Física moderna: o que é, como surgiu e o que estuda (com exercícios)

Ana Lucia Souto

Professora de Física e Ciências

A física moderna é a área da ciência que estuda as leis da natureza em situações extremas—coisas extremamente pequenas, como átomos e partículas, ou fenômenos muito grandes e rápidos, como a luz, o espaço e o universo.

Ao contrário da física clássica, que explica eventos cotidianos (por exemplo, como uma bola se move ou como a gravidade atua sobre objetos que caem), a física moderna explora fenômenos que vão além dessa escala comum. Ela investiga o comportamento da natureza em níveis microscópicos ou cósmicos.

A física moderna tenta responder perguntas como: "como a luz realmente funciona?", "o que existe dentro dos átomos?" ou "como surgiu o universo?".

Experimentos e descobertas que deram origem à Física Moderna

A física moderna surgiu no final do século XIX, quando cientistas perceberam que as leis da física clássica, criadas por nomes como Isaac Newton, não explicavam certos fenômenos observados em experimentos. Esses “mistérios” marcaram o início de uma revolução científica que mudou nossa visão do universo.

A Radiação do Corpo Negro e o nascimento da Teoria Quântica (1900)

Tudo começou com um enigma: a radiação do corpo negro. Todo objeto com temperatura acima do zero absoluto (-273°C, a temperatura onde, teoricamente, todo movimento para) emite radiação porque seus átomos vibram. Perto das temperaturas terrestres, essa radiação é infravermelha, invisível aos nossos olhos. Mas, ao aquecer um objeto acima de 700°C, ele começa a brilhar, emitindo luz visível. Quanto mais quente, mais luminoso ele fica, mudando de cor: vermelho, laranja, amarelo, até branco e, em temperaturas extremas, azul – como vemos nas estrelas mais quentes.

Pela física clássica, baseada na Lei de Stefan-Boltzmann e nas ondas de Maxwell, um “corpo negro” (um objeto ideal que absorve toda radiação que recebe) deveria emitir um espectro contínuo de luz, com energia aumentando indefinidamente em altas frequências, como o ultravioleta. Mas os experimentos mostraram algo diferente: a energia emitida tinha um pico e caía nas frequências mais altas, não importa o material do corpo negro. Esse resultado, chamado de “catástrofe do ultravioleta”, desafiou as teorias da época.

Em dezembro de 1900, o físico alemão Max Planck resolveu o problema com uma ideia revolucionária: a energia não é emitida de forma contínua, mas em “pacotinhos” discretos, que ele chamou de quanta. Essa proposta marcou o nascimento da teoria quântica, o primeiro grande passo da física moderna. Planck mostrou que o universo, em escalas minúsculas, funciona de maneira diferente do que imaginávamos.

O efeito fotoelétrico e a luz como partícula (1905)

O próximo marco veio com o efeito fotoelétrico, descoberto por acidente em 1872 pelo físico russo Alexander Stoletov. Ele notou que placas metálicas geravam corrente elétrica ao serem iluminadas por luz. Mais tarde, experimentos revelaram que elétrons escapam do metal quando a luz tem uma frequência mínima específica, que varia conforme o material. Curiosamente, a intensidade da luz não importava – se a frequência fosse baixa demais, nada acontecia, mesmo com luz forte.

A física clássica, que via a luz como onda, não explicava isso. Em 1905, Albert Einstein usou a teoria quântica de Planck para propor uma solução: a luz é feita de partículas, chamadas fótons, cada uma carregando um “pacote” de energia. Quando um fóton atinge um elétron no metal, ele transfere toda sua energia de uma vez. Se essa energia for suficiente, o elétron escapa; se não, ele permanece no lugar. Esse modelo corpuscular da luz reforçou a ideia de energia quantizada e lançou as bases para a física quântica moderna.

A dualidade Onda-Partícula (1923)

A proposta de Einstein levantou uma questão: afinal, a luz é onda ou partícula? Fenômenos como difração e refração só faziam sentido se a luz fosse onda, mas o efeito fotoelétrico exigia que ela fosse partícula.

