علم الفيزياء تطوره _اهدافه

عدة أمثلة للظواهر الطبيعية أو "الفيزيائية" ، وتدرس في علم الفيزياء.

مغناطيس يسبح في الفضاء فوق موصل فائق، مظهرًا مفعول ميسنر.

شعاع ليزر يمر عبر نظام بصري.

الفيزياء (من الإغريقية φυσική ‏/fi.si.ˈki/ "(المعرفة) الطبيعية"؛ وبالعربية علم الطبيعة ؛ وتسمّى أحياناً الفيزيقا^[1]) هي العلم الذي يدرس كل ما يتعلقبالمادة و حركتها و الطاقة ، وتحاول أن تفهم الظواهر الطبيعية والقوى المؤثرة في سيرها ، وصياغة المعرفة في قوانين لا تفسر العمليات السالفة فقط بل التنبؤ بمسيرة العمليات الطبيعية بنماذج تقترب رويدا رويدا من الواقع .

تهتم الفيزياء في نفس الوقت بدقة القياس وابتكار طرق جديدة للقياس تزيد من دقتها فهذا هو أساس التوصل إلى التفسير السليم للظواهر الطبيعية . وتقدم الفيزياء ما توصلت إليه من طرق القياس للاستخدام في جميع العلوم الطبيعية والحيوية الأخرى كالكيمياء و الطب و الهندسة و الأحياء وغيرها . التقدم الحضاري والمدني يرجع إلى التقدم الباهر لعلم الفيزياء ، فجميع الأجهزة التي تملأ حياتنا أساسها الفيزياء ، مثل الرادار و اللاسلكي و الراديو والتلفزيون و التلفزيون الملون ، والهاتف ، والحامول و الحاسوب وأجهزة التشخيص في الطب مثل أشعة إكس و التصوير بالرنين المغناطيسي والعلاج بالأشعة ، والنظارات ، والتلسكوبات ومسبارات المريخ والفضاء ، و أفران الميكروويف ، و الكهرباء و الترانزيستور والميكروفون ، وغيرها .

^[2] بالإضافة إلى مفاهيم أخرى كالفضاء والزمن، ويتعامل مع خصائص كونية محسوسة يمكن قياسها مثل القوة والطاقة والكتلة والشحنة. وتعتمد الفيزياء المنهج التجريبي، أي أنها تحاول تفسير الظواهر الطبيعية والقوانين التي تحكم الكون عن طريق نظريات قابلة للاختبار. ^[3]

تعتبر الفيزياء من أحد أقدم التّخصصات الأكاديمية، فهي قد بدأت بالبزوغ منذ العصور الوسطى وتميزت كعلم حديث في القرن السابع عشر، وباعتبار أن أحد فروعها، وهو علم الفلك، يعد من أعرق العلوم الكونية على الإطلاق.^[4]

وللفيزياء مكانة متميزة في الفكر الإنساني، فهي تأثرت كما كان لها الأثر الحاسم في بعض الحقول المعرفية والعلمية الأخرى مثل الفلسفة والرياضيات وعلم الأحياء. ولقد تجسدت أغلب التّطورات التي أحدثتها بشكل عملي في عدّة قطاعات من التقنية والطب. فعلى سبيل المثال، أدى التّقدم في فهم الكهرومغناطيسية إلى الانتشار الواسع في استخدام الأجهزة الكهربائية مثل التلفاز والحاسوب؛ وكذلك تطبيقات الديناميكا الحرارية إلى التطور المذهل في مجال المحركات ووسائل النقل الحديثة؛ وميكانيكا الكم إلى اختراع معدات مثل المجهر الإلكتروني؛ كما كان لعصر الذرة، بجانب آثاره المدمرة، استعمالات هامة في علاج السرطانوتشخيص الأمراض وتوليد الطاقة.

معظم الفيزيائيين اليوم يكونون متخصصين في مجالين متكاملين وهما الفيزياء النظرية أو الفيزياء التجريبية، وتهتم الأولى بصياغة النظريات باعتماد نماذج رياضية، فيما تهتم الثانية بإجراء الاختبارات على تلك النظريات، بالإضافة إلى اكتشاف ظواهر طبيعية جديدة. وبالرغم من الكم الهائل من الاكتشافات المهمّة التي حققتها الفيزياء في القرون الأربعة الماضية، إلا أن العديد من المسائل لا تزال بدون حلول إلى حد الآن، ^[5] كما أن هناك مجالات نظرية وتطبيقية تشهد نشاطًا وأبحاثًا مكثّفة.

هناك اعتقاد بأن "الفيزياء فرع من فروع الرياضيات" اعتقاد خاطئ تمامًا، لأن النماذج الرياضية تستعمل في علم الفيزياء فقط لتسهيل فهم الظواهر الفيزيائية والتعبير عنها في صورة معادلة رياضية كما في الفيزياء النظرية. وأن مضامين النماذج الرياضية في أي علم من العلوم الطبيعية لا يتدخل في شأنها علمالرياضيات، فالمعادلة الفيزيائية الرياضية هي لغة الفيزياء. فالفيزياء علم مستقل بذاته وله عدة فروع مثل الفيزياء الذرية ، الفيزياء النووية، النظرية النسبية ، البصريات، الصوتيات، الكهربية، المغناطيسية ، الديناميكا الحرارية، الميكانيكا ، ميكانيكا الكم ،...إلخ. وبالرغم من أن علم الفلك يقوم بدراسة الأجسام السماوية إلا أنه يعد أحد فروع الفيزياء.

