مقالة في علم الفيزياء

مقالة في الفيزياء

تتطرق هذه المقالة الفيزيائية إلى تاريخ تطور علم الفيزياء وعلاقة علم الفيزياء بعلم الرياضيات والعلوم الأخرى ، كما أنها تعطي لمحة عن أقسام علم الفيزياء وعن الجانب النظري والتطبيقي لعلم الفيزياء 

الفيزياء (من الكلمة الإغريقية فيزيك "φυσική"، وتعني معرفة الطبيعة) هي العلم الذي يدرس المادة وحركتها. بالإضافة إلى مفاهيم أخرى كالفضاء والزمن، ويتعامل مع خصائص كونية محسوسة يمكن قياسها مثل القوة و الطاقة و الكتلة و الشحنة. وتعتمد الفيزياء المنهج التجريبي، أي أنها تحاول تفسير الظواهر الطبيعية والقوانين التي تحكم الكون عن طريق نظريات قابلة للاختبار.
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
وللفيزياء مكانة متميزة في الفكر الإنساني، فهي تأثرت كما كان لها الأثر الحاسم في بعض الحقول المعرفية والعلمية الأخرى مثل الفلسفة و الرياضيات 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؛ و كذلك تطبيقات الديناميكا الحرارية إلى التطور المذهل في مجال المحركات ووسائل النقل الحديثة؛ و الميكانيكا الكمية إلى اختراع معدات مثل المجهر الإلكتروني؛ كما كان لعصر الذرة، بجانب آثاره المدمرة، استعمالات هامة في علاج السرطان وتشخيص الأمراض وتوليد الطاقة.
معظم الفيزيائيين اليوم يكونون متخصصين في مجالين متكاملين وهما الفيزياء النظرية أو الفيزياء التجريبية، وتهتم الأولى بصياغة النظريات بإعتماد 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 كما أن هناك مجالات نظرية وتطبيقية تشهد نشاطاً وأبحاثاً مكثّفة.
ملاحظة: اعتبار أن " الفيزياء فرع من الرياضيات" عبارة خاطئة تماماً, لأن النماذج الرياضية تستعمل في علم الفيزياء فقط لتسهيل فهم الظواهر الفيزيائية. وأن مضامين النماذج الرياضية في أي علم من العلوم الطبيعية لا يتدخل في شأنها علم الرياضيات.
التاريخ
المصريون القدماء
أقدم الوثائق الفلكية هي المنقوشة على أغطية التوابيت والمسماة بالتقويمات القطرية والتي ترجع إلى فترة المملكة الوسطى (2000-1600ق.م ) وصور لتشكيلات النجوم على أسقف قبور الدولة الحديثة بعد ذلك ، فقد روقبت السماء منذ وقت مبكر و أطلقت أسماء على النجوم وميزت تشكيلاتها وكرست للآلهة بدايات علم الفلك كانت بمحاولة التنبؤ ببعض الظواهر مثل اوجه القمر والتقويم القمري ، كما عند البابليين مع فرق أن المصريين يعتبرون بدء التقويم بعدم ظهور القمر المتناقص في الصباح بينما هو ظهور الهلال في المساء المبكر عند البابليين
اهتم الفلكيون المصريون بحساب الزمن ، ويعتبر التقويم المصري من أهم إنجازاتهم حيث يقسم السنة إلى 365 يوما 12 شهرا يتألف كل منها من 30 يوما و5 أيام للاحتفال في نهاية العام .وأدت دراستهم لحركة النجوم إلي استخدام ساعة فلكية في العام (2500ق.م) تقسم الفترة بين الغسق والفجر إلي 12 ساعة في الليل ، وبعد ذلك إلى 24 ساعة في اليوم
البابليون ( حوالي 1800 قبل الميلاد )
1. اهتم البابليون بالضبط الدقيق للظواهر الفيزيائية ، وبخاصة الظهور الأول للهلال باستخدامهم دائرة الأبراج كمرجع ،وقد استطاعوا في حوالي القرن 4 قبل الميلاد من تطوير طريقة حسابية معقدة مكنتهم من التنبؤ بالظهور الأول .
2. وجد البابليون العلاقة بين التقويميين القمري والشمسي تتكون من دورة ذات 19 عام تضم 7 سنوات ذات 13 شهر قمري و12 سنة ذات 12 شهرا ، كما تدعى هذه الدورة الميتونية ، نسبة إلى ميتون الذي اقترحها في العام 432ق.م ، ولها أهمية كبيرة باعتبارها وسيلة لتحديد أحد الفصح في التقويم المسيحي .
3. الفلك البابلي قسم اليوم المصري إلى 60 دقيقة في كل ساعة واستبدل ساعة الفلكيين بساعة( التي تختلف باختلاف الليل والنهار وفق الفصول ) إلى ساعة متساوية التقسيمات
4. طرائقهم الرياضية كان لها أهمية كبيرة في تألق علوم الفلك في اليونان فيما بعد
اليونانيون
أدى استخدام أدوات القياس الستينية التي ابتكرها السومريون لقياس الزمن والزوايا و الأطوال ، واعتماد قياس الزمن بالساعة المائية و بتطوير أصول التقويم البابلي ،و استخدام فكرة الموازيين المصرية إلى تطوير مدرسة العلم اليونانية أهم إسهامات اليونانيين :
1. نظريات حول بنية الكون ، وبرز فيها اتجاهان
• استمرار التكوين: تبنت هذا الاتجاه المدرسة الرواقية ، زينو(Zeno) بين القرنين الرابع والثالث قبل الميلاد
و بوسيدونيوس (Poseidonius) القرن الأول قبل الميلاد ، انطلقت من فكرة استمرار المادة والمكان وانهما مغرقين ضمن وسط فعال ما كالهواء والذي يعطي الطبيعة وحدتها
• بسبب التعدد الواضح للكون والتنوع في الطبيعة قدم الفيزيائيون الذرييون وفي مقدمتهم ليوسيبوس Leucippus) ) منتصف القرن الخامس قبل الميلاد ، ديموقريطوس ((Democritus أواخر القرن الخامس قبل الميلاد ، تأكيدا على أن الطبيعة مؤلفة من ذرات ثابتة لا تتغير تتحرك في المكان الخالي
1. علم الفلك
• النظرية الارسطاطية قