxiliar seus sentidos e produzir as circunstâncias especiais que por vezes deseja estudar, ele deve se valer de uma grande variedade de outras ferramentas, outros instrumentos e máquinas. Começamos com uma experiência pessoal precária, como as batidas do coração, e a transferimos para um instrumento que parece se comportar de maneira mais simples e digna de confiança, como o relógio no caso do tempo. Testamos, então, o instrumento, para verificar se ele efetivamente funciona como imaginamos. Os instrumentos da física podem ser simples. Em 1896, Henry Becquerel descobriu as estranhas propriedades radioativas do urânio, e iniciou o ramo da Física, chamado Física Nuclear, sem outro equipamento além de uma chapa fotográfica envolvida em papel preto, e alguns cristais de um sal químico especial. Em 1934, em Roma, Enrico Fermi e seus companheiros descobriram o nêutron lento, base da energia atômica. Eles usaram uma aparelhagem simples – um suprimento hospitalar de rádio, uma pia de mármore com água corrente, alguns pedaços de prata e de cádmio, e um instrumento feito de pedacinhos de uma fina folha de metal montados num pequeno microscópio. QUEM FAZ A FÍSICA? São os Físicos. Os profissionais que procuram estudar e desenvolver tudo o que já falamos. Quando suas habilidades são principalmente as de planejar e realizar experiências, eles são chamados de Físicos Experimentais, como foram Benjamin Franklin e Madame Curie e presentemente Carlos Rubia. Quando, por outro lado, eles são peritos principalmente no emprego da matemática em problemas de Física, eles são chamados de Físicos Teóricos, como foram Isaac Newton, Albert Einstein e atualmente Stephen Hawking. Antigamente, os instrumentos, tanto matemático como experimental, eram tão simples que um homem ou uma mulher, individualmente, poderiam se habilitar em ambos, como Isaac Newton, Franklin e outros. Atualmente, alguns dos instrumentos são tão complexos que poucos Físicos são tão suficientes e versáteis para se assenhorarem de todos. Quer sejam teóricos ou experimentais, entretanto, todos constroem a Física. A profissão de Bacharel em Física, embora pouco conhecida, vem encontrando um Prof. Bertolo Capítulo Zero espaço cada vez maior em vários setores de atividades, tanto nas Universidades e Institutos de Pesquisas, como na Indústria. Sendo reconhecida como é o engenheiro, o médico, o advogado, o economista, o contador, etc. Quer você prossiga ou não o estudo da Física, você pode encontrar na história da Natureza, como os Físicos a vêem, muita coisa que o auxiliará a compreender o mundo mutável no qual vivemos. Isto porque a Física está atrás das manchetes dos jornais, atrás dos inventos que criam novos empregos, e atrás dos 5 novos problemas que todo cidadão tem de enfrentar. Estudando este assunto em crescente desenvolvimento, um dos mais significativos na história do homem, você terá a oportunidade de alimentar esta curiosidade acerca do mundo no qual nós, humanos, nos diferenciamos tão nitidamente dos outros animais, este maravilhoso sentimento de querer saber, que se pode constituir numa profunda satisfação pr toda uma vida. UM BREVE RESUMO HISTÓRICO Desde o início da civilização, o homem tenta encontrar explicações para o que ocorre à sua volta. Os gregos foram os primeiros a organizar sistematicamente essas explicações, criando a Filosofia (em grego, amor à sabedoria). Um dos ramos da Filosofia grega, a Física, buscava explicar os fenômenos da Natureza, englobando inclusive os assuntos que hoje pertencem à Biologia, à Química e à Medicina. Muitos filósofos gregos se dedicaram à Física: Demócrito (400 a.C. – 360 a.C.), o primeiro a lançar o conceito de átomo; Aristarco (310 a.C. – 230 a.C.), o primeiro a lançar a idéia de que a Terra gira em torno do Sol; Arquimedes (287 a.C. – 211 a.C.), cientista que se destacou no campo de Hidrostática, etc.. Mas, dentre todos eles, o que produziu o trabalho mais extenso e sistemático, foi sem dúvidas Aristóteles (384 a.C. – 322 a.C.). Sobre a lógica, que é a ciência do raciocínio, Aristóteles desenvolveu a análise do Raciocínio Dedutivo, isto é, o método pelo qual se obtém conclusões seguras a partir de premissas consideradas válidas. A lógica de Aristóteles é considerada uma das bases da nossa cultura, estando incorporada na mentalidade ocidental. Na área das Ciências Naturais, Aristóteles classificou o reino animal de maneira tão completa, que sua classificação só veio a ser superada no século XVII. Um de seus trabalhos mais importantes foi a teoria Geocêntrica do Universo, segundo a qual a Terra ocupa o centro do Universo e os demais corpos celestes giram ao seu redor. Essa teoria, aperfeiçoada por Ptolomeu (100 d.C. – 170 d.C.), foi adotada por mais de dez séculos, até ser derrubada pelos cientistas do século XVI. Com o declínio da civilização grega, a cultura do mundo ocidental centralizou-se em Roma. Nesse período (séc II a.C. – séc. V d.C.), a produção cultural se deu principalmente nas Ciências Humanas, como a História e o Direito. As Ciências Naturais, com exceção da Medicina, não apresentaram evolução significativa. Durante a primeira fase da Idade Média (séc. V – séc. VIII), a Igreja Católica se firmou como a principal força na Europa. Nesse período, o comércio praticamente desapareceu e a grande maioria da população passou a viver no meio rural, dedicando-se à agricultura. O homem europeu dessa época tinha uma vida restrita a pequenas comunidades e desprovida de horizontes, o que dificultava a criação cultural. Apenas a cultura acumulada pelos gregos e romanos subsistia, graças ao trabalho paciente dos monges, que copiavam e estudavam traduções de Aristóteles, Platão, etc. Na segunda fase da Idade Média (séc. VIII – séc XIII), o comércio foi retomado na Europa, as cidades passaram a crescer e a cultura voltou a florescer. Uma nova visão de mundo se impôs, na qual o ser humano ocupava o lugar central. Esse movimento ficou conhecido como Humanismo. O Humanismo valorizou a racionalidade como forma de o homem atingir a sua plena realização. Nessa época foram criadas as universidades, importantes centros culturais que subsistem até os dias atuais. O Renascimento (séc. XIII – séc. XVI) foi um período de fecunda atividade científica, centralizada principalmente nas universidades. Nesse Período muitos conceitos básicos foram Prof. Bertolo Capítulo Zero alterados, em meio a discussões que não raro resultaram em terrível violência. Entre muitos cientistas importantes do Renascimento, podemos destacar Leonardo da Vinci (1452 – 1519), Nicolau Copérnico (1473- 1543) e Galileu Galilei (1564 – 1642). O exemplo mais importante da renovação de idéias no Renascimento foi a substituição da teoria Geocêntrica, de Aristóteles, pelo Heliocentrismo – idéia de que a Terra gira ao redor do Sol – já lançada por Aristarco no séc. III a.C. e retomada por Copérnico no século XVI. Posteriormente, com base nos trabalhos de Copérnico, cientistas como Giordano Bruno, Johannes Kepler e Galileu Galilei adotaram e aperfeiçoaram a teoria Heliocêntrica. Dentre os que se opunham a essa teoria, estava a Igreja Católica cuja doutrina ensinava que toda a criação existia em função do Homem, e que a Terra era o centro do Universo. Contrapondo-se a essa inovação, a Igreja processou e condenou Giordano Bruno a morrer na fogueira, em 1600, e obrigou Galileu a negar todo o seu trabalho para escapar desse mesmo fim. Apesar da repressão exercida pela Inquisição, a idéia prevaleceu, e hoje qualquer um achará estranho afirmar que o Sol gira ao redor da Terra. Galileu procurou aprofundar-se no estudo dos elementos básicos dos fenômenos naturais, sendo o primeiro cientista