التاريخ

•  مقالة مفصلة: تاريخ الفيزياء

تطورت الفيزياء كما نعرفها اليوم، من سلسلة الملاحظات التي جمعتها الحضارات القديمة حول مختلف الظواهر الطّبيعية وخاصة منها الفلكية، والمتعلقة بالتقويم وتقدير الزمن، كحركة الشّمس وأدوار القمروتشكيلات النجوم. وقد توصل الفلاسفة الإغريقيون إلى استنباط نظريات أولية لتفسير تلك الظواهر، وذلك باتباع منهج منطقي واستدلالي بحت في ما يسمى بالفلسفة الطّبيعية. وقد قدم أرسطو في كتابه "الفيزياء" (الطبيعيات) أول النظريات حول طبيعة الحركة والقوى. وقد ضلت هذه الأفكار، والتي تعرف بالفيزياء الأرسطوطاليسية، مهيمنة على التراث الفلسفي لعدة قرون.

صورة للضوء الصادر من بقعة صغيرة من الكون المرئي، تظهر مجموعة من المجرات يرجع عمرها لحوالي  مليار سنة خلت.

الفيزياء في الحضارة العربية والإسلامية

كان للحضارة العربية-الإسلامية دور رئيسي في بداية صياغة هذا علم الفيزياء (الذي كان يعرف عند العلماء المسلمين بالطبيعيات). فقد أنقذ ميراث الفلاسفة الإغريق من الضياع بترجمته إلى اللغة العربية ثم وقع إثرائه وتنقيحه وتصحيحه. فقد قدم العلماء المسلمون المحيطون بمعرفة الأولين من أمثال أرسطو وبطليموس (وغيرهم) نظرياتهم الخاصة وابتكارات عديدة في مجال علم الفلك، والبصريات، والميكانيكا. فعلى سبيل المثال لا الحصر، يعتبر ابن الهيثم رائد علم البصريات في كتابه المناظر. كما قدم البتاني (858-929) تحسينات لحسابات بطليموس حول مدارات الشمس والقمر، ووضع ابن باجة(1095-1138) أولى قوانين الحركة ومفهوم السرعة.

بعض العلماء المسلمين وإسهاماتهم في الفيزياء

• الكندي (803-873) : البصريات وعلم الفلك ^[6].
• عباس بن فرناس (810-887) : الميقاتية والطيران.
• ثابت بن قرة (836-901) : تعريف الحركة والوزن والجاذبية ^[7].
• الفارابي (872-950) : علم الفلك وتجارب حول الصوت وطبيعة الفراغ^[8].
• السيزجي (945-1020) : عاصر البيروني، قال بحركة الأرض حول الشّمس وقام بصناعة إسطرلاب معتمد على مركزية الشّمس^[9].
• الحسن ابن الهيثم (965-1039) : إلى جانب أعماله في علم البصريات والفلك. اكتشف قانون القصور الذاتي في علم الحركة^[10].
• البيروني (973-1048) : وضع بعض المفاهيم الأساسية في علم الحركة مثل التسارع والاحتكاك كما قام بتحديد الأوزان النوعية لعدّة مواد باعتماد التجربة^[11].
• الصوفي (986-903) : قام بالتعرف من خلال أرصاده الفلكية على مجرة المرأة المسلسلة وسحابة مجلان^[12].
• ابن سينا :(980-1037)
• عمر الخيام 1044
• ابن رشد 1128
• الجزري 1206

تطور الفيزياء الكلاسيكية والحديثة

بتأثير من جذوة العلوم العربية-الإسلامية، أدى تطور المنهج العلمي، خلال القرن السابع عشر، إلى وضع أسس علم الفيزياء الحديث من قبل فرانسيس بيكون وجاليليو جاليلي وإسحاق نيوتن وفصله نهائيا عن الفلسفة. وقد تمكن هذا الأخير من تشكيل المبادئ الأساسية للميكانيكا الكلاسيكية، وهي تصف إلى حد الآن وبشكل جيد قوانين الحركة والقوى والطاقة، على مستوى حياتنا اليومية. وقد تحقق ذلك بفضل اكتشافه، مع غوتفريد لايبنتز، لأحد أهم أدوات الفيزياء الرياضية وهو الحساب التفاضلي.

وفي القرن الثامن عشر، أثناء الثورة الصناعية، تطورت مفاهيم نقل الحرارة، وتبادل الطاقة، وعمل المحركات، وانتشرت مبادئ ما يعرف بالديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية.

أما في القرن التاسع عشر، فاكتشفت القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية والطّبيعة الموجية للضوء، وكذلك بنية المادة الذّرية وقوانين الإشعاع.

ومع بدايات القرن العشرين، ظهرت صياغات نظرية جديدة أمام عجز الميكانيكا الكلاسيكية في تفسير بعض جوانب الضوء وديناميكا الجسيمات الذرية. وتوصل ألبرت أينشتاين إلى وضع نظرية النسبية الخاصة التي تصف الأجسام المتحركة بسرعة تقارب سرعة الضوء وتأثيرات ذلك على المفاهيم البديهية للمكان والزمن، وبعد ذلك لنظرية النسبية العامة، التي تصف طبيعة قوة الجاذبية وعلاقتها بهندسةالزمكان.

