• Começa com um estrondo

O segredo para se tornar um excelente físico

É literalmente o único truque que separa os físicos de alto nível de malucos, desistentes e daqueles que não conseguem cortar a mostarda.

Principais conclusões

• Quando a maioria das pessoas pensa em um grande físico, pensa em Einstein, muitas vezes ao lado de sua famosa citação: 'A imaginação é mais importante que o conhecimento'.
• Físicos profissionais, físicos de poltrona e leigos, todos têm idéias extravagantes e imaginativas sobre como o mundo funciona, mas muito poucas idéias merecem um exame sério.
• Isso não é por causa de preconceito, gatekeeper, mente fechada ou dogmatismo. É porque a experiência que você ganha ao se tornar um físico de qualidade ensina como separar o absurdo.

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Em todo o mundo, jovens adultos estão trabalhando duro para tornar seus sonhos realidade. Para muitos estudantes nos níveis de graduação e pós-graduação, esse sonho envolve desvendar os segredos do Universo, levando-nos além de nossa compreensão atual e além dos Modelos Padrão de física de partículas e cosmologia. Por gerações, os estudantes aspirantes sonharam em se tornar o próximo Heisenberg, Bohr, Dirac, Einstein ou mesmo Newton, acreditando que poderiam ter, dentro de suas mentes, o “molho secreto”, seja ele qual for, para liderar a próxima revolução no mundo. física.

A maioria deles, infelizmente, acaba não fazendo nada disso. As revoluções na física são extraordinariamente difíceis de iniciar, e por uma boa razão: após séculos de trabalho teórico e experimental de milhares e milhares de mentes brilhantes e competentes, os atuais modelos de consenso são fortes e robustos o suficiente para serem extremamente difíceis de igualar em termos de sucesso, muito menos superar. Embora inúmeras ideias sejam abundantes, a evidência crítica que apoiaria qualquer uma delas é extremamente deficiente. Nas fronteiras da física, todos ainda estamos esfaqueando no escuro.

Mas enquanto os excelentes físicos que fazem o esfaqueamento o fazem com o equivalente a facas afiadas, outros têm o equivalente a morcegos nerf e nem percebem a diferença. Na maioria dos casos, é porque eles nunca aprenderam o segredo para se tornar um excelente físico. Aqui está a lição que eles precisam aprender.

A luz nada mais é do que uma onda eletromagnética, com campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase perpendiculares à direção de propagação da luz. Quanto menor o comprimento de onda, mais energético é o fóton, mas mais suscetível ele é a mudanças na velocidade da luz através de um meio. Uma das grandes realizações de Einstein foi baseada nessa compreensão da luz como uma onda.

Quando a maioria das pessoas pensa em avanços na física, elas pensam em ideias verdadeiramente revolucionárias. Eles pensam em Einstein e suas ideias – ou experimentos mentais – que ninguém havia concebido antes dele.

• Eles pensam na noção de Einstein de “montar uma onda de luz”, e como seria ver campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase aparecendo e desaparecendo com uma amplitude específica, e como tais fenômenos não existem: o experimento de pensamento que levou-o ao princípio da relatividade e à constância da velocidade da luz.
• Eles pensam na noção de que, à medida que os objetos se movem a velocidades que os aproximam da velocidade da luz, sua energia cinética aumenta dependendo do seu referencial, mas em todos os referenciais, uma porção específica dessa energia permanece a mesma: permitindo que Einstein derivasse a ideia de uma energia de massa de repouso e sua equação mais famosa : E = mc² .
• E eles pensam no que o próprio Einstein chamou de “seu pensamento mais feliz”, ou a noção de que, de dentro de uma sala fechada, você não pode dizer se está experimentando a atração descendente da gravitação ou a reação de igual e oposta de um impulso constante. , ou aceleração. Esse pensamento levou ao princípio da equivalência de Einstein, que por sua vez eventualmente deu origem à Teoria Geral da Relatividade de Einstein .

O comportamento idêntico de uma bola caindo no chão em um foguete acelerado (esquerda) e na Terra (direita) é uma demonstração do princípio de equivalência de Einstein. Se a massa inercial e a massa gravitacional forem idênticas, não haverá diferença entre esses dois cenários. Isso foi verificado em ~ 1 parte em um trilhão para matéria, mas nunca foi testado para antimatéria.

