Apresentação

Os livros não são feitos apenas com o que
se sabe e o que se vê. Necessitam de raízes
mais profundas.
Gaston Bachelard

Este livro-texto é fruto da experiência de ensino de Física Moderna, acumulada ministrando as disciplinas de Estrutura da Matéria e de Mecânica Quântica, no Instituto de Física da Uerj, desde 1983, e algumas vezes Mecânica Quântica no CBPF. Construído de modo a ser o mais autoconsistente possível, o livro aborda a evolução das concepções clássicas acerca da natureza da matéria e da luz, antes de apresentar, com detalhes, a crise da virada do século XX e a subseqüente construção da Física Quântica, que introduziu novos e transformadores paradigmas na Ciência.

Seguindo uma perspectiva histórica, procuramos, sobretudo, dar subsídios capazes de despertar o interesse e o espírito crítico do leitor, permitindo que ele compreenda bem a origem da Física Moderna e a dinâmica da investigação científica, por entender que essa característica crítica essencial do pensamento científico tem sido sistematicamente deixada de lado em outros livros-textos. Esperamos, dessa forma, construir um diálogo com o leitor no qual buscamos nos expressar de modo ainda mais claro, pois, como nos ensina Schopenhauer, com o texto escrito não se ouvem as perguntas do interlocutor.

Gostaríamos de ressaltar que os experimentos, as hipóteses e os modelos apresentados no texto não são todos histórica e logicamente necessários à construção, elaboração e apresentação das teorias fundamentais da Física Moderna em um texto didático. Entretanto, mesmo as grandes sínteses na Ciência, alcançadas, em alguns casos raros, por um ou outro pesquisador, resultam, em última análise, de um trabalho coletivo sistemático de pesquisa, de proposição de novas idéias e novos conceitos, de novos experimentos, ao longo de toda a história da cultura. Por outro lado, concordamos com Werner Heisenberg, quando ele afirma no prefácio do seu livro Física e Filosofia que talvez a melhor maneira de abordar os problemas da Física Moderna seja através de uma descrição histórica do desenvolvimento da teoria quântica. Mas, claro, os caminhos são muitos. Optamos por dar ênfase à evolução das idéias e dos conceitos básicos recorrentes na discussão da essência da matéria e da luz ao longo da história e, como não poderia deixar de ser, tal escolha reflete a formação dos autores e a visão que têm do ensino.

Acreditamos que seja um trabalho pioneiro, capaz de atender à expectativa da comunidade de físicos de se dispor de um livro-texto diferente, em uma das áreas mais fascinantes da Física. Algumas das preocupações dos autores podem ser aqui destacadas, no sentido de mostrar a originalidade e a relevância do livro. Em primeiro lugar, cabe enfatizar o cuidado com a consulta e a referência constantes `as fontes primárias, sempre que possível, procurando, dessa forma, evidenciar a beleza e a dinâmica da investigação científica, permitindo que o leitor interessado disponha de todas as informações para localizar, com facilidade, os textos seminais. Ao final de cada capítulo, o leitor encontra uma lista de referências bibliográficas comentadas, separadas em "fontes primárias" e "outros artigos e sugestões de leitura", a qual possibilita um aprofundamento maior sobre qualquer assunto tratado, além de um número expressivo de exercícios. Uma outra característica do livro é a tentativa de com ele resgatar a reflexão crítica do leitor sobre o objeto de sua leitura. Para isso, os autores recorrem, com freqüência, a comentários epistemológicos e a reflexões e citações dos cientistas que fizeram a história da Mecânica Quântica. Outro aspecto que pode ser destacado é a preocupação de deduzir praticamente todas as fórmulas que são utilizadas normalmente, e não considerar, como a maioria, que o aluno "já viu isso ou aquilo em outra disciplina". Dessa forma, procuramos construir um livro que dispense o aluno de recorrer a outros, em seus estudos (como livros de Mecânica, Teoria Cinética dos Gases, Eletromagnetismo e Física Matemática). Por último, pode-se dizer que o livro é atual, na medida em que foi levada em consideração uma vasta bibliografia moderna sobre seu tema (incluindo livros e artigos), bibliografia esta que é oferecida ao leitor ao final de cada capítulo, no caso dos artigos, e as demais referências ao final do livro, em ordem alfabética de sobrenome dos autores.

Nos nove primeiros capítulos, apresentamos os principais resultados da Física Clássica, que precedem o surgimento da Física Quântica. Neles abordamos os fundamentos clássicos da natureza da matéria e da luz, considerados indispensáveis para se entender a crise do sistema explicativo causal clássico, que tem início com a descoberta do elétron, com o estudo da Radiação de Corpo Negro e do Movimento Browniano, e da Teoria da Relatividade. Os quatro capítulos introdutórios lidam com a gradual consolidação da visão atomista da matéria. Os dois seguintes abordam diferentes concepções sobre a luz, até se chegar à Eletrodinâmica de Maxwell e à contribuição revolucionária de Einstein, a Relatividade Restrita. Os três capítulos que se seguem tratam especificamente da desconstrução do conceito de átomo como algo eterno e sem estrutura. Neles são abordadas as contribuições provenientes das pesquisas sobre a eletrólise, as descargas em gases e a radioatividade. Toda essa notável conquista científica ainda prescindia da constante de Planck.

No Capítulo 10, apresentamos o estudo da radiação do corpo negro, que culmina com a introdução da idéia de quantum na Física e suas primeiras aplicações. Os trabalhos de Planck e de Einstein, desenvolvidos entre 1900 e 1905, mudam para sempre a Física, dando início ao que se convencionou chamar de Física Moderna ou ainda Física Quântica. Seguem-se dois capítulos com a descrição detalhada dos modelos atômicos clássicos (Thomson, Nagaoka, Rutherford) e quânticos (Bohr & Sommerfeld). O último grupo de capítulos aborda temas como a dualidade onda-partícula, as hipóteses de Louis de Broglie e a construção da Mecânica Quântica (Heisenberg, Schrödinger, Born & Dirac), que, além da abordagem histórica, contém uma apresentação exaustiva das principais formulações dessa nova teoria para o microcosmo. Concluímos com uma discussão de como o estágio atual da Física das Partículas Elementares é uma herança das concepções atomísticas da matéria aqui apresentadas.

Esperamos que o público-alvo do livro possa ser bastante amplo, incluindo a graduação, o mestrado profissionalizante e até mesmo o mestrado em outras áreas afins. Alunos de graduação dos cursos de bacharelado e licenciatura em Física, alunos de graduação de Engenharia cursando a disciplina básica obrigatória de Física IV ou disciplinas como a de Dispositivos Semicondutores, que contemplem uma introdução à Física Moderna no ciclo profissional (Eletrônica e Elétrica). Pode também ser útil em cursos de Física Médica ou de Medicina Nuclear, nos quais começa a haver uma demanda maior de livros sobre os fundamentos da Física Moderna, cada vez mais pertinente ao estudo do instrumental e dos equipamentos usados na Medicina. O livro também pode ser útil para professores de ensino médio e professores universitários de Física. Por fim, talvez o livro também possa interessar ao leitor culto.

Agradecemos a Francisca Valéria Fortaleza Vasconcelos por ter vencido nossa inércia e digitado a primeira versão em LATEX a partir do manuscrito. Ao pessoal da Biblioteca do CBPF, Fátima Bacelar Couto, Heloísa Ottoni, Sergio Velho, Marcelo da Silva Magalhães, José Santos de Souza, José Ramalho Nery e Maria Rosa Simplício, e a Maria Luisa Mesiano da Biblioteca CTC-D da Uerj pelo inestimável auxílio na localização de várias referências. Ao pessoal da LTC, pelo profissionalismo, competência e, em especial, Ricardo Redisch, Carla Nery, Raquel Bouzan Barraca e Sandra Mara Albuquerque pela paciência e gentil tolerância com os autores na fase de revisão final do livro. Agradecemos ainda a Erick Hoepfner (Uerj) pelo excelente trabalho com as imagens e a capa do livro e pela constante preocupação com os backups. A todos os membros da Oficina de Educação através de Histórias em Quadrinhos (Eduhq), pela possibilidade de utilizarmos algumas de suas tirinhas e, em especial, aos alunos-artistas Luisa Daou, Nilton de Freitas, Ivson Aguiar da Silva, Gustavo dos Santos Amaral e Wallace Jonas de Andrade Marques, nosso muito obrigado.

Nosso sincero reconhecimento àqueles que deram importantes contribuições pontuais em diferentes capítulos: Maria José Bechara (IF/USP), Maria Lucia Bianconi (Instituto de Bioquímica da UFRJ), Mauro Velho de Castro Faria (IB/Uerj), Mirian de Carvalho (UFRJ), Paulo Alves Porto (IQ/USP), Ilton Jornada e Joana Mara Santos (IQ/Uerj), Hélio da Motta Filho (CBPF), André Sznajder, Pedro von Ranke Perlingeiro, José Umberto Cinelli Lobo de Oliveira, e Nilson Antunes (IF/Uerj).

Versões preliminares do livro foram utilizadas em diferentes ocasiões por colegas no IF/Uerj, cujos comentários foram úteis para que revíssemos o texto. Neste sentido, Marcia Begalli, José Roberto Mahon, Arnaldo José Santiago, e Fabio Antonio Seixas de Rezende deram importantes contribuições.

Agradecemos ainda a Maria Cristina de Oliveira Silveira e a Stella Maris Nunes Amadei, pelo incansável auxílio na revisão do texto, pelas críticas e sugestões que em muito contribuíram para sua clareza e pelo incentivo. Contribuíram também para a revisão do texto, em diversos momento; Ademar Monteiro dos Santos, Anderson Luiz Santana França, Carlos Cristóvão de Almeida, Cláudia Mello Belhassof, Marília Pinto de Oliveira, Marco Antonio, Rafaela Ventura e Raquel Bouzan Barraca a quem somos muito gratos.

Não temos palavras para agradecer aos amigos que se dispuseram a ler criticamente o conteúdo de todo o livro: Eugene Levin (Departamento de Física de Altas Energias da Universidade de Tel-Aviv), José Maria Filardo Bassalo (UFPA) e Alfredo Marques (CBPF). A eles, nosso mais sincero reconhecimento. Seus comentários enriqueceram muito o texto e é desnecessário dizer que qualquer falha que ainda persista deva ser atribuída exclusivamente aos autores.

Por último, mas não menos importante, devemos mencionar o incentivo constante de muitos amigos, fundamental durante o longo período de preparo do livro, entre os quais destacamos: Alfredo Marques, Ívano Damião Soares, do CBPF, José Maria Filardo Bassalo (UFPA), Bruto Max Pimentel Escobar (IFT/Unesp), Wanderley de Souza (Finep), Nobuo Oguri e Maria de Lourdes Barbosa (in memoriam). Resta ainda Alberto Santoro (IF/Uerj), que foi sempre mais do que um incentivador. Nosso orientador em períodos diferentes, esperamos que ele veja espelhado nessas páginas muito do entusiasmo, da dimensão ética e social da Ciência e da preocupação com a formação científica dos jovens que continua nos transmitindo até hoje.

Francisco Caruso & Vitor Oguri

Rio de Janeiro, março de 2016.