تعرف معنا على تفاصيل علم الفيزياء المذهل
محتويات
قد يتبادر إلى ذهنك عند ذكر مصطلح الفيزياء، الكتب المدرسية التي درسناها وبعض القوانين التي استخدمناها في دراستنا الجامعية. لكن الفيزياء هي كل ما يحيط فينا، لا تقتصر على بعض القوانين والنظريات بل تتعدى ذلك لتشمل كل ما نستطيع إدراكه بحواسنا وهذا ما نوضحه في بحث عن الفيزياء في هذا المقال.
مفهوم الفيزياء
الفيزياء هي العلوم التي تتعامل مع بنية المادة والتفاعلات بين المكونات الأساسية للكون المرئي. بالمعنى الأوسع، تهتم الفيزياء (من الفيزياء اليونانية) بجميع جوانب الطبيعة. لا يشمل نطاق دراستها سلوك الكائنات الموجودة تحت تأثير قوى معينة فحسب، بل يشمل أيضًا طبيعة وأصل حقول القوة الجاذبية والكهرومغناطيسية والنووية. هدفها النهائي هو صياغة بضعة مبادئ شاملة تجمع وتشرح كل هذه الظواهر المتباينة.
أي يمكننا القول أن الفيزياء هي علم المادة والحركة والطاقة ويعتمد هذا العلم على التجربة والقياس والتحليل الرياضي بهدف إيجاد قوانين فيزيائية كمية لكل شيء بدءًا من عالم النانو المصغر إلى الكواكب والأنظمة الشمسية والمجرات التي تشغل العالم الكلي.
الفيزياء هي العلوم الفيزيائية الأساسية. حتى وقت قريب إلى حد ما استخدمت الفيزياء والفلسفة الطبيعية بالتبادل للعلم الذي يهدف إلى اكتشاف وصياغة قوانين الطبيعة الأساسية. مع تطور العلوم الحديثة وأصبحت متخصصة بشكل متزايد، أصبحت الفيزياء تشير إلى أن هذا الجزء من العلوم الفيزيائية غير مدرج في علم الفلك والكيمياء والجيولوجيا والهندسة. تلعب الفيزياء دورًا مهمًا في جميع العلوم الطبيعية، ولكل هذه المجالات فروع لها تحظى فيها القوانين والقياسات الفيزيائية بتركيز خاص، تحمل أسماء مثل الفيزياء الفلكية والفيزياء الجيوفيزيائية والفيزياء الحيوية وحتى الفيزياء الفيزيائية. يمكن تعريف الفيزياء، في الأساس، بأنها علم المادة والحركة والطاقة. وعادة ما يتم التعبير عن قوانينها مع الاقتصاد والدقة في لغة الرياضيات.
بحث عن الفيزياء وتاريخها
العديد من الاختراعات التكنولوجية اليومية التي نأخذها الآن كأمر مسلم به نتجت عن اكتشافات في الفيزياء. القوانين الأساسية في الفيزياء عالمية، ولكن الفيزياء في عصرنا هذا مجال واسع لدرجة أن العديد من الحقول الفرعية تُعتبر كعلوم منفصلة.
أسس الإغريق الأوائل أول قوانين فيزيائية كميّة، مثل أوصاف أرخميدس لمبدأ العتلات وطفو الأجسام في الماء. لكنهم لم يجروا تجارب في الواقع.
بحلول القرن السابع عشر، ساعد غاليليو غاليلي وإيساك نيوتن لاحقًا في استخدام الرياضيات كأداة أساسية في الفيزياء، مما أدى إلى تقدم في وصف حركة الأجرام السماوية وقوانين الجاذبية وقوانين الحركة الثلاثة.
في عام 1800 قام كل من فاراداي وماكسويل بتطوير قوانين الكهرباء والمغناطيسية والموجات الكهروميكانيكية.
إن العصر الحديث في الفيزياء قد بدأ في بداية القرن العشرين، عندما تم اكتشاف الأشعة السينية عام 1895، والنشاط الإشعاعي في 1896، واكتشاف بلانك للفرضية الكمومية عام 1900، والنظرية النسبية لآينشتاين عام 1905 ونظرية بوهر الذرية عام 1913.
كما أن ميكانيكا الكم (Heisenberg and Schrödinger)، ابتداء من عام 1926، أعطت العلماء فهمًا أفضل للكيمياء وفيزياء الحالة الصلبة، مما أدى بدوره إلى مواد جديدة ومكونات إلكترونية وبصرية أفضل. أصبحت فيزياء الجسيمات الأولية والفيزيائية مجالات مهمة، وأصبحت فيزياء الجسيمات أساسًا للفيزياء الفلكية وعلم الكونيات.
