فيزياء

الفيزياء هي العلم الذي يدرس المادة وحركتها بالإضافة إلي مفاهيم أخري كالفراغ و الزمن ، وهي العلم الذي يهتم بمفاهيم أخري كالقوة و الطاقة و الكتلة و الشحنة . إن الفيزياء تعتبر علم تجريبي ؛ لأنها تهتم بتحليل الظواهر الطبيعية ، فالغرض منها هو فهم كيفية سلوك الكون ومكوناته . الفيزياء تعتبر واحد من أقدم التخصصات الأكاديمية ، فهي لم توضع كعلم حديث إلا في القرن السابع عشر . وباعتبار علم الفلك الذي يعتبر أحد تخصصات علم الفيزياء ، فإن الفيزياء تعتبر أقدم التخصصات الأكاديمية علي الإطلاق . والفيزيائيون هم هؤلاء الذين يعملون في مجال الفيزياء .

التقدمات التي حدثت في علم الفيزياء قد ترجمت أو تحولت إلي القطاع التكنولوجي يعني تم الاستفادة منها في مجال التكنولوجيا . هذه التقدمات تؤثر في الغالب علي الكثير من العلوم الأخرى كما تفعل الرياضيات والفلسفة . علي سبيل المثال ؛ التقدم الحادث في فهم الكهرومغناطيسية قد أدي إلي انتشار استخدام الأجهزة التي تعمل بالكهرباء مثل التلفاز وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة المنزلية .... الخ ، كذلك التقدم الحادث في فهم الديناميكا الحرارية قد أدي إلي التطور المذهل في مجال المركبات التي تقاد بالمحركات والموتور ، وأيضا التقدم في فهم الميكانيكا قد أدي إلي تطور مذهل في علم حساب التفاضل والتكامل والكيمياء الكمية ، أيضا استخدام الأجهزة الإليكترونية الدقيقة مثل المجهر الإليكتروني قد أدي إلي التطور الملحوظ في مجال الميكروبيولوجي .

الآن ؛ الفيزياء مجال واسع ومتطور باستمرار ، والأبحاث فيها تنقسم إلي أربعة أقسام : فيزياء المواد المكثفة ، والفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية ، وفيزياء الطاقة العالية ، وعلم الفلك ، والفيزياء الفلكية .

معظم الفيزيائيين يتخصصون في مجال الفيزياء النظرية أو التجريبية ، والفيزياء النظرية تهتم بمعالجة النظريات الحديثة ، بينما التجريبية تهتم بالاختبارات التجريبية علي النظريات بالإضافة إلي اكتشاف ظواهر طبيعية جديدة . بالرغم من كم الاستكشافات الهائلة والمهمة في الأربعة قرون السابقة ، إلا أنها يوجد عديد من المشاكل الفيزيائية الغير محلولة حتى الآن .

النظريات الأساسية

رغم أن الفيزياء تتناول تشكيلة واسعة من الظواهر الفيزيائية ، فإن جميع الفيزيائيين يجب أن يكونوا علي دراية بالنظريات الأساسية ؛ الميكانيكا الكلاسيكية و الكهرومغناطيسية و ميكانيكا الكم و الديناميكا الحرارية و نظرية النسبية . كل واحدة من هذه النظريات تم اختبارها من خلال العديد من التجارب وأثبتت أهليتها كنماذج لشرح وتبيين بعض الأحوال الطبيعية . فعلي سبيل المثال ، الميكانيكا الكلاسيكية تصف بشكل صحيح ، حركة الأجسام وذلك علي مستوي الحياة اليومية ، ولكنها انهارت عندما حاولت ان تصف حركة الأجسام الذرية الدقيقة ، حيث حلت محلها نظرية ميكانيكا الكم ، وذلك لأن حركة هذه الأجسام تصل إلي سرعة الضوء حيث تتجلي أهمية التأثيرات النسبية في وصف هذه الحركة . مع أن هذه النظريات طالما كانت مفهومة جيدا ، إلا أنها كانت محطة نشطة لأبحاث كثيرة ومتعددة ، علي سبيل المثال : أحد الجوانب البارزة في الميكانيكا الكلاسيكية ، كانت نظرية الفوضى التي وضعت في القرن العشرين أي بعد ثلاث قرون من الصياغة الأصلية للميكانيكا الكلاسيكية علي يد إسحاق نيوتن (1642 - 1727). هذه النظريات تشكل محور الأساس عند دراسة المواضيع المتخصصة.

