Esta área estuda os fenômenos e as estruturas da natureza, procurando descrevê-los através de leis gerais. Abrange desde partículas subatômicas até o Universo em grande escala e busca saber como tudo foi formado.
Astrônomos estudam o Universo, os corpos celestes e as galáxias. Utilizam conhecimentos de física e matemática para observar e calcular suas trajetórias. Trabalham em horários não convencionais, já que a observação noturna é necessária. Viagens também podem ser freqüentes, pois certos eventos - como um eclipse solar - são mais bem observados em determinadas regiões, que podem ser distantes. Observatórios são muitas vezes localizados em regiões de montanhas e afastados dos grandes centros urbanos, onde a observação do céu não é prejudicada por poluição e luzes das cidades.
O profissional de física pode se especializar, entre outras opções, em astrofísica, que estuda as características físicas dos astros, como massa, densidade, composição, tamanho, origem e evolução. As áreas da astrofísica e da cosmologia evoluíram muito com o envio dos satélites artificiais e telescópios que orbitam a Terra e que permitem pesquisar o comportamento desse universo em escalas não imaginadas há tempos.
A indústria aeroespacial também está crescendo no mundo inteiro, assim como as pesquisas nesse setor. É um bom nicho de mercado. No Brasil, o Instituto de Tecnologia Aeronáutica (ITA) é um espaço interessante e oferece diversos cursos de especialização. O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) é outro centro de qualidade em desenvolvimento científico-tecnológico e de formação nessa área.
A física tem uma inserção enorme, inclusive no mercado financeiro. Hoje, são utilizados na economia modelos matemáticos que foram originalmente usados para descrever fenômenos caóticos e críticos encontrados no estudo de materiais.
Por exemplo: uma das coisas mais importantes que se faz em um sistema de física é estudar transições de fase, entender como os sistemas mudam de estado. O gelo vira água, por exemplo, por causa da absorção de calor. Isso é uma transição de fase: uma fase que era sólida e se tornou uma fase liquida. Em geral, transições de fase envolvem modelos matemáticos críticos e caóticos, nos quais se usa a teoria do caos. Descobriu-se, então, que as mesmas ferramentas que serviam para descrever fenômenos críticos servem para descrever o comportamento do mercado de ações, por exemplo, para fazer previsão de cenários econômicos. Hoje, existem muitos físicos trabalhando no mercado financeiro, contratados por bancos, fazendo prospecções e previsões.
Outra área importante é a física aplicada a fenômenos biológicos, chamada de biofísica, que tem como prática a construção de modelos, métodos e técnicas para compreender a intrincada rede de interações da matéria viva. A área está em franca expansão, considerando o potencial estratégico do material biológico. Este profissional aprenderá a aplicar esses modelos, métodos e técnicas de análise para explicar o comportamento do sistema vivo. Vai atuar no estudo de problemas que envolvem os mecanismos de ação de moléculas biológicas, tais como proteínas, ácidos nucleicos, carboidratos, lipídios, as implicações dessas propriedades nas suas funções e suas inter-relações com o meio no qual desempenham suas funções em micro e macroescala, desde das células, tecidos e órgãos até o ser vivo completo.
Atuando na interface com as ciências da vida, o biofísico precisa de uma formação interdisciplinar, que permita a troca de ideias e experiências para a resolução de problemas complexos. Geralmente, ele atua em equipes integradas por vários profissionais de áreas diferentes, como biólogos, bioquímicos, agrônomos, médicos ou profissionais de informática. O físico atuante nessa área deve ter uma formação sólida em física da matéria condensada para poder aplicá-la aos aspectos moleculares do sistema biológico e em áreas clássicas fenomenológicas da física, tais como: óptica (pois hoje são utilizadas muitas técnicas que envolvem a interação dos material biológico com a luz) e mecânica dos fluidos, para compreender o comportamento das moléculas e das células. Utiliza também muita matemática, bioquímica e termodinâmica.
Física biomolecular
A biotecnologia inaugurou, nas últimas décadas, uma verdadeira revolução na medicina, na agricultura e até mesmo no comportamento das pessoas, utilizando técnicas capazes de, literalmente, mudar a natureza dos seres vivos. A área requer um conhecimento aprofundado das leis físicas e químicas que governam a formação, a estrutura e as propriedades das moléculas biológicas e suas interações em nível celular.