كلتا التجربتين، ومراقبة الظواهر في ظل ظروف يتم التحكم فيها بأكبر قدر ممكن من الدقة، ونظرية، صياغة إطار مفاهيمي موحد، تلعب أدوارًا أساسية ومكملة في تقدم الفيزياء. تؤدي التجارب الفيزيائية إلى قياسات تُقارن بالنتائج التي تنبأت بها النظرية. يقال إن النظرية التي تتنبأ بشكل موثوق نتائج التجارب التي تنطبق عليها تجسد قانون الفيزياء. ومع ذلك، يخضع القانون دائمًا للتعديل أو الاستبدال أو التقييد بمجال أكثر محدودية، إذا كانت هناك تجربة لاحقة تجعله ضرورياً.
اقرأ أيضاً:
بحث عن الفيزياء وهدفها
الهدف الأساسي للفيزياء هو إيجاد مجموعة موحدة من القوانين التي تحكم المادة والحركة والطاقة على مسافات دون ذرية (مجهرية) صغيرة، وعلى نطاق (عياري) إنساني للحياة اليومية، وإلى أقصى مسافات (مثل تلك الموجودة على مقياس خارج المجرة). وقد تحقق هذا الهدف الطموح إلى حد كبير. على الرغم من أن نظرية موحدة تمامًا للظواهر الفيزيائية لم تتحقق بعد (وربما لن تكون أبدًا)، إلا أن مجموعة صغيرة من القوانين الفيزيائية الأساسية تبدو قادرة على حساب جميع الظواهر المعروفة.
يمكن لجسم الفيزياء الذي تم تطويره حتى مطلع القرن العشرين، والمعروف باسم الفيزياء الكلاسيكية، أن يفسر إلى حد كبير حركات الأجسام المجهرية التي تتحرك ببطء فيما يتعلق بسرعة الضوء ولظواهر مثل الحرارة والصوت والكهرباء، المغناطيسية، والضوء. تعمل التطورات الحديثة في النسبية وميكانيكا الكم على تعديل هذه القوانين بقدر ما تنطبق على السرعات العالية والأجسام الضخمة للغاية وعلى المكونات الأولية الدقيقة للمادة، مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات.
منهجية الفيزياء
تطورت الفيزياء وتستمر في التطور دون أي استراتيجية واحدة. فهو في الأساس علم تجريبي، يمكن أن تكشف القياسات المكررة عن سلوك غير متوقع. من ناحية أخرى، فإن الاستقراء الرياضي للنظريات الحالية في مجالات نظرية جديدة، وإعادة النظر الناقدة في الافتراضات الواضحة ولكن غير المختبرة، والحجة بالتماثل أو القياس، والحكم الجمالي، والحوادث البحتة- تلعب كل منها دورًا (كما هو الحال في كل علم). وهكذا، على سبيل المثال، كانت الفرضية الكمومية التي اقترحها الفيزيائي الألماني ماكس بلانك تستند إلى حالات خروج ملحوظة عن طابع إشعاع الجسم الأسود (الإشعاع المنبعث من جسم ساخن يمتص كل حادثة الطاقة المشعة عليه) من تلك التي تنبأت بها الكهرومغناطيسية الكلاسيكية. تنبأ الفيزيائي الإنجليزي ديراك بوجود البوزيترون في عمل امتداد نسبي لنظرية الكم للإلكترون. افترض الفيزيائي الألماني فولفجانج باولي أن النيوترينو المراوغ، بدون كتلة أو شحن، كان بديلاً عن التخلي عن قوانين الحفظ في عملية الاضمحلال التجريبي. لقد ظن ماكسويل أنه إذا كان تغيير الحقول المغناطيسية يخلق مجالات كهربائية (والتي كان معروفًا بذلك)، فإن تغيير الحقول الكهربائية قد يخلق حقولًا مغناطيسية، مما يؤدي به إلى نظرية الضوء الكهرومغناطيسية. استندت نظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين إلى إعادة النظر الناقد لمعنى التزامن. على الرغم من أن التكتيكات قد تختلف من مشكلة إلى أخرى، إلا أن الفيزيائي يحاول دائمًا جعل المشكلات التي لم يتم حلها أكثر بساطة من خلال إنشاء سلسلة من النماذج المثالية، مع كون كل نموذج متتابع تمثيلًا أكثر واقعية للحالة المادية الفعلية. وهكذا، في نظرية الغازات، يتم تخيل الجزيئات في البداية على أنها جسيمات غير هيكلية مثل كرات البلياردو ذات أبعاد صغيرة تختفي. ثم يتم تحسين هذه الصورة المثالية خطوة بخطوة
مبدأ التناظر
تمت صياغة مبدأ التناظر، وهو مبدأ توجيهي مفيد لتوسيع التفسيرات النظرية، من قبل الفيزيائي الدنماركي نيلز بور في سياق نظرية الكم. ويؤكد أنه عندما يتم تعميم نظرية صالحة على نطاق أوسع، يجب أن تتوافق توقعات النظرية الجديدة مع النظرية القديمة في المنطقة المتداخلة التي ينطبق عليها كلاهما. على سبيل المثال، يجب أن تسفر النظرية الأكثر شمولًا للبصريات الفيزيائية عن نفس النتيجة مثل النظرية الأكثر تقييدًا في بصريات الشعاع كلما كانت تأثيرات الموجة التي تتناسب مع الطول الموجي للضوء ضئيلة بسبب حساب طول ذلك الطول الموجي. وبالمثل، يجب أن تسفر ميكانيكا الكم عن نفس النتائج مثل الميكانيكا الكلاسيكية في الظروف التي يمكن فيها اعتبار ثابت بلانك صغيرًا بشكل غير مهم. وبالمثل، بالنسبة للسرعات الصغيرة مقارنةً بسرعة الضوء، يجب أن يتزامن الميكانيكا النسبية مع الميكانيكا الكلاسيكية النيوتونية.