الميكانيكا الكلاسيكية

الميكانيكا الكلاسيكية هي أساس دراسة فيزياء القوى التي تؤثر علي الأجسام . غالبا ما يشار إلي الميكانيكا الكلاسيكية بإسم ميكانيكا نيوتن نسبة إلي إسحاق نيوتن الذي اكتشفها . الميكانيكا الكلاسيكية يمكن أن تنقسم إلي قسمين ؛ الإستاتيكا او علم السكون التي تدرس حالة الأجسام المادية الساكنة ، و الكينماتيكا أو علم الحركة التي تدرس الأجسام التي في حالة حركة ، وكذلك الديناميكا او علم التحريك التي تدرس حالة الأجسام الواقعة تحت تأثير قوي .الأجسام المادية المستمرة والقابلة للسقوط ، وهي نفسها تنقسم إلي قسمين ؛ ميكانيكا الموائع و ميكانيكا المواد الصلبة . ميكانيكا الموائع إنما تكون طبقا لحالة المادة موضع الدراسة سواء كانت من السوائل أو [[غاز الميكانيكا الإستمرارية هي فرع من فروع الميكانيكا الكلاسيكية التي تدرس |الغازات]] وهي تتناول مواضيع كثيرة ، مثل ؛ الهيدروستاتيكا و الهيدروديناميكا و ميكانيكا الغازات و الديناميكا الهوائية وغيرها من المجالات . الميكانيكا الكلاسيكيه تعطي نتائج دقيقة جدا وذلك ضمن مجال الحياة اليومية ، وذلك عند حساب سرعة سيارة مثلا فإنها تكون كافية . يحل محلها الميكانيكا النسبية في حالة الأنظمة التي تسير بسرعات كبيرة تكاد تقترب من سرعة الضوء . ويحل محلها ميكانيكا الكم في حالة الكلاسيكيه يمكن استخدامها لوصف حركة الأجسام بشريه الحجم ( مثل السيارات وكرة البيسبول ) ، والعديد من الأجسام الفلكية مثل ( الكواكب والمجرات ) ، وبعض الأجسام المجهريه مثل ( الجزيئات العضوية ). أحد المفاهيم الهامة في الميكانيكا هو مفهوم حفظ الطاقة و كمية التحرك ، الأمران اللذان جعلا لاجرانج و [[ميكانيالأنظمة الدقيقة ، و نظرية المجال الكمومي النسبي في حالة الأنظمة التي لها الخاصيتين السابقتين . ومع ذلك ، فإن الميكانيكا الكلاسيكيه ما زالت مفيدة جدا ، لأنها أسهل وأبسط بكثير من تطبيق هذه النظريات الأخرى ، ولها مجال كبير من الشرعية عند تطبيقها في مجال النظريات الأخرى . الميكانيكا ك هاملتون|هاميلتون]] يقومان بإعادة صياغة قوانين نيوتن . النظريات مثل ميكانيكا الموائع و النظرية الحركية للغازات نتجتا عن تطبيق الميكانيكا الكلاسيكيه للأنظمة الدقيقة . و نظرية الفوضى تختص بدراسة الأنظمة التي إذا حدث بها تغييرات طفيفة ينتج عنها آثار كبيرة . قانون نيوتن للجاذبية تم صياغته ضمن الميكانيكا الكلاسيكيه موضحا قوانين كيبلر لحركة الكواكب ، وساهم في بروز الميكانيكا الكلاسيكيه كعنصر هام في الثورة العلمية .

الكهرومغناطيسية

الكهرومغناطيسية – باختصار- تصف التفاعل الذي يتم بين الجسيمات المشحونة وبين مجالات كهربية ومجالات مغناطيسية . ويمكن تقسيم الكهرومغناطيسية إلى ؛ الإليكتروستاتيكا التي تدرس الشحنات الكهربية في حالة السكون ، والإليكتروديناميكا التي تدرس التفاعل بين الشحنات المتحركة والإشعاع . النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية تعتمد علي قانون قوي لورنتز ومعادلات ماكسويل . بالنسبة لالإليكتروستاتيكا فهي دراسة الظواهر المرتبطة بالأجسام المشحونة في حالة السكون ، وهذه الأجسام بالتأكيد تبذل قوي باتجاه بعضها البعض ، كما وصفها قانون كولوم . وسلوك هذه الأجسام يمكن تحليلها ومعرفتها من خلال مفهوم أن أي جسم مشحون يكون محاطا بمجال كهربي بحيث إذا كان هناك جسم مشحون آخر يقع في مجال الجسم الأول فإنه بدوره يقع تحت تأثير قوي تتناسب مع مقدار الشحنة والقطبية التي تسبب حدوث تجاذب أو تنافر بين الجسيمات المشحونة . الإليكتروستاتيكا لها تطبيقات كثيرة ، بدءا من تحليل الظواهر مثل العواصف الرعديه إلي دراسة سلوك أنابيب الإلكترون .