Em 1923, o físico francês Louis de Broglie resolveu o dilema com a dualidade onda-partícula: a luz (e até os elétrons!) se comporta como onda ou partícula dependendo do experimento. Ela não é uma coisa ou outra, mas ambas, e só “escolhe” um comportamento quando observada. Esse conceito estranho, mas comprovado, é um pilar da física moderna.

O modelo Atômico de Bohr (1913)

Outro mistério da época era o átomo. O modelo de Rutherford (1911) via o átomo como um “sistema solar” em miniatura, com elétrons orbitando um núcleo. Mas havia problemas: pela física clássica, elétrons em movimento circular emitem radiação, perdem energia e deveriam colapsar no núcleo. Além disso, os espectros de luz emitidos e absorvidos por átomos mostravam linhas específicas, não um contínuo de comprimentos de onda.

Em 1913, Niels Bohr aplicou a teoria quântica para criar um novo modelo. Ele propôs que os elétrons só ocupam órbitas fixas com energias quantizadas, como degraus de uma escada. Para mudar de órbita, um elétron absorve ou emite um “pacote” fechado de energia, exatamente igual à diferença energética dos dois níveis.

Bohr também usou a dualidade onda-partícula, sugerindo que os elétrons, como ondas, só formam órbitas estáveis quando seu comprimento de onda “cabe” perfeitamente ao redor do núcleo. Esse modelo explicou os espectros atômicos e a estabilidade dos átomos, sendo um avanço crucial na física moderna.

A Relatividade Restrita e o Tempo Relativo (1905)

Enquanto a física quântica explorava o mundo microscópico, Einstein revolucionou nossa visão do universo com a teoria da relatividade restrita, também em 1905. Ele partiu de dois postulados:

1. As leis da física são iguais em todos os referenciais inerciais (sem aceleração).

2. A velocidade da luz no vácuo (300 mil km/s) é constante, não importando o movimento do observador ou da fonte.

Isso levou a ideias surpreendentes: o tempo e o espaço não são absolutos, mas relativos. Em altas velocidades, o tempo “dilata” (passa mais devagar para quem se move) e o comprimento “contrai” na direção do movimento.

Einstein também mostrou que a massa aumenta com a velocidade, conectada à energia pela equação E = mc². Esses efeitos, confirmados experimentalmente, mudaram nossa compreensão do universo e abriram caminho para tecnologias como o GPS.

A Relatividade Geral e a Gravidade como Curvatura (1915)

Em 1915, Einstein expandiu suas ideias com a teoria da relatividade geral. Ele propôs que a gravidade não é uma força, mas uma curvatura do espaço-tempo causada por massa e energia.

Imagine o espaço-tempo como um lençol: um objeto pesado, como o Sol, o afunda, e outros corpos “caem” nessa curvatura. Em 1919, um experimento durante um eclipse solar confirmou isso: a luz de estrelas foi desviada pelo Sol, exatamente como previsto. Essa teoria explica desde órbitas planetárias até a existência e comportamentos de buracos negros, consolidando a física moderna como uma ciência do cosmos.

A figura abaixo representa o espaço-tempo curvado pela presença de dois corpos massivos. Observe que o corpo de menor massa cai em direção ao corpo de maior massa, por conta desse último provocar uma maior curvatura no espaço-tempo:

Linha do tempo da origem da Física Moderna

Apesar de chamarmos de Física Moderna suas teorias foram elaboradas a partir de 1900.

Abaixo mostramos, em uma linha do tempo simplificada, os principais eventos que levaram ao surgimento da Física Moderna.

Mapa mental da Física Moderna

Vamos fazer um mapa mental para ajudar na compreensão das relações entre a Física Clássica e a Física Moderna.

Questões

Verifique a sua compreensão da Física Moderna e de suas teorias com as seguintes questões.

Questão 1

Questão 2

Hora de praticar seus conhecimentos com Exercícios sobre física moderna (com respostas explicadas).

Continue aprofundando os seus estudos com:

Introdução à Física: entenda o que é e todos os principais conceitos

Física quântica: o que é, para quê serve e principais conceitos.

Ana Lucia Souto

Professora de Ciências e de Física da Educação Básica e do Ensino Superior, tendo iniciado a docência em 1990. Bacharel em Física, Mestre e Doutora em Biofísica e PhD em Biologia Estrutura - Universidade de São Paulo, USP.