وفي جانب آخر استطاعت الميكانيكا الكمومية وصف سلوكات الجسيمات الأولية والذرات والجزيئات، وفي هذا المقياس تختلف القوانين الفيزيائية عن تلك التي تخضع لها الأجسام ذات الأحجام العادية ^[13].

المجالات الأساسية

المجالات الأساسية في الفيزياء

بينما تعمل الفيزياء على تفسير القوانين الطبيعة بوجه عام تفسر كل نظرية منها مجالا محصورا . فمثلا نجد أن قوانين ميكانيكا الكلاسيكية تصف بدقة أنظمة يكون حجمها أكبر من الذره وتكون السرعات فيها أقل بكثير عن سرعة الضوء . أما خارج تلك الحدود فنجد أن المشاهدة لا تتطابق مع الحسابات .

وساهم ألبرت أينشتاين بصياغته النظرية النسبية الخاصة عام 1905 التي تبين عدم وجود مكان مطلقا أو زمن مطلق و ربطت بين الإثنين فيما يسمى الزمكان للأنظمة التي تكون السرعات فيها قريبة منسرعة الضوء ( 300.000 كيلومتر في الثانية) . ثم جاءت أعمال ماكس بلانك و إرفين شرودنغر ، و فرنر هايزنبرج وأدخلت ميكانيكا الكم ، وهي تصف احتمالات تفاعلات الجسيمات تحت الذريةواستطاعت أن تعطي وصفا دقيقا للطبيعة للذرة وطبيعة الجسيمات الأولية .

وبعد ذلك وحدت نظرية الحقل الكمومي بين ميكانيكا الكم و النظرية النسبية الخاصة. وتصف النظرية النسبية العامة (عام 1916) الحركة في زمكان منحني وهي تصف بدقة الأنظمة الكبيرة الكتلةعلى مستوي النجوم و المجرات في الكون .

ولم ينجح حتى الآن ربط النظرية النسبية العامة مع النظريات الأخرى ، ولكن العلماء يعملون على هذا الطريق - أي ربط النظرية النسبية العامة ( وهي نظرية الأنظمة الكبيرة جدا ) مع نظرية الكم (وهي النظرية التي تصف الأنظمة الذرية وتحت الذرية) - وتوجد حاليا عدة نظريات مقترحة للجاذبية الكمومية ولكن الأمر لم يفصل بعد.

النظريات الأساسية

الميكانيكا الكلاسيكية

•  مقالة مفصلة: الميكانيكا الكلاسيكية

صورة لبندول نيوتن وهو نظام يوضح مفهوما أساسيا في الميكانيكا الكلاسيكية يتمثل في مبدئ حفظ زخم الحركة والطاقة.

تصف الميكانيكا الكلاسيكية القوى التي تؤثر على حالة الأجسام المادية وحركتها. وغالبا ما يشار إليها باسم "المِيكانيكا النيُوتُنية" نسبة إلى إسحاق نيوتن وقوانينه في الحركة. تتفرع الميكانيكا الكلاسيكية إلى؛ علم السكون أو "الإستاتيكا" وهو يصف الأجسام ساكنة وشروط توازنها، وعلم الحركة أو "الكينماتيكا" وهو يهتم بوصف حركة الأجسام دون النظر إلى مسبباتها، وعلم التحريك أو "الديناميكا" الذي يدرس حركة الأجسام وماهية القوى المسببة لها. تقوم الميكانيكا الكلاسيكية بشكل أولي على افتراض أن الجسم المادي المراد دراسته يكون صلبًا وفي شكل نقطة ^[14]. وتتولى على صعيد آخر، الميكانيكا الاستمرارية وصف المادة المتصلة والمستمرة مثل الأجسام الصلبة والسائلة والغازية، وهي تنقسم بدورها إلى قسمين؛ ميكانيكا المواد الصلبة وميكانيكا الموائع. وتدرس ميكانيكا المواد الصلبة سلوك هذه الأجسام أمام عوامل عديدة مثل الضغط وتغير درجة الحرارة والتذبذب الخ. فيما تدرس ميكانيكا الموائع فيزيائية السوائل والغازات، وهي تتناول مواضيع كثيرة منها توازن السوائل في الهيدروستاتيكا، وتدفقها في الهيدروديناميكا، وحركة الغازات وانتشارها إلى جانب تأثيرها على السطوح والأجسام المتحركة في الديناميكا الهوائية.

أحد المفاهيم الهامة في الميكانيكا الكلاسيكية هي مبادئ حفظ زخم الحركة والطاقة، وقد دفع هذا الأمر إلى إعادة الصياغة الرياضية لقوانين نيوتن للحركة في ميكانيكا لاجرانج وميكانيكا هاملتون باعتماد هذه المبدئ. وتقف الصياغتان ميكانيكا في وصف سلوك الأجسام على نفس المقدار من الدقة، ولكن بطريقة مستقلة عن منظومة القوى المسلطة عليها والتي تكون بعض الأحيان غير عملية في تشكيل معادلات الحركة.

تعطينا الميكانيكا الكلاسيكية نتائج وتنبوات رقمية ذات دقة عالية، تتماشى مع المشاهدة، وذلك بنسبة لأنظمة ذات أبعاد عادية ^[13] وضمن مجال سرعات تقل بكثير عن سرعة الضوء. أما عندما تكون الأجسام موضع الدراسة جسيمات أولية أو أن سرعتها عالية، تكاد تقارب من سرعة الضوء، فهنا تحل محل الميكانيكا الكلاسيكية تباعا الميكانيكا الكمومية والميكانيكا النسبية. ومع ذلك تجد الميكانيكا الكلاسيكية مجالا لتطبيقها في وصف سلوك أنظمة دقيقة، فعلى سبيل المثال في النظرية الحركية للغازات تسري القوانين التي تحكم حركة أجسام ذات حجم العادي على الجزيئات المكونة للغازات وهو ما يُمَكن من استنتاج خصائص عيانية مثل درجة الحرارة والضغط والحجم. وفي أنظمة عالية التعقيد يمكن فيها لتغييرات طفيفة أن تنتج آثارًا كبيرة (مثل الغلاف الجوي أو مسألة الأجسام الثلاثة) تصير قدرة معادلات الميكانيكا الكلاسيكية على التنبئ محدودة. وتختص بدراسة هذه الأنظمة، التي توصف بأنها لاخطية، نظرية الشواش.

أوجدت قوانين الميكانيكا الكلاسيكية نظرة موحدة وشاملة لظواهر طبيعية قد تبدو ظاهريًا غير متصلة، مثل وقوع تفاحة من غصن شجرة أو دوران القمر حول الأرض. فعلى سبيل المثال؛ قوانين كيبلر لحركة الكواكب، أو السرعة التي يجب أن يبلغها صاروخ للتحرر من حقل الجاذبية الأرضية (سرعة الإفلات)، يمكن استنتاجهما رياضيًا من قانون نيوتن العام للجاذبية. وقد ساهمت هذه الفكرة ومفادها أن التوصل لقوانين كليّة يمكنها وصف الظواهر الكونية على اختلافها أمر ممكن، إلى بروز الميكانيكا الكلاسيكية كعنصر هام في الثورة العلمية وذلك خلال القرنين السابع والثامن عشر.

الكهرومغناطيسية

•  مقالة مفصلة: كهرومغناطيسية

البرق هو تفريغ كهربائي لشحنات ساكنة يحدث بين السحب في ما بينها أو مع الأرض (الصاعقة).

تدرس الكهرومغناطيسية التأثيرات الذي تتم بين الجسيمات المشحونة وبين المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية. ويمكن تقسيم الكهرومفناطيسية إلى؛ كهرباء ساكنة أو "إلكتروستاتيكا" وهي تدرس الشحنات والمجالات الكهربائية الساكنة، والديناميكا الكهربائية أو "إلكتروديناميكا" وهو يصف التفاعل بين الشحنات المتحركة والإشعاع الكهرومغناطيسي. ومع أن المعرفة الكهرباء والمغناطيسية تطورت منذ القدم بشكل منفصل، فقد توصلت النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية ، خلال القرنين الثامن والتاسع عشر، إلى تحديد العلاقة بين الظاهرتين من خلال قانون لورنتز ومعادلات ماكسويل. فقد تمكن ماكسويل من خلال إشتقاقه لأربعة معادلات تفاضلية من وصف الموجات الكهرومغناطيسية وفهم الطبيعة الموجية للضوء.

تهتم الكهرباء الساكنة بدراسة الظواهر المرتبطة بالأجسام المشحونة في حالة السكون، والقوى التي توجهها على بعضها البعض كما يصفها قانون كولوم. ويمكن تحليل سلوك هذه الأجسام من تجاذب أو تنافر من خلال معرفةالقطبية والمجال الكهربائي المحيط بها، حيث يكون متناسباً مع مقدار الشحنة والأبعاد التي تفصلها. للكهرباء الساكنة عدة تطبيقات، بدءاً من تحليل الظواهر الكهرومغناطيسية مثل العواصف الرعدية إلى المكثفاتالتي تستعمل الهندسة الكهربائية.

وعندما تتحرك الأجسام المشحونة كهربيًا في مجال كهرومغناطيسي فإنها تنتج مجالاً مغناطيسياً يحيط بها فتختص الديناميكا الكهربائية بوصف الأثار التي تنتج عن ذلك من مغناطيسية وإشعاع كهرومغناطيسي وحث كهرومغناطيسي. وتنطوي هذه المواضيع ضمن ما يعرف بالديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، حيث تشرح معادلات ماكسويل هذه الظواهر بطريقة جيدة وعامة، وتؤدي هذه النظريات إلى تطبيقات مهمة ومنها المولدات الكهربائية والمحركات الكهربائية. وفي العشرينيات من القرن العشرين، ظهرت نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية وهي تتضمن قوانين ميكانيكا الكم، وتصف التفاعل بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة عن طريق تبادل الفوتونات. وهناك صياغة نسبية تقدم تصحيحات لحساب حركة الأجسام التي تسير بسرعات تقارب سرعة الضوء، والتي تظهر بشكل مباشر في معجلات الجسيمات والأنابيب الكهربائية التي تحمل فروق جهد وتيارات كهربائية عالية.