طرق مواجهة الفيزيائيون التجريبيون لمشاكلهم
تم توضيح بعض الطرق التي يواجه بها الفيزيائيون التجريبيون والنظريون مشاكلهم بالأمثلة التالية.
بدايات الدراسة التجريبية
بدأت الدراسة التجريبية الحديثة للجزيئات الأولية باكتشاف أنواع جديدة من الجسيمات غير المستقرة التي تنتج في الغلاف الجوي عن طريق الإشعاع الأولي، وتتكون الأخيرة بشكل أساسي من بروتونات عالية الطاقة تصل من الفضاء. تم الكشف عن الجسيمات الجديدة في عدادات جيجر وتم تحديدها من خلال المسارات التي تركتها في أدوات تسمى الغرف السحابية وفي اللوحات الفوتوغرافية.
الفيزياء النووية
بعد الحرب العالمية الثانية، أصبحت فيزياء الجسيمات، المعروفة آنذاك بالفيزياء النووية عالية الطاقة، مجالًا رئيسيًا في العلوم. يمكن أن يصل طول مسارع الجسيمات عالية الطاقة اليوم إلى عدة كيلومترات، ويكلف مئات (أو حتى آلاف) ملايين الدولارات، ويسرع الجسيمات إلى الطاقات الهائلة (تريليونات فولت الإلكترون). يمكن للفرق التجريبية، مثل تلك التي اكتشفت W + وW− وZ quanta من القوة الضعيفة في المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات (CERN) في جنيف، والتي تمولها الدول الأعضاء العشرون في أوروبا، أن تضم 100 أو أكثر من علماء الفيزياء من العديد من البلدان، إلى جانب عدد أكبر من العمال التقنيين الذين يعملون كموظفين للدعم.
تُستخدم مجموعة متنوعة من التقنيات المرئية والإلكترونية لتفسير وفرز كميات هائلة من البيانات الناتجة عن جهودها، ومختبرات فيزياء الجسيمات هي المستخدم الرئيسي للتقنية الأكثر تقدماً، سواء كانت مغناطيسات فائقة التوصيل أو أجهزة كمبيوتر فائقة.
استخدام الرياضيات
يستخدم الفيزيائيون النظريون الرياضيات على حد سواء كأداة منطقية لتطوير النظريات ولحساب التنبؤات النظرية للمقارنة مع التجربة. لقد اخترع نيوتن، على سبيل المثال، حساب التفاضل والتكامل المتكامل لحل المشكلة التالية، والتي كانت ضرورية لصياغته لقانون الجاذبية الشاملة: على افتراض أن القوة الجذابة بين أي زوج من جسيمات النقطة تتناسب عكسيا مع مربع المسافة التي تفصل بينها، كيف يمكن للتوزيع الكروي للجزيئات، مثل الأرض، جذب كائن آخر قريب؟ بحساب التفاضل والتكامل المتكامل، وهو إجراء لتلخيص العديد من المساهمات الصغيرة، ينتج عنه الحل البسيط المتمثل في أن الأرض نفسها تعمل كجسيم نقطي مع تركيز كل كتلها في المركز. في الفيزياء الحديثة، تنبأ ديراك بوجود الإلكترون الإيجابي غير المعروف آنذاك (أو البوزيترون) عن طريق إيجاد معادلة للإلكترون من شأنها أن تجمع بين ميكانيكا الكم ونظرية النسبية الخاصة.
وهكذا نجد أن الفيزياء تحيط بنا من كل جانب وتتطور في كل ثانية فهي قائمة على التجربة والبحث وهي من أعظم المجالات التي تفتح مدارك العقل وتخرجه من الجمود. إذا كنت تحب طرح الأسئلة والبحث قد تصبح عالم في الفيزياء يوماً ما.
شكرا لكي
العفو