O Brasil hoje está em posição de destaque na genômica mundial - o sequenciamento de genes e suas derivações biotecnológicas. Os profissionais da área biomolecular são inovadores e trabalham no desenvolvimento de tecnologias em indústrias do setor farmacêutico, biomédico e agroindustrial. Se tiver espírito empreendedor, este físico pode abrir sua própria empresa de consultoria em planejamento e modelagem de medicamentos, engenharia genética de proteínas, biomateriais, nanobiotecnologia e bioinformática.
A computação é um campo bastante promissor para os físicos. A chamada "arquitetura de informação" - que envolve a organização e rotulação de web sites, intranets e comunidades online, entre outros - oferece grandes oportunidades.
Esta é uma área que atua na interface entre a física, a computação e a matemática, examinando teorias e criando modelos capazes de explicar fenômenos e inovar tecnologias. A área requer uma ampla base sobre funcionamento, operação e programação de computadores, com ênfase na modelagem de problemas físicos que possam ser resolvidos com o auxílio de computação. Na base dessas aplicações está a capacidade dessas máquinas para fazer muitos cálculos em pouco tempo, armazenar e processar grande quantidade de dados, resolver numericamente expressões sem solução matemática, além de trabalhar por grandes intervalos de tempo, sem parar. Assim, os computadores facilitam a coleta de dados em experimentos, dão maior precisão a problemas científicos complexos e permitem a realização de experimentos virtuais, que não poderiam ser realizados em laboratório.
O mercado de trabalho para estes especialistas inclui desde universidades e institutos de pesquisa até empresas do setor financeiro, indústria aeronáutica, automobilística e de telecomunicações e fabricantes de games e software em geral. A indústria é um setor que emprega cada vez mais físicos computacionais. No desenvolvimento de aeronaves e automóveis, o uso de simulações pode, por exemplo, determinar as características aerodinâmicas. Empresas de radiodifusão, por outro lado, podem simular a radiação eletromagnética de antenas para projetar sistemas adaptados a novas bandas de transmissão.
Também tem crescido a aplicação de física computacional em empresas financeiras, interessadas em modelagens estatísticas para traçar o perfil do público consumidor e, assim, fazer previsões de comportamento do mercado, facilitando o aprimoramento de estratégias comerciais. Além dessas áreas emergentes, físicos computacionais podem atuar em qualquer das áreas tradicionais da física experimental e teórica. Para essa área, o físico precisa ter um bom domínio de linguagens de programação e entender também do hardware dos computadores.
O estudo da matéria condensada é muito promissor. Esta área estuda o comportamento dos elétrons nos materiais sólidos. São as propriedades eletrônicas que definem características como dureza e capacidade de transporte de corrente dos materiais, propriedades que são exploradas na fabricação de dispositivos eletrônicos modernos. Um dos materiais mais estudados em física da matéria condensada são os semicondutores.
É uma área de grande interesse tanto na pesquisa básica quanto na aplicada, que vem progredindo muito nos últimos anos. Hoje se pode criar um novo material substituindo dispositivos e procedimentos de fabricação. Um exemplo disso é a miniaturização dos equipamentos do nosso cotidiano, como computadores e telefones celulares, objetos que, no passado, eram enormes ou nem existiam e que hoje estão à disposição de todos em dimensões diminutas, em função das propriedades eletrônicas dos materiais serem manipuladas em escalas cada vez mais reduzidas.
A perspectiva é de que os computadores cheguem à escala atômica. Nessa escala se pode construir outras formas lógicas de processamento, porque as propriedades da matéria na escala atômica são muito diferentes da escala macroscópica, ou seja, visível a olho nu. Ocorrem fenômenos quânticos, que são muito pouco intuitivos no nosso dia a dia. Os pesquisadores que exploram as propriedades quânticas da matéria constroem uma nova lógica que leva à chamada computação quântica.
O computador quântico ainda é uma máquina hipotética, não foi produzido, mas quando isso ocorrer vai representar uma verdadeira revolução em algumas funções que são executadas com bastante dificuldade nos computadores atuais. E para que ele venha a existir é necessária a pesquisa com materiais semicondutores, de que trata a área de matéria condensada.
Todas as coisas que conhecemos em nosso universo são compostas por átomos, que se juntam para formar moléculas. Toda a diversidade de propriedades e características dos materiais, inorgânicos ou orgânicos, decorre estritamente da maneira como esses átomos se organizam em moléculas. Estamos vivos porque temos moléculas que interagem com outras moléculas.