تعتبر القوى والظواهر الناجمة عن الكهرومغناطيسية من أكثر الأمور المحسوسة في حياتنا اليومية بعد تلك التي تسببها الجاذبية. فعلى سبيل المثال، الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية مرئية تشع من جسيمات مَشحونة ومُعَجلة، وتجد مبادئ الكهرومغناطيسية إلى يومنا هذا العديد من التطبيقات التقنية والطبية، وماالأجهزة الكهربائية مثل الراديو، والمرناة،والهاتف، والقطارات المغناطيسية المعلقة، والألياف البصرية، وأجهزة الليزر إلا بضع أمثلة عن هذه التطبيقات التي صنعت تقدمًا نوعيًا في تاريخ البشرية.

الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية

•  مقالات مفصلة: الديناميكا الحرارية
 
• الميكانيكا الإحصائية

لتحويل جرام من الثلج، درجة حرارته  درجة مئوية، إلى ماء سائل، في ظروف الضغطالعادية، نحتاج إلى طاقة مقدارها حوالي  سعرة حرارية (أي ما يعادل  جول).

تختص الديناميكا الحرارية أو "الترموديناميكا" بدراسة انتقال الطاقة وتحولها في النّظم الفيزيائية، والعلاقة بين الحرارة والعمل والضغط والحجم. تقدم الديناميكا الحرارية الكلاسيكية وصفا عيانيا لهذه الظواهر دون الخوض في التفاصيل مجهرية الكامنة ورائها. فيما تخوض الميكانيكا الإحصائية في تحليل السلوك المعقد للمكونات المجهرية (ذرات، جزيئات) وتستنج منها كَمِيًا الخصائص العيانية للنظام وذلك بواسطة طرق إحصائية. وضعت أسس الديناميكا الحرارية خلال القرنين الثامن والتاسع عشر، وذلك نتيجة للحاجة الملحة في زيادة كفاءة المحركات البخارية.

يتأسس فهم ديناميكية الطاقة والمتغيرات في نظام معين على أربعة مبادئ أساسية تسمى قوانين الديناميكا الحرارية. وتعمل معادلات الحالة على تحديد العلاقة بين نوعين من متغيرات العيانية التي تعرف حالة الأنظمة؛ متغيرات الامتداد مثل الكتلة والحجم والحرارة، ومتغيرات الشدّة مثل الكثافة ودرجة الحرارة والضغط والكمون الكيميائي. ويمكن من خلال قياس هذه المتغيرات التعرف إلى حالة التوازن أو التحول التلقائي في النظام.

نظام التحريك الحراري المثالي - تنتقل الحرارة من ساخنة (غلاية) إلى باردة (مكثّف) وينتج عنها عمل

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على مبدئ حفظ الطاقة، وذلك بأن التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق وساكن، يساوي كمية الطاقة المتبادلة مع الوسط الخارجي على شكل حرارة أو عمل. فيما ينص القانون الثاني على أن الحرارة لا يمكنها المرور بطريقة تلقائية من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى آخر ذي درجة حرارة مرتفعة بدون الإتيان بعمل. وذلك يعني أنه من غير الممكن الحصول على عمل دون أن تفقد منه كمية على شكل الحرارة. وتوصل لهذين القانونين الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو في بداية القرن التاسع عشر. وفي سنة 1865، أدخل الفيزيائي الألماني رودلف کلاوزیوس دالة الاعتلاج، ومن خلالها يصاغ القانون الثاني على أن "التحول التلقائي في نظام معين لا يمكن أن يتحقق بدون أن ترتفع هذه القيمة فيه وفيما حوله". يُعبر الاعتلاج، من وجهة نظر عيانية، على عدم إمكانية تسخير كل الطاقة في نظام ما للقيام بعمل ميكانيكي. وتصفها الميكانيكا الإحصائية على أنها قياس لحالة الفوضى للمكونات المجهرية للنظام من ذرات وجزيئات.

تتكتسي الديناميكا الحرارية أهمية كبرى في العديد من المجالات؛ في الكيمياء والهندسة الكيميائية وعلم الأحياء وإنتاج الطاقة والتبريد. فعلى سبيل المثال، يمكن للديناميكا الحرارية تفسير الأسباب التي تجعل بعض التفاعلات الكيميائية تتم من تلقاء نفسها، فيما لا يمكن ذلك للبعض الآخر.

النظرية النسبية

•  مقالات مفصلة: نظرية النسبية الخاصة
 
• نظرية النسبية العامة

أحد أدق الاختبارات التي أجريت على نظرية النسبية العامة كانت من قبل المسبار الفضائيكاسيني-هايجنس، في 10 أكتوبر 2003: شعاعالراديو (باللون الأخضر) الذي أرسل من الأرض نحو المسبار وقع تأخيره، تحت تأثير الاحناء الذي أحدثته جاذبية الشّمس في بنية الزمكان(باللون الأزرق)، وذلك بالمعدل الذي تنبأت به النظرية.^[15] .

