Física Básica I

Que é uma lei (ou princípio)? No que diz respeito às leis da natureza, o dicionário nos diz que uma lei (da natureza) é "aquilo que se impõe ao homem por sua razão, consciência ou por determinadas condições ou circunstâncias". Em outras palavras, uma lei física é uma afirmação fundamental, passível de verificação, formando a base de uma teoria. Portanto, uma teoria é um conjunto de leis.

É importante fazermos um paralelo entre Física e Matemática. Em Matemática, o postulado é o equivalente de uma lei em Física, porém com uma diferença muito importante: um postulado nem sempre está sujeito à verificação. Por estarem sempre sujeitas a verificações, as leis físicas estão sempre em estado de alerta.

A história tem nos mostrado que uma lei física não é imutável. Basta uma única experiência bem sucedida que mostre claramente a violação de uma determinada lei para que ela seja abandonada ou corrigida. Por exemplo, até a década de 60, acreditava-se que um processo físico e a sua imagem (como num espelho) fossem idênticos, isto é, produzissem os mesmos resultados. Esta lei ficou conhecida como a lei da conservação da paridade (sem distinção entre direito e esquerdo; similaridade).  Todavia, dois jovens físicos, C. N. Yang e T. D. Lee, fizeram em 1956 uma previsão (ou observação) onde esta lei da conservação da paridade pudesse ser violada em processos de desintegração nuclear (decaimento beta). Esta previsão foi confirmada em 1957 em um belíssimo experimento conduzido por Madame Wu (C. S. Wu). Neste caso, a conservação da paridade foi descartada como uma lei.

Um outro exemplo: a teoria Newtoniana da gravitação é capaz de explicar razoavelmente bem, o comportamento mecânico do nosso sistema solar, ou seja, reproduz as leis de Kepler.  Todavia, existem alguns efeitos minuciosos que a teoria Newtoniana da gravitação não consegue explicar (reproduzir). Dois deles, o desvio da luz ao passar próxima de um corpo estelar como o nosso sol e a precessão do periélio do planeta Mercúrio, quando calculados com a teoria Newtoniana não concordam plenamente com as observações. A reconciliação entre teoria e experimento só é possível no contexto da Relatividade Geral de Einstein (1915). Neste caso, a teoria Newtoniana foi corrigida pela Relatividade Geral.  A relatividade geral nos revelou que a matéria (e/ou energia) diz ao espaço-tempo como se deformar (curvar e torcer) e, por sua vez, o espaço deformado dita à matéria como ela deve se mover. Mesmo as leis de Newton para o movimento translacional que estamos prestes a discutir valem somente para velocidades baixas em comparação com a velocidade da luz. Para velocidades comparáveis à da luz, a Mecânica Newtoniana é corrigida pela Mecânica Relativística (Einstein, 1905), como veremos mais tarde. Além de corrigir a Mecânica Newtoniana, a Relatividade Especial de Einstein nos revelou a fusão entre espaço e tempo (o tempo não é absoluto como na Mecânica Newtoniana) bem como entre energia e massa (\(\Delta E=\Delta m\,c^{2}\)).

Restrições. Sabemos construir a trajetória de um ponto material usando curvas espaciais em um espaço Euclidiano tridimensional.  Também sabemos determinar velocidade e aceleração, bem como o espaço percorrido, em qualquer instante de tempo. Portanto, é hora de passarmos ao estudo das leis físicas que determinam e controlam o movimento de corpos macroscópicos (que não sejam muito mais massivos que o Sol) com velocidades muito inferiores à velocidade da luz no vácuo (aproximadamente 300000 km/s).  Estas leis são conhecidas por "leis de Newton" do movimento.  As duas restrições mencionadas (corpos macroscópicos de baixa massa e com baixas velocidades) são importantes, pois as leis Newtonianas deixam de ser válidas em três ocasiões: (1) no mundo microscópico de dimensões atômicas (neste caso as leis Newtonianas são corrigidas pelas leis da Física Quântica), (2) quando as velocidades envolvidas são comparáveis à velocidade da luz no vácuo (neste caso as leis Newtonianas são corrigidas pelas leis da Relatividade Especial de Einstein) e (3) para corpos extremamente massivos , como estrelas de nêutrons (neste caso as leis Newtonianas são corrigidas pela Relatividade Geral de Einstein).