É quase como se uma pessoa, mesmo vinda de fora da escola dominante do pensamento científico, pudesse quase sozinha derrubar as principais ideias em um campo científico moderno e anunciar uma revolução que nos leva a uma reconceção radical de como o Universo funciona. O próprio Einstein parecia concordar com essa noção, pois você pode encontrar sua famosa citação, “A imaginação é mais importante que o conhecimento”, praticamente em qualquer lugar que você olhe.

Mas isso não reconhece a verdadeira extensão do trabalho de fundo que foi necessário para Einstein empreender, por conta própria, antes que qualquer um desses pensamentos revolucionários pudesse sequer começar a entrar em sua cabeça. Ignora o fato de que Einstein foi à escola, aprendeu física e até estudou com um dos grandes matemáticos e físicos de seu tempo: Hermann Minkowski. Ignora o fato de que o próprio Einstein, mesmo depois de deixar a escola, formou sua própria academia para estudar física em que ele e seus colaboradores trabalharam com os meandros e consequências de várias vias de pensamento.

E até ignora o contexto de Citação completa de Einstein , que estados ,

“Sou artista o suficiente para desenhar livremente em minha imaginação. Imaginação é mais importante que conhecimento. Pois o conhecimento é limitado, enquanto a imaginação circunda o mundo.”

Esta ilustração mostra a precessão da órbita de um planeta ao redor do Sol. Uma quantidade muito pequena de precessão é devido à Relatividade Geral em nosso Sistema Solar; Mercúrio tem uma precessão de 43 segundos de arco por século, o maior valor de todos os nossos planetas. Noutras partes do Universo, o buraco negro secundário de OJ 287, de 150 milhões de massas solares, tem uma precessão de 39 graus por órbita, um efeito tremendo!

A chave que a maioria das pessoas não vê na citação de Einstein é que um certo nível de conhecimento – um nível que escapa à maioria das pessoas que não gastam o tempo e a energia necessários para obtê-lo – é necessário, como pré-requisito, para entender completamente o que nosso moderno concepção do Universo é e não é bem sucedida em fazer. Esse conhecimento, é claro, não o levará a nenhuma nova percepção notável por si só; para isso, a imaginação também é necessária, mas é a imaginação que é informada por um conhecimento básico abrangente de onde estamos hoje e como chegamos a conhecer as coisas que realmente sabemos de forma significativa.

A imaginação é mais importante do que o conhecimento no que diz respeito a novos avanços, no sentido de que se você tem duas mentes equivalentes com igual conhecimento de física, mas uma é extremamente imaginativa e a outra apenas limita seus pensamentos ao que nossa compreensão atual já revelou para nós, o imaginativo tem muito mais probabilidade de abrir um caminho revolucionário do que aquele que restringiu sua imaginação. Idéias ótimas e novas muito raramente emergem de tomar o que é conhecido e extrapolar para o próximo passo lógico minimamente imaginativo. A imaginação é necessária e não há substituto para esse ingrediente-chave.

Um mural das equações de campo de Einstein, com uma ilustração da luz curvando-se ao redor do sol eclipsado, as observações que validaram a relatividade geral pela primeira vez em 1919. O tensor de Einstein é mostrado decomposto, à esquerda, no tensor de Ricci e no escalar de Ricci. Novos testes de novas teorias, particularmente contra as diferentes previsões da teoria anteriormente predominante, são ferramentas essenciais para testar cientificamente uma ideia.

Mas enquanto a imaginação é desejável para criar ideias revolucionárias, um conhecimento fundamental das teorias e ideias físicas que nos levaram ao nosso consenso científico atual é absolutamente obrigatório. Muitos estudantes - antes de iniciar seu curso de graduação, enquanto buscam seu diploma de bacharel, ao considerar escolas de pós-graduação, ou enquanto um estudante de pós-graduação - subestimam a importância de obter esse conhecimento, superestimam sua confiança em sua intuição física (não totalmente formada) , e não reconhecem o passo crítico necessário para se tornar um excelente físico.

Esse passo chave?

É a própria simplicidade: você se torna bom em física resolvendo problemas de física . É isso: esse é o segredo. Se você quiser se tornar competente em física, resolverá problemas de física na área que deseja aprender.

Quer aprender mecânica clássica? Aprenda a formular a configuração de um problema, anote as equações que descrevem o problema, trabalhe nas etapas de resolução dessas equações para chegar a soluções fisicamente relevantes e use essas soluções para descobrir o comportamento esperado do sistema que você está considerando.