نظرية النسبية هي بنية رياضية أكثر عمومية من تلك التي تأسست عليها الميكانيكا الكلاسيكية، وتصف حركة الأجسام بسرعات تقارب سرعة الضوء، أو أنظمة ذات كُتلٍ هائلة، وتشتمل على شقين هما نظرية النسبية الخاصة ونظرية النسبية العامة ^[16].

اقترح نظرية النسبية الخاصة الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين، سنة 1905، في ورقة بحثية شهيرة بعنوان "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" ^[17] بناء على المساهمات الهامة لهندريك لورنتس وهنري بوانكاريه. ويتطرق هذا المقال إلى أن نظرية النسبية الخاصة تجد حلا لعدم الإتساق بين معادلات ماكسويل والميكانيكا الكلاسيكية. وتقوم النظرية على مسلمتين هما؛ (1) أن القوانين الفيزيائية لا تتغير بتغير الإطار المرجعي العطالي للنظم ^[18]، (2) وأن سرعة الضوء في الفراغ هي مقدار ثابت وغير متصل بحركة مصدر الضوء أو بالمشاهد. الدمج بين هاتين المسلمتين يقود إلى افتراض علاقة بين أمرين منفصلين في الميكانيكا الكلاسيكية، وهما المكان والزمان ويجمع بينهما في بنية تسمى الزمكان ^[19].

إحدى التدعيات الهامة للنسبية الخاصة، والتي تبدو مخالفة للبديهة وإن كانت أثبتتها عدة تجارب، هي انعدام مكان أو زمان مطلق، أي منفصل عن الإطار المرجعي للمشاهد (ومن هنا يأتي مصطلح النسبية). وهذا يعني أن الكتلةوالأبعاد والزمن تتغير بتغير سرعة الجسم، وذلك ملائمةً لثبات سرعة الضوء. قد تكون هذه الظواهر غير محسوسة بمجال السرعات في حياتنا اليومية وتبقى بذلك قوانين نيوتن سارية، ولكنها تصير ذات تأثير لا يستهان به عندما ترتفع السرعة وتقارب سرعة الضوء ^[20].

ومن أهم النتائج الأخرى مبدئ التكافئ بين المادة والطاقة، وهو أمر تعبر عنه بشكل بليغ أحد أشهر المعادلات الفيزيائية:

E = m c ²

حيث E هي الطاقة، و m هي الكتلة، و c هي سرعة الضوء في الفراغ (2 فوق سرعة الضوء تعني أن الطاقة تتناسب طرديًا مع مربع هذه السرعة). بعبارة أخرى تُنبئنا هذه الصيغة الرياضية أن لكل جسم ذي كتلةٍ طاقةٌ مرتبطة به، والعكس بالعكس.

النسبية العامة هي نظرية ذات طابع هندسي، توصل إليها ألبرت أينشتاين بشكل منفرد ونشرها في 15\1916، وذلك بأنه قام بتوحيد النسبية الخاصة وقانون نيوتن العام للجاذبية. تنص هذه النظرية على أن الجاذبية يمكن وصفها على أنها انحناء في بنية الزمكان تسببه الكتلة أو الطاقة. على الصعيد الرياضي، تتميز النسبية العامة عن غيرها من النظريات الحديثة التي تصف الجاذبية بأنها تستعمل معادلات أينشتاين للمجال لوصف محتوى الزمكان من مادة أو طاقة وأثر ذلك على انحنائه. وتعتمد في ذلك بشكل أساسي على مُوَتر الإجهاد - الطاقة ^[21]، وهو كائن هندسي يصف عبر مكوناته عدة كميات فيزيائية مثل الكثافة، والتدفق، والطاقة، والزخم، والزمكان. ويمكن القول بطريقة مبسطة، أن موتر الإجهاد - الطاقة هو سبب وجود مجال تثاقلي في زمكان معين وذلك بشكل أعم من ما تفعله الكتلة وحدها في قانون نيوتن الكلاسيكي للجاذبية ^[22].

من أول المشاهدات التي أكدت على صحة نظرية النسبية العامة، هو تمكنها من احتساب أوج بدارية كوكب عطارد الشاذة، بدقة فشلت في تحقيقها المكانيكا الكلاسيكية. وفي سنة 1919، قام الفلكي الإنجليزي آرثر ستانلي إيدينجتون بمشاهدة انزياح ضوء النجوم القريبة من قرص الشمس خلال الكسوف، ليأكد تنبؤ النسبية العامة بانحناء الضوء تحت تأثير مجال تثاقلي تحدثه أجسام فائقة الكتلة. وفي وقت لاحق بدأت تتراءى العديد من التداعيات لهذه النظرية في علم الكون والتي أكدت بعضها المشاهدات، ولكنها لا تزال موضع جدال، ومنها تنبؤ حلول معادلات أينشتاين بالانفجار العظيم، وتوسع الكون، وطاقة الفراغ، والثقوب السوداء.

ميكانيكا الكم

•  مقالة مفصلة: ميكانيكا الكم

محاكاة رقمية لتأثير النفق الكمي. البقعة المضيئة في اليسار تمثل حزمة موجية لإلكترونتقوم بالإنعكاس على حاجز طاقة. لاحظ إلى اليمين انتقال بقعة قاتمة، وهذا هو الجزء اليسير من الحزمة الموجية التي استطاعت الإنفاق من خلال حاجز تحجر تخطيه مبادئ الميكانيكا الكلاسيكية. ويستعمل هذا المفعول في مجهر المسح النفقي الذي يقوم بتصوير سطوح المواد على المستوى الذري كما تبين الصورة (في الأسفل) إعادة تكوين صورة الذرات على سطح ورقة من الذهب.