Um ovo, por exemplo, é cozido através da energia térmica oferecida pela fervura. Depois de cozido, ele jamais será capaz de gerar um pintinho. Não mudou nada na matéria, não mudou nada na composição dentro do ovo, porque todas as moléculas que estavam ali continuam sendo exatamente as mesmas. O que é que mudou? Mudou a estrutura que cada uma dessas moléculas tinha.
Todos os materiais têm as suas propriedades decorrentes de sua estrutura, da maneira que a matéria está organizada. Entender a estrutura da matéria, como as moléculas se juntam para formar outras moléculas e como as moléculas se organizam nos materiais complexos é uma maneira de entender o universo. Quando a estrutura muda, muda o comportamento da molécula. Este conhecimento pode ser aplicado no desenvolvimento de novos materiais.
O físico de materiais atua na caracterização e no desenvolvimento de novos materiais, por isso também precisa ter bom conhecimento de física do estado sólido e de técnicas de caracterização, tais como difração de raio-X e microscopia eletrônica. Um das áreas de atuação é a nanotecnologia, que é o desenvolvimento de materiais em nanoescala. Nessa escala, os materiais apresentam novos fenômenos que são de interesse para novos dispositivos. Além disso, o físico dessa área pode atuar na interface com as ciências da vida, no desenvolvimento de biomateriais que podem atuar como próteses e implantes, por exemplo. É uma área também muito correlacionada com a química.
Uma das maneiras de se estudar a estrutura das moléculas é cristalizando-as e fazendo nesses cristais análises por difração de raios-X. Com a técnica de cristalografia se pode fazer uma figura, como se fosse uma fotografia, daquela molécula. Hoje em dia já se pode até fazer co-cristalização: cristalizar uma molécula de interesse biológico com outra de interesse farmacológico, por exemplo. Mistura-se as duas e se elas se co-cristalizarem, gerando cristais, poderemos ver como essas moléculas interagem, pelo menos no estado sólido.
Física dos recursos hídricos
A vida surgiu dos oceanos, em grandes profundidades com temperaturas altas, impulsionando o aparecimento de moléculas e seres vivos. Quando lembramos que mais de 70% da superfície da Terra estão recobertos por oceanos e que um dos grandes problemas da humanidade é a falta de água, percebemos o paradoxo em que vivemos. Não é que não tenhamos água, mas sujamos a água que temos. No Brasil, 70% de toda água é gasta para o agronegócio, o que acaba sujando-a e limpá-la é muito caro. Essa é uma questão crucial para o futuro do homem no planeta.
A física dos recursos hídricos, portanto, lida com um problema dos mais fundamentais. Uma das linhas de pesquisa é chamada de osmose reversa, que propõe uma maneira de dessalinizar a água dos mares e fazê-la ficar pura. Essa pode ser uma solução para a agricultura, que precisa garantir a alimentação da crescente população mundial.
Os físicos, químicos e biólogos precisam pensar em água - na física oceanográfica, na química dos oceanos. Nas profundezas dos oceanos estão certamente inúmeras riquezas, como minérios, plantas e animais. O Brasil tem 8 mil quilômetros de costa e 200 milhas do território brasileiro fazem parte da plataforma oceanográfica, aumentando o território nacional em 30%. Quem se preocupa com o futuro deve considerar a física oceanográfica como uma opção de carreira.
A Física médica aplica os conceitos, leis, modelos, agentes e métodos da física para a prevenção, diagnóstico e tratamento de doenças, desempenhando uma importante função na assistência médica, na pesquisa biomédica e na otimização da proteção radiológica. É a base para o desenvolvimento das modernas tecnologias que vêm revolucionando o diagnóstico médico e estabelecendo os critérios para a correta utilização dos agentes físicos empregados na medicina.
O desenvolvimento mais importante da física médica até hoje partiu do descobrimento do raio-X e da radioatividade. Eles desempenham uma função essencial nas atuais técnicas de diagnóstico e de tratamentos médicos. A importância dessas técnicas gerou a necessidade de incorporar profissionais de física médica aos grandes hospitais e clínicas, sendo eles indispensáveis na utilização de tecnologias de ponta - como ressonância magnética nuclear, ultrassom para imagem e terapia, uso de partículas radioativas para o tratamento do câncer, tomografias de emissão e transmissão para produção de imagens para diagnóstico, entre outros, assim como na garantia da qualidade dos serviços de saúde prestados à sociedade.