a utilizar sistematicamente o método experimental. Podese considerar que a Física, como a entendemos hoje, nasceu com Galileu. A partir do século XVI, desenvolve-se um movimento cultural denominado Iluminismo, que elevou ao máximo a visão racional do mundo. Renée Descartes (1596 – 1650) e Isaac 6 Newton (1643 – 1727) foram os cientistas mais importantes desta fase. Considerado um dos maiores cientistas de todos os tempos, Isaac Newton conseguiu sintetizar o trabalho dos físicos do Renascimento, principalmente os de Galileu e Kepler, criando algumas leis básicas que regem todos os fenômenos da Mecânica. A importância histórica da sua teoria reside na sua generalidade. São leis que podem ser aplicadas em qualquer lugar do Universo, desfazendo, assim, qualquer idéia de que a Terra pudesse ser o mais importante dos corpos celestes. A partir do século XVII, coma Revolução Industrial, a ciência entra em um estágio de rápida evolução, devido à necessidade de desenvolver novas tecnologias. A extensão do conhecimento já acumulado torna impossível par um cientista dominar todos os conhecimentos acumulados sobre a física, surgindo então os físicos ligados a determinados assuntos mais especializados. Assim, James Joule (1818-1889) estuda as propriedades do calor, Thomas Young (17731829) estuda a Óptica Física, Michael Faraday (1791-1867) estabelece as bases da eletricidade, James Maxwell (1831-1879) unifica a teoria do eletromagnetismo, etc. A partir da descoberta de novos fenômenos (como a radioatividade, por Henry Bequerel (1852 – 1908), e também a partir da incapacidade da Física Clássica de descrever alguns fenômenos, como a invariância da velocidade da luz e a radiação dos corpos aquecidos, partiu-se para o desenvolvimento de novas teorias. Esse movimento resultou em duas grandes vertentes da Física do século XX: a Relatividade, formulada por Albert Einstein e a Mecânica Quântica, lançada por De Broglie, Schrodinger, Heisenberg, Bohr e outros.. QUESTÕES DE ESTUDO I- Leia atentamente todo o capítulo em foco, para que você tenha uma visão global do assunto abordado. Durante a leitura não se esqueça de assinalar os trechos que você julgar importantes, e inclusive, aqueles que você não entendeu (para uma leitura posterior). II- Tente, acompanhado do texto, responder as seguintes questões: Prof. Bertolo Capítulo Zero 1. Ciência é um conjunto organizado de conhecimentos relativos a um determinado objeto, obtidos mediante o quê? 2. Qual o campo de ação das ciências naturais? 3. O chamado Método Científico é uma combinação de três operações. Quais são elas? 4. Como surge uma lei natural? 5. Comente a respeito da importância da experiência nas ciências naturais. 6. O que você entende por um Método Axiomático? 7. Como a matemática encara a validade dos axiomas no mundo real? E as ciências naturais? 8. Física é aquela parte das ciências naturais que se ocupa em estudar o quê? 9. A divisão setorial, costumeira, que se faz com as ciências naturais tem os limites bem definidos? 10. Conceitue Tecnologia. 11. Em que circunstância a Física contribui para a Medicina? 12. O que se entende por terapia física? 7 13. Faça uma distinção entre Física Médica e Biofísica. 14. Qual o instrumento chave da Física? 15. Qual a linguagem da Física? Por que? 16. O que descobriu Becquerel em 1896? E Enrico Fermi em 1934? Quais foram os equipamentos utilizados em suas experiências? 17. Cite três físicos experimentais e três físicos teóricos importantes. 18. O que se entendia por Física na época de Aristóteles? 19. O que é Geocentrismo? 20. Por que Giordano Bruno e Galileu foram perseguidos? 21. De acordo com o texto, quem fez a síntese das leis da Mecânica? 22. O texto afirma que a partir do século XVIII a pesquisa científica passou a ser motivada por interesses econômicos. Explique essa afirmação.