تتعامل الميكانيكا الكمومية مع نظم ذات أحجام ذرية أو تحت الذرية؛ مثل الجزيئات والذرات والإلكترونات والبروتونات وغيرها من الجسيمات الأولية. وقد أدت بعض الصعوبات التي واجهت الميكانيكا الكلاسيكية في أواخر القرن التاسع عشر، مثل إشكالية إشعاع الجسم الأسود واستقرار الإلكترونات على مداراتها، إلى التفكير بأن جميع أشكال الطاقة تتنقل على شكل حزم متقطعة غير قابلة للتجزئة، وتسمى كُمُومَات أو "كوانتوم". وقد قام بتشكيل هذا المفهوم، الفيزيائي الألماني ماكس بلانك سنة 1900، وقدم من خلاله ألبرت أينشتاين تفسيرًا للمفعول الكهروضوئي والذي يتبين من خلاله بأن الموجات الكهرومغناطيسية تتصرف في بعض الأحيان بطريقة تشبه تصرف الجسيمات.

وضعت مبادئ الميكانيكا الكمومية خلال العشرينات من القرن الماضي، من قبل مجموعة متميزة من الفيزيائيين. في سنة 1924، توصل لويس دي بروليه إلى إدراك أن الأجسام أيضا يمكنها أن تتصرف على أنها موجات، وهو ما يعبر عنه بمثنوية الموجة والجسيم. وقدمت على خلفية ذلك صياغتان رياضيتان مختلفتان وهما؛ الميكانيكا الموجية التي وضعها إرفين شرودنغر وهي تنطوي على استخدام كائن رياضي يسمى دالة الموجة، يصف احتمال وجود جسيم في بقعة ما من الفضاء - وميكانيكا المصفوفات التي أنشأها فيرنر هايزنبرغ وماكس بورن، وهي تصف الجسيمات على أنها مصفوفات تتغير مع الزمن. ومع أن هذه الأخيرة لا تشير إلى دالة موجة أو مفاهيم مماثلة، إلا أنها تتوافق مع معادلة شرودنغر ومع الملاحظات التجريبية.

وقد شكل مبدأ عدم اليقين الذي صاغه هايزنبرغ في سنة 1927 أحد أهم مبادئ الميكانيكا الكمومية، وهو ينص على محدودية قدرتنا في قياس خاصيتين معينتين لجسيم ما في نفس الوقت وبدرجة عالية من الدّقة. ويضع هذا حدًا لمبدأ الحتمية المطلقة الذي يشير إلى إمكانية التنبؤ بشكل دقيق بحالة نظام انطلاقا من حالته السابقة، حيث أن الظواهر الكمومية لا يمكن تفسيرها إلا بطريقة احتمالية. وقد أدى هذا الأمر إلى جدال علمي كبير دار بين أعظم فيزيائيي القرن العشرين، بما فيهم ألبرت أينشتاين الذي عارض هذا التفسير الاحتمالي بالرغم من إسهاماته الهامة في تأسيس الميكانيكا الكمومية.

وفي سنة 1928، قام الفيزيائي البريطاني بول ديراك بوضع الميكانيكا الكمومية بصيغتيها الموجية والخطية (المصفوفات) ضمن صياغة أشمل في إطار نظرية النسبية الخاصة. وقد تنبأت صياغته بوجود الجسيمات المضادة. وتم تأكيد هذا الأمر تجريبيا سنة 1932، باكتشاف مضاد الإلكترون أو البوزيترون.

لاقت للميكانيكا الكمومية نجاحاً كبيرًا في تفسير العديد من الظواهر مثل الليزر وشبه الموصلات، وقد نجمت عنها تطبيقات تقنية مهمة، على غرار الصمام الثنائي والترانزستور، التي تعتبر حجر الأساس في الإكترونيات الحديثة. وفي الكيمياء، يعتمد جزء كبير من فهم ديناميكا وبنية الجزيئات، والطريقة التي تتفاعل بها، وتكوين الروابط الكيميائية على دالة الموجة. كما تعتمد الكيمياء الحاسوبية على النظريات الكمومية في أدائها الرياضاتي، لتحليل ومحاكات نتائج التجارب الكيميائية. أما في علم الأحياء، فقد تمكنت الميكانيكا الكمومية من تفسير الآلية التي يحدث بها تحويل الطاقة خلال التمثيل الضوئي في النباتات وبعض صنوفالبكتيريا ^[23]. وكذلك عملية الإبصار لدى الحيوانات. ويعمل الباحثون في الوقت الحاضر على العديد من التطبيقات الأخرى المستقبلية في المعلوماتية، مثل الترميز الكمومي والحاسوب الكمومي.

