A Física possui uma longa história, enraizada nas especulações filosóficas da antiguidade e forjada pela revolução científica dos Séculos XVI e XVII e pela revolução industrial dos Séculos XVIII e XIX, das quais foi protagonista.

Ao final do Século XIX, a Física assentava-se sobre três ou quatro grandes áreas: a Mecânica, o estudo das leis do movimento dos corpos materiais, sua descrição e suas causas, nascida dos trabalhos de Galileu e Newton e posteriormente desenvolvida por muitos outros cientistas, como Lagrange, Laplace e Hamilton; o Eletromagnetismo, o estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos, cujo longo nascimento completou-se com os trabalhos de Ampère, Faraday, Maxwell e Hertz; e a Termodinâmica, o estudo dos fenômenos térmicos, cuja história complexa destaca nomes como Carnot, Joule, Clausius, Kelvin, Helmholtz e muitos outros. Em paralelo, a crença de que os corpos macroscópicos são formados de uma grande quantidade de átomos interagindo entre si de forma complexa e movendo-se de acordo com as leis da Mecânica de Newton levou muitos a tentar derivar as leis da Termodinâmica a partir de uma análise estatística desses movimentos. Nasceu assim a chamada Mecânica Estatística, cujos grande contribuidores iniciais foram Maxwell, Boltzmann e Gibbs.

Esse corpo de conhecimento acumulado durante séculos, e a visão de mundo por ele implicada, ficou conhecido como Física Clássica.

Longe de ser obra harmônica e acabada, a Física Clássica apresentava inúmeros problemas de natureza conceitual. Certos aspectos do Eletromagnetismo de Maxwell não coadunavam com a Mecânica de Newton. A radiação eletromagnética emitida por corpos aquecidos, como estrelas ou altos-fornos, não era bem compreendida sob a luz da Termodinâmica e do Eletromagnetismo clássicos, o que parecia indicar uma contradição entre ambos. A Termodinâmica e a Química não explicavam se a natureza da matéria era atômica ou não, que forças agiriam nesses constituintes e de que forma a mecânica desses constituintes explicaria a propriedades térmicas e químicas dos corpos materiais. A natureza da força de gravitação, responsável pelo movimento planetário, era igualmente misteriosa. A evolução do universo como um todo e sua estrutura em larga escala eram enigmáticas.

Nos primeiros anos do Século XX o quadro conceitual da Física começou a ser modificado e a contribuição de Einstein para tal foi imensa. É essa contribuição, iniciada com seus trabalhos de 1905 sobre a Teoria da Relatividade, o Efeito Fotoelétrico e o Movimento Browniano, que dirigirá os colóquios deste ano do ``Convite à Física''. Nas próximas páginas, vamos apresentar sucintamente esses três principais temas diretores.

Em junho e setembro de 1905, A. Einstein publicou dois artigos que lançaram as bases do que ficou conhecido como a Teoria da Relatividade Especial ou Restrita.

Com o objetivo de reconciliar a Mecânica com o Eletromagnetismo, Einstein postulou dois princípios: o Princípio da Relatividade e o Princípio da constância da velocidade da luz. Segundo o Princípio da Relatividade, as leis da Física são as mesmas em todos os sistemas de referência inerciais (A expresão ``sistema de referência'' designa um laboratório onde se possam fazer medidas físicas de posição, tempo, velocidade etc. de corpos materiais. Um sistema de referência inercial é aquele em que corpos sem a ação de forças externas movem-se a velocidades constantes). O Princípio da constância da velocidade da luz, respaldado nos resultados de diversos experimentos, o mais célebre dos quais foi o realizado por Michelson e Morley em torno de 1887, postula que a velocidade da luz no vácuo é a mesma em todo sistema de referência inercial, representando velocidade máxima de propagação de processos físicos.

A Teoria da Relatividade Restrita leva a diversas mudanças da nossa percepção do mundo, tais como, o fato da simultaneidade de dois acontecimentos depender do observador, o fato de relógios em movimento andarem mais devagar que relógios em repouso, o fato de objetos em movimento tornarem-se menores que objetos parados. Mais ainda, foi necessária uma revisão das noções de momento e energia. Por exemplo, descobriu-se a existência de uma nova forma de energia, a saber, a energia de repouso, a qual pode ser transformada em outros tipos de energia.

A Teoria da Relatividade Restrita trouxe consigo uma revolução fundamental nas noções básicas da Física. Os efeitos dessa revolução foram sentidos em várias áreas novas e velhas da Física quando as mesmas foram formuladas de forma compatível com a Relatividade. Áreas novas de pesquisa que surgiram no decorrer do Século XX, como por exemplo, a Física Nuclear, a Física das Partículas Elementares e a Teoria Quântica de Campos, derivam parte de seus fundamentos da Teoria da Relatividade Restrita e dos demais trabalhos de Einstein de 1905.

A Teoria da Relatividade Restrita modificou as noções de espaço e de tempo. Mas após 1905, Einstein notou que a teoria da gravitação Newtoniana não era compatível com essas novas noções. Ao tentar resolver essa incompatibilidade, Einstein produziu uma nova revolução na nossa noção de espaço e de tempo, assim como na noção de gravitação. Surgia a Teoria da Relatividade Geral, formulada entre 1915 e 1916.

Testes que vão de experimentos sensíveis de laboratório, envolvendo ótica, átomos, núcleos e partículas sub-atômicas, até a observação de relógios, planetas e outros objetos astrofísicos em órbita, dentro e fora do sistema solar: todos têm até hoje confirmado as previsões da Teoria da Relatividade.

Mais que uma abstração teórica, a Teoria da Relatividade tem aplicações práticas a oferecer. O Sistema de Posicionamento Global (GPS), por exemplo, que hoje é utilizado por milhões de pessoas (motoristas, pilotos, alpinistas, velejadores, navegadores etc.) para localização na Terra, é de fato uma realização dessa nova visão de espaço e de tempo introduzida por Einstein. Mesmo fatos corriqueiros, como a cor amarelada do Ouro ou o caráter líquido do Mercúrio à temperatura ambiente (fato bem conhecido para quem já usou um termômetro de Mercúrio caseiro, cuja escala é determinada por uma coluna desse metal), só podem sem explicados com o uso de idéias provenientes da Teoria da Relatividade.

A natureza ondulatória da radiação eletromagnética, em particular, da luz, foi prevista por J. C. Maxwell no Século XIX. Em 1888, na mesma experiência em que verificou a existência das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell, H. Hertz observou um fenômeno novo. Hertz notou que certos corpos metálicos irradiados por luz ultravioleta adquirem carga elétrica positiva. Posteriormente, constatou-se que a razão disso era que a luz ultravioleta fazia com que elétrons fossem ejetados da superfície do metal. Esse é o chamado Efeito Fotoelétrico. Particularmente intrigante era o fato de que a intensidade da luz incidente no metal não alterava a energia dos elétrons emitidos, mas apenas seu número. A energia dos elétrons emitidos, diziam as experiências, dependia apenas da freqüência da luz incidente. Tais fatos não podem ser explicados dentro do contexto da Física Clássica.

Independentemente disso, um outro front formava-se para a Física Clássica no estudo da chamada radiação de corpo negro. A produção de aços de alta-qualidade demanda medição e controle bastante precisos da temperatura de altos-fornos. Dada a alta temperatura que os mesmos devem atingir ao fundir metais, uma medição direta não se mostra factível. No final do Século XIX, percebeu-se que a melhor forma de fazê-lo seria através da medição da distribuição em freqüências da energia da radiação emitida pelas paredes internas dos altos-fornos aquecidos. A idéia era que essa distribuição de energia depende de forma sutil da temperatura e através da medida dessa distribuição a temperatura poderia ser inferida.

Nasceu o problema de determinar teoricamente a expressão matemática que fornecia essa distribuição de energia de radiação (que passou a ser conhecida como radiação de corpo negro, pois um alto-forno, quando totalmente fechado, comporta-se como um absorvedor perfeito de radiação, ou seja, um corpo negro perfeito) a partir das leis da Física Clássica. Vários pesquisadores de renome dedicaram-se a essa questão, mas a resposta só foi encontrada de forma semi-empírica por M. Planck em 1900. Essa expressão matemática ficou conhecida como fórmula de Planck.

De fato, Planck, baseado em medidas empíricas, notadamente de H. Rubens e F. Kurlbaum, obteve a expressão correta. Mas ao tentar deduzí-la de primeiros princípios a partir das leis da Física Clássica, Planck falhou. Sua insistência levou-o a adicionar àqueles princípios a hipótese adicional, alheia à Física Clássica, de que as paredes radiantes só poderiam trocar energia com o meio externo na forma da quantidades fixas de energia, os chamados quanta. Com essa hipótese extra, Planck finalmente alcançou seu intento de deduzir teoricamente a fórmula que leva seu nome.

O trabalho de Planck causou perplexidade no início do Século XX, inclusive ao seu próprio autor, que durante os anos que se seguiram tentou remover sua hipótese adicional. Distante dessas preocupações quanto às hipóteses que conduziram à dedução teórica da fórmula de Planck, Einstein decidiu-se por um caminho pragmático: aceitou o fato empírico da validade de fórmula de Planck e procurou extrair suas conseqüências.

Em outro de seus célebres trabalhos de 1905, Einstein notou que a fórmula de Planck tinha por conseqüência o fato de que, sob certas circunstâncias, a radiação de corpo negro comportava-se como um gás de partículas. Essas partículas de luz, ou ``quanta de luz'', deveriam carregar uma quantidade fixa de energia (um quantum de energia) de forma que a energia de um feixe de luz seria a soma total das energias individuais desses quanta. A existência dessas partículas, que posteriormente seriam denominadas fótons, não era presumida pela Óptica e pelo Eletromagnetismo de até então.

Teriam essas partículas uma existência real ou seriam um mero artifício matemático da fórmula de Planck? Para responder a essa pergunta, Einstein procurou por outros efeitos físicos que pudessem ser explicados pela suposição que tais partículas de fato existem e deu-se conta de que, com ela, o efeito fotoelétrico, que permanecia inexplicado até então, poderia ser compreendido qualitativa e quantitativamente.

Por esse trabalho, o primeiro artigo que publicou em 1905, Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921.

As conseqüências desse trabalho para a Física foram enormes, pois a noção de que a luz possa ter simultaneamente um caráter ondulatório e ser composta de partículas engendrou uma enorme revolução no pensamento científico nas décadas que se seguiram, culminando com o nascimento de uma nova Mecânica, a Mecânica Quântica e com uma nova teoria para o estudo da luz e da matéria, a Eletrodinâmica Quântica e a Teoria Quântica de Campos.

Muitas são as aplicações tecnológicas diretas ou indiretas do efeito fotoelétrico e da nova teoria da luz: de câmeras de video e câmeras fotográficas digitais a foto-multiplicadores, lasers etc. Mais importantes ainda são as aplicações de um dos frutos desse trabalho de Einstein, a Mecânica Quântica: praticamente tudo o que se denomina tecnologia moderna deriva da mesma.

Em 1828, o botânico Robert Brown, observou em um microscópio que grãos de pólen de plantas suspensos em água parada exibem um movimento irregular incessante, que ficou conhecido como ``Movimento Browniano''. Durante muito tempo esse fenômeno observado por Brown foi visto como uma mera curiosidade sem que se apercebesse que subjacente a ele residiam propriedades fundamentais da matéria.

Assumindo a validade da hipótese atômica, ou seja, a hipótese de que a matéria é formada por átomos e moléculas, uma noção que à época ainda carecia de reconhecimento universal e sobre a qual havia escassas evidências indiretas, Einstein percebeu que partículas grandes suspensas em um líquido (tais como grãos de pólen) e sofrendo colisões aleatórias dos átomos e moléculas circundantes mover-se-iam de forma irregular, errática, e que tal movimento irregular poderia ser diretamente observado através de um microscópio, tal como realizado por Brown.

Mais importante, aplicando a Mecânica Newtoniana para a descrição desse movimento errático, Einstein pode fazer certas previsões quantitativas sobre o comportamento estatístico desse movimento, por exemplo, o quanto um grão de polén distancia-se em média de sua posição de origem à medida em que o tempo cresce. Essas previsões foram posteriormente confirmadas experimentalmente, conduzindo, por exemplo, a uma medida bastante precisa do número de Avogadro.

Esse trabalho de Einstein, publicado em maio de 1905, é de importância fundamental para a Física Estatística, tendo servido historicamente para derrubar as últimas resistências presentes no meio científico à crença na existência de átomos e moléculas.