Os níveis de energia e funções de onda de elétrons que correspondem a diferentes estados dentro de um átomo de hidrogênio, embora as configurações sejam extremamente semelhantes para todos os átomos. A maneira como os átomos se unem para formar moléculas e outras estruturas mais complexas é uma tarefa desafiadora quando se começa a partir de partículas e interações fundamentais, mas entender o básico é como construímos para explicar sistemas mais complexos.

Quer aprender eletromagnetismo? Mesma coisa: aprenda a identificar seus conhecidos e desconhecidos, como relacioná-los através de uma série de equações e condições de contorno, como resolver esse sistema de equações e como extrair quantidades mensuráveis ​​e observáveis ​​que revelam sua resposta prevista.

É a mesma história com a mecânica quântica, física nuclear e de partículas, astrofísica, cosmologia, geofísica ou qualquer outro sistema físico que você ouse considerar. Você aprende física resolvendo problemas; somente através dessa via específica de explorar quais consequências físicas surgem sob certas condições específicas você pode desenvolver a intuição necessária para trazer uma compreensão dos tipos de sistemas físicos que deseja considerar. Isso é verdade tanto experimental quanto teoricamente, pois ambas as classes de física necessitam de seu próprio conjunto de conhecimentos e seu próprio conjunto único de experiências para obtê-lo.

Se você quer aprender a ser um bom nadador, entre na água e nade. Se você quer aprender a pintar, pegue os pincéis e a tela e pinte. Se você quer aprender a tocar piano, sente-se na frente de um piano e comece a tocar essas teclas. E se você quiser aprender a fazer física, quebre os conjuntos de problemas ou os aparatos experimentais e comece a resolver problemas de física.

Os resultados mais recentes da iteração XENONnT da colaboração XENON mostram claramente um plano de fundo ~5x aprimorado sobre o XENON1T e demolim completamente qualquer evidência de um excesso de sinal de baixa energia que havia sido visto anteriormente. É um tremendo triunfo para a física experimental.

É isso. Esse é o grande segredo: se você quer se tornar competente em física, precisa enfrentar problemas de física e se tornar adepto das ferramentas e técnicas necessárias para resolvê-los. Na história da física, isso tem sido uma marca registrada de absolutamente todos que fizeram uma contribuição significativa: experimentalmente ou teoricamente ou na interseção de ambos. Sem experiência suficiente na resolução de problemas, você simplesmente não pode se tornar um físico competente, pois somente através do ato de resolver esses problemas-chave você desenvolverá as habilidades necessárias para se tornar competente nesse empreendimento.

Todos nós temos dons e talentos, mas um dos rudes despertares que muitos estudantes de física recebem em algum momento de sua jornada educacional é que não importa seus dons e talentos, não há substituto para o desenvolvimento das habilidades necessárias. A resolução de problemas é algo em que você pode ser talentoso, com certeza, mas todos nós precisamos praticar na resolução desses problemas para ganhar uma competência e uma familiaridade – e eventualmente desenvolver uma intuição que não o desvie – quando se trata de qualquer área específica da física. Se você não se dedicar a esse tipo específico de trabalho, nunca desenvolverá o aspecto mais importante de se tornar bom em física: entender a relação quantitativa entre diferentes fenômenos e efeitos físicos.

Dois pêndulos duplos, começando com um balanço inicial indistinguível do idêntico, rapidamente se tornarão caóticos, exibindo um comportamento muito diferente e impraticável de prever entre os dois. No entanto, resolver o conjunto certo de equações acopladas nas condições certas pode revelar esse comportamento caótico: um detalhe importante para quem tenta entender isso em um contexto de pesquisa.

Muitos alunos ficam perplexos ao ouvir esse conselho aparentemente óbvio, pensando que já o estão seguindo conforme indicado ao tentar o dever de casa designado. Embora você receba crédito parcial por isso, o conselho principal - você se torna bom em física resolvendo problemas de física - tem um corolário importante: você precisa aprender uma quantidade maior de física do que a física que encontraria simplesmente passando por sua tarefa de casa. .

Você precisa aprender a física em seu livro de física, por exemplo. A maioria dos alunos acredita, erroneamente, que se você ler o livro e consultar várias seções dele, conforme necessário, enquanto resolve seus problemas de lição de casa, isso é suficiente. Em vez disso, eu recomendaria o seguinte curso de ação.

1. Leia a seção relevante do livro antes de assistir à palestra que cobrirá o material do livro, incluindo fazer anotações e escrever as equações que aparecem.
2. Quando você for à sua palestra, anote tudo o que o instrutor anotar, incluindo qualquer coisa que eles digam que você ache relevante/interessante que eles não anotem.
3. Depois de sua palestra - e antes de fazer sua lição de casa - passe pela seção relevante de seu livro junto com suas anotações de aula, e desta vez certifique-se de que você pode trabalhar passo a passo em todos os problemas que foram resolvidos e/ou trabalhados no palestra e na seção relevante do livro.
4. E então, só então, depois de ter feito tudo isso, você deve ir fazer sua lição de casa.

Uma foto de Ethan Siegel na hiperparede da American Astronomical Society em 2017, junto com a primeira equação de Friedmann à direita. A primeira equação de Friedmann detalha a taxa de expansão do Hubble ao quadrado como o termo mais à esquerda no lado esquerdo, que governa a evolução do espaço-tempo. Os termos mais à direita desse lado incluem todas as diferentes formas de matéria e energia, enquanto o lado direito detalha a curvatura espacial, que determina como o Universo evolui no futuro. Resolver esta equação sob uma variedade de condições ajuda a entender precisamente como o Universo em expansão se comporta.

Se isso soa como muito trabalho, eu encorajo você a se fazer esta pergunta: o que você espera obter com uma educação em física? Porque tudo que você vai conseguir é diretamente proporcional ao trabalho que você faz. Quanto mais tempo você gasta com as equações, configurando-as corretamente sob uma variedade de condições físicas, resolvendo o sistema de equações relevante para encontrar as quantidades desconhecidas com base sobre o que você pode saber/medir e, em seguida, comparando essas previsões com algo que é mensurável, mais capaz você será de modelar de forma correta e útil um novo sistema recém-considerado.

Existem muitas outras atividades, muitas das quais valem o tempo e o investimento de esforço, que podem ajudá-lo a melhorar em física, além de configurar e resolver conjuntos de problemas relevantes.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

• Você pode ler livros, incluindo relatos profundos e populares de vários tópicos, muitas vezes voltando às fontes originais onde a ideia em que você está interessado foi apresentada pela primeira vez.
• Você pode ler artigos de revisão e anais de conferências, que normalmente oferecem uma visão mais ampla, moderna e acessível de um novo campo do que um livro ou fonte original.
• Você pode trabalhar com livros-texto especializados, particularmente aqueles que o orientam pelas equações relevantes para os problemas que você está considerando.

Mas, mais uma vez, se você não descobrir as partes quantitativas por si mesmo, estará se prejudicando em um nível intelectualmente fundamental.

É possível escrever uma variedade de equações, como as equações de Maxwell, que descrevem o Universo. Podemos escrevê-los de várias maneiras, mas somente comparando suas previsões com observações físicas podemos tirar qualquer conclusão sobre sua validade. É por isso que a versão das equações de Maxwell com monopolos magnéticos (direita) não corresponde à realidade, enquanto as sem (esquerda) sim.

Como físico, muitas vezes você receberá solicitações de pessoas que dizem coisas como: “Tenho uma ideia, só preciso de alguém para me ajudar com a matemática/detalhes”. Mas a menos que você seja alguém que tenha trabalhado com os detalhes quantitativos encontrados em uma variedade de sistemas físicos por si mesmo – provavelmente corrigindo uma vasta gama de equívocos que você tinha antes de aprender as lições que se aprende fazendo precisamente esse trabalho duro e quantitativo – você tem não há como avaliar se sua ideia faz sentido, muito menos se tem algum mérito.

Você aprende física resolvendo problemas e, por extensão, se não resolveu os problemas relevantes, quase certamente não aprendeu física o suficiente para poder avaliar uma ideia de maneira significativa. Uma grande parte do aprendizado de física envolve desiludir-se das noções que você possuía antes de aprender as valiosas lições que só podem ser aprendidas fazendo aquele trabalho difícil, necessário e quantitativo para ver quais efeitos importam, e quanto, sob uma variedade de circunstâncias. A imaginação pode ser mais importante que o conhecimento, mas um nível fundamental de conhecimento é absolutamente necessário para que seus pensamentos imaginativos sejam relevantes para o Universo em questão. Você aprende física resolvendo problemas, e essa é a chave secreta para alcançar a excelência nesse campo científico específico.

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