البحث

الطريقة العلمية

الطريقة العلمية يستخدمه الفيزيائيين في اختبار مدى صحة النظرية الفيزيائية عن طريق مقارنة آثار النظرية في سؤال مع رسم الإستنتاجات من التجارب و الملاحظات التي أجريت لكي تختبر.
التجارب و الملاحظات يتعين جمعها و مطابقتها مع التوقعات و الفرضيات التي أستنتجت من النظرية، و ذلك يساعد في تحديد صحة أو فساد النظرية.

مجالات البحثية

البحث المعاصر في الفيزياء يقسم إلى عدة مجالات، منها فيزياء المواد المكثفة و الفيزياء الذرية و الجزيئية و البصرية و فيزياء الجسيمات و الفلك و الجيولوجيا و الفيزياء الحيوية و الالكترونيات والفيزياء التطبيقية .
منذ بداية القرن عشرين أصبح لكل المجالات البحثية في الفيزياء مجالاً واسعاُ مما حد من جمعها للفرد الواحد مهنياً و جعلها تخصصاً بحد ذاتها ، واليوم يندر للفيزيائي الواحد أن يمنتهن مجالين أو أكثير في المجالات البحثية في الفيزياء.

توضيحات ومراجع

1. ^ مجمع اللغة العربية بالقاهرة، مجموعة المصطلحات العلمية والفنية، المجلد الثاني والأربعون، ٢٠٠٢م
2. ^ مقولة مجازية تنسب للفيلسوف الفرنسي ديكارت: "أعطني المادة والحركة، وسأبني لك الكون."
3. ^ ريتشارد فاينمان فيR. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands (1963), The Feynman Lectures on Physics, ISBN 0-201-02116-1
4. ^ هناك دلائل على أن الحضارات القديمة، التي يرجع تاريخ نشأتها إلى 3000 سنة قبل الميلاد، في بلاد الرافدين ومصر القديمة والهند، ووسط وجنوب أمريكا، كانت لديها القدرة على التنبؤ بظواهر فلكية مثل الكسوف والخسوف، وكانت تمتلك المعارف الأساسية عن حركة الأجرام السّماوية كالكواكب والنجوم.
5. ^ ومنها على سبيل المثال، لغز المادة المظلمة، ومسألة العلاقة بين تمدد الكون و طاقة الفراغ.
6. ^ Œuvres d'Al-Kindi, éd. Roshi Rashed. Leiden, Brill, 1997. ISBN 90-04-09781-3.
7. ^ Mohammed Abattouy (2001). "Greek Mechanics in Arabic Context: Thabit ibn Qurra, al-Isfizarı and the Arabic Traditions of Aristotelian and Euclidean Mechanics", Science in Context 14, p. 205-206. Cambridge University Press.
8. ^ Arabic and Islamic Natural Philosophy and Natural Science, Stanford Encyclopedia of Philosophy
9. ^ Suter, Heinrich: Die Mathematiker und Astronomen der Araber und ihre Werke (80-81, 224, 1900).
10. ^ Salam, Abdus (1984), "Islam and Science"، in Lai, C. H., ed. (1987), Ideals and Realities: Selected Essays of Abdus Salam (2nd ed.), World Scientific,
11. ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Abu Arrayhan Muhammad ibn Ahmad al-Biruni", MacTutor History of Mathematics archive.
12. ^ "Observatoire de Paris (Abd-al-Rahman Al Sufi)". http://messier.obspm.fr/xtra/Bios/alsufi.html. Retrieved on 2007-04-19.
13. ^ تعدى إلى الأعلى ل:^أ ب أجسام في مقياس بشري (مثل كرة المضرب وناطحة السحاب) أو مقياس فلكي (مثل الكواكب والمجرات) أو مجهري (مثل البكتيريا وبعض الجزيئات العضوية).
14. ^ أي أن الأبعاد بين النقاط المكونة للجسم لا تتغير مع الزمن.
15. ^ موقع ناسا يصف التجربة (إنجليزية)
16. ^ ألبرت أينشتاين (1920)، Relativity: The Special and General Theory، ويكي مصدر. (إنجليزية)
17. ^ ألبرت أينشتاين (1905)، Zur Elektrodynamik bewegter Körper، في Annalen der Physik 17:891-921. بي دي إف (لغة ألمانية)
18. ^ هذه المسلمة "Postulate" في الحقيقة تعميم لنسبية غاليليو غاليلي، فعلى سبيل المثال شخص يركب عربة معزولة عن العالم الخارجي بإحكام، ومتحركة بسرعة ثابتة، لا يمكنه إجراء أي تجربة تمكنه من معرفة سرعته المطلقة، وإلا فإن العربة تصير إطارا مرجعيا مطلقا وهو أمر غير ممكن حسب هذه المسلمة. (أنظر مبدئ العطالة وإطار مرجعي غاليلي).
19. ^ Special Relativity/Principle of Relativity، ويكي الكتب. (إنجليزية)
20. ^ Special Relativity/Simultaneity, time dilation and length contraction، ويكي الكتب. (إنجليزية)
21. ^ "Stress-energy tensor".
22. ^ ستيفان فاينر (2002)، Lecture12: The Stress Tensor and the Relativistic Stress-Energy Tensor، في Introduction to Differential Geometry and General Relativity. (إنجليزية)
23. ^ روزان سونسيون (2007)، Biophysics: Quantum path to photosynthesis، مجلة نيتشر (446, 740-741). (إنجليزية)