الإليكتروديناميكا هو دراسة الظواهر المرتبطة بالأجسام المشحونة المتحركة . حيث أن الشحنات الكهربية المتحركة تنتج مجال كهربيا يحيط بها ، فإن الإليكتروديناميكا تختص بالآثار الناتجة عن ذلك مثل ؛ المغناطيسية و الإشعاع الكهرومغناطيسي و الحث الكهرومغناطيسي . هذه المواضيع من الإليكتروديناميكا تعرف بالإليكتروديناميكا الكلاسيكية ، وكانت قد شرحت لأول مرة بواسطة جيمس ماكسويل ، ومعادلات ماكسويل تصف ظواهر هذا المجال أي الإليكتروديناميكا الكلاسيكية بطريقة جيدة وعامة . الآن هناك تطور حديث لمجال الإليكتروديناميكا الكمومية الذي يتضمن قوانين نظرية الكم لشرح تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي علي المادة . ديراك و هايسينبيرج و باولي كانوا روادا في صياغة الإليكتروديناميكا الكمية . الإليكتروديناميكا النسبية – من جهة أخري – تفسر التصحيحات التي تجريها نظرية النسبية علي سرعة الجسيمات المشحونة عندما تقترب من سرعة الضوء . وهي تنطبق على الظواهر المتضمنة في معجلات الجسيمات ، و أنابيب الإلكترون التي تحمل فروق جهد وتيارات عالية . الكهرومغناطيسية تشمل عديد من ظواهر العالم الحقيقي التي في ذاتها تعتبر ظواهر ذات خواص كهرومغناطيسية . فعلى سبيل المثال ، الضوء عبارة عن مجال كهرومغناطيسي متذبذب الذي يُـشع من جسيمات مشحونة معجلة . مبادئ الكهرومغناطيسية تجد العديد من التطبيقات في مختلف المجالات مثل موجات الميكروويف ، والهوائيات ، والآلات الكهربائية ، والاتصالات الفضائية ، والكهرومغناطيسية الحيوية ، البلازما ، والأبحاث النووية ، والألياف البصرية ، والتداخل والتوافق الكهرومغناطيسي ، وتحويل الطاقة الكهروميكانيكية ، ومعرفة الأرصاد من خلال الرادار ، والإستشعار عن بعد .

وتشمل الأجهزة الكهرومغناطيسية : المحولات الكهربية ، والمبادلات ، وأجهزة الراديو والتلفاز ، والهاتف ، والمحركات الكهربائيه ، وخطوط الإرسال ، وموجهات الموجات ، والألياف البصرية ، وأجهزة الليزر .

الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية هي علم متخصص في دراسة آثار التغيرات في درجات الحرارة والضغط والحجم على الأنظمة الفيزيائية في نطاق رؤيتنا الشخصية ، وكذلك تدرس أيضا عملية انتقال الطاقة كحرارة بالطبع . تاريخيا ؛ علم الديناميكا الحرارية - خلال عصر المحركات - تطور نتيجة الحاجة الملحة إلى زيادة كفاءة المحركات البخارية المبكرة .

نقطة الانطلاق في الملاحظات التي أدت إلي ظهور ونمو هذا العلم كانت قوانين الديناميكا الحرارية ، وهي جميع تسلم بأن الطاقة يمكن أن تتبادل بين الأنظمة الفيزيائية كحرارة أو شغل . كما إنها مسلمة أيضا بوجود كمية تسمي الأنتروبيا ، التي يمكن أن تعرف علي أي نظام . في الديناميكا الحرارية ، التفاعلات التي تتم بين المجموعات الكبيرة من الأجسام تأخذ بعين الإعتبار . وسط هذه الأمور تظهر أهمية مفهوم النظام ومفهوم الوسط المحيط ؛ النظام يتكون من مجموعة من الجسيمات التي تتحدد حالتها متوسط الحركة لهذه الجسيمات ، التي بدورها ترتبط مع بعضها البعض من خلال معادلات الحالة . هذه الخواص من خلالها يمكن تعريف الطاقة الداخلية للنظام وغيرها من المفاهيم المفيدة في تحديد الإتزان .الميكانيكا الإحصائية يمكن أن تحلل الأنظمة المرئية من خلال تطبيق المبادئ الإحصائية لمكوناتها المجهرية . وهذا بدوره يوفر إطارا لربط الخواص المجهرية للذرات والجزيئات الفردية بالخواص المرئية للمواد التي نراها في حياتنا اليومية . وذلك عن طريق فهم أعمق للمواد التي تتطرق لها الديناميكا الحرارية .

مراجع