A energia nuclear surgiu para a sociedade como causadora de catástrofes, sendo utilizada para a geração de bombas nucleares. Mas hoje existem países que não poderiam sobreviver se não fizessem o adequado uso da energia nuclear. Alguns dos países mais expressivos da Europa, como a França, dependem da exploração da energia nuclear, que é uma das formas mais limpas de energia que se pode ter, porque é a energia que estava lá na origem do Universo. Convivemos com a energia nuclear, é bom lembrar, desde a formação do planeta.
A tecnologia nuclear pode continuar a contribuir para futuras ofertas de energia de baixo teor de carbono, desde que questões significativas como a proliferação de armas, disposição de resíduos, custo e segurança pública sejam consideradas e tratadas adequadamente.
Dada a controvérsia sobre o futuro da energia nuclear no mundo, a Organização das Nações Unidas (ONU) devem se encarregar - o quanto antes - de um reexame transparente e objetivo das questões que envolvem energia nuclear e suas soluções potenciais. É essencial que o público em geral seja informado sobre os resultados desse reexame. O setor privado e comunidade de ciência e tecnologia (C&T) devem continuar os esforços de pesquisa e desenvolvimento que visem melhorar a segurança de reatores e desenvolver soluções de gerenciamento seguro de resíduos. Os governos devem providenciar a substituição da frota atual de antigos reatores envelhecidos por modelos modernos e mais seguros.
Na área de óptica e fotônica, as oportunidades são especialmente promissoras, com a geração de novos postos de trabalho e investimentos em transferência de tecnologia para o setor produtivo. Telecomunicações, saúde, sensoriamento, iluminação e energia, defesa nacional, controle ambiental e produção industrial são alguns dos setores que utilizam conhecimentos dessa área.
As linhas de comunicação através de fibras ópticas, os satélites que orbitam no espaço fotografando nosso planeta e observando o Universo e vários dos equipamentos de diagnóstico utilizados hoje na medicina não seriam possíveis sem o conhecimento dos profissionais da física óptica. Até mesmo os relógios mais precisos atualmente utilizam técnicas de óptica para funcionar. O estudo da luz e de sua interação com a matéria tem tantas aplicações que seria praticamente impossível descrever todas elas nesse texto. De uma simples fotografia ao estudo de átomos frios e do computador quântico, tudo faz uso do conhecimento da óptica.
Uma técnica nova desenvolvida na física óptica aplicada à biologia é a de pinças óticas - uma pinça de luz feita com laser que faz a mesma coisa que uma pinça mecânica, prende objetos. No caso, os objetos são células e micropartículas, que podem ter então suas propriedades mecânicas estudadas. A pinça ótica tem várias aplicações como, por exemplo, deformar uma célula óssea e assim provocar a produção de cálcio para então estudar como esta produção, permitindo que esse processo seja analisado. Também é possível avaliar a atuação de um fármaco nas propriedades mecânicas de uma célula através desse tipo de procedimento. Podem ser aplicadas na pesquisa sobre células sanguíneas, tanto para se estudar as propriedades mecânicas de hemácias e sua consequência no desempenho da sua função na corrente sanguínea, como no estudo de leucemias, ora para a diferenciação entre as células normais e células neoplásicas (doentes), ora na diferenciação das células dos tipos mais comuns de leucemia.
A biofotônica é uma área de aplicação da física óptica que desenvolve, principalmente, técnicas de diagnóstico e tratamento para várias doenças, especialmente o câncer. Através dessas técnicas, pode-se injetar numa pessoa, por exemplo, uma substância que seja excitada pela luz, produzir uma fotorreação e matar somente as células malignas; essa é a chamada "Terapia Fotodinâmica". É uma área de grande relevância social, com mercado de trabalho amplo em empresas, podendo gerar produtos, benefícios e riqueza para a nação.
A área de biofotônica tem uma demanda muito grande, pois outros cientistas precisam de máquinas melhores para fazer sequenciamento de DNA, por exemplo, de forma mais rápida e barata. Precisam de máquinas para descontaminar materiais, de tecnologia para o controle microbiológico e tratamento das doenças. Mas atenção: toda área de ciência aplicada só se desenvolve a partir da ciência básica. Isso é uma característica importante da física, pois tudo muda, exceto as leis básicas. Se o pesquisador conhece bem aquelas leis, ele poderá aplicá-las de formas distintas para o desenvolvimento de novos materiais e tecnologias.
Vivemos em um mundo cuja dimensão chamamos de macroscópica porque, para nós, os seres e os objetos ao redor tem tamanho da ordem do metro. Os efeitos que observamos nesse mundo macroscópico é o resultado da combinação de muitos efeitos que estão acontecendo em nível atômico molecular, ou seja, em nível microscópico. E, para poder explicar o mundo macroscópico, precisamos mergulhar no mundo microscópico. E para fazê-lo, precisamos da mecânica quântica.
Na física quântica trabalham químicos, físicos, biólogos, engenheiros, matemáticos. Ela estuda o que acontece no mundo microscópico. Essa é uma área que compreende as regras mais íntimas da natureza, na qual apenas a matemática consegue traduzi-las. Embora a química explique muito bem as ligações químicas, quando se chega bem de perto, se vê que há algo a mais. Por que os átomos ficam juntos? Que nova ciência aparece nessa escala? Estas são algumas das questões colocadas ao físico quântico.
Na época em que foi desenvolvida, em torno de 1920, ninguém ainda sabia qual seria a finalidade da física quântica. Mas foi ela que deu origem ao transistor e ao laser. Quando o laser foi inventado, diziam que ele era a solução em busca de um problema - ninguém sabia pra que ele serviria. Hoje, o laser tem aplicações na medicina, no tratamento de câncer de pele e catarata, na cirurgia de miopia, na técnica de ressonância magnética nuclear, tão útil em diagnósticos e tratamento de doenças, na leitura de CDs e DVDs e muitas outras.
A área de informação quântica estuda como a física quântica afeta a transmissão de informação e a computação. Tem a ver com a computação quântica, que abre a possibilidade de serem construídos novos computadores que funcionem de acordo com os princípios da física de partículas intra-atômicas. Esses seriam computadores mais rápidos do que os usuais, que se baseiam, principalmente, nas leis da física clássica.
A criptografia é a ciência responsável pela criação de códigos invioláveis. Atualmente, é baseada na dificuldade de fatorar números muito grandes. Isto significa que as operações de segurança na internet, relativas a contas bancárias ou compras online, têm sua segurança garantida por conta dessa dificuldade.
Com a constante evolução tecnológica, é natural que, em um futuro mais ou menos próximo, a fatoração de números naturais de grandes dimensões seja efetuada mais facilmente, tornando esse método de criptografia pouco seguro. A área de informação quântica oferece uma solução alternativa para esse problema: a criptografia quântica, onde se utilizam princípios fundamentais da mecânica quântica para a troca segura de chaves criptográficas. Neste caso, um eventual espião que tentasse obter informação sobre o estado físico responsável por gerar a chave perturbaria tanto esse estado que ele seria imediatamente detectado. O desenvolvimento de técnicas de criptografia quântica voltaria a oferecer, nesse sentido, uma garantia de segurança online.
Os efeitos do ambiente, como a temperatura, podem destruir as propriedades quânticas e transformar os computadores quânticos em computadores clássicos, prejudicando seu poder. É importante conhecer bem esses aspectos para que se possa realmente, um dia, construir computadores quânticos robustos o suficiente para manter sua eficiência em todo tipo de ambiente.
E não existe só a física aplicada interdisciplinar. Há também muitas possibilidades para aqueles que gostam de modelagem matemática, os físicos teóricos - importantíssimos. A física teórica utiliza modelos matemáticos e conceitos físicos, junto com técnicas de dedução como a lógica e a análise crítica com o objetivo de explicar de modo racional e prever os fenômenos físicos. Antigamente, não havia diferença entre a física teórica e a experimental. Ela só surgiu com a especialização das áreas.
Apesar da separação, é fundamental o trabalho conjunto do físico teórico com o físico experimental. É como um time de futebol, que precisa do centroavante, mas também do goleiro. Dessa forma, a teoria formulada pela física teórica é alimentada por dados obtidos em experiências que oferecem explicações para os dados existentes e preveem novos efeitos e fenômenos que possam ser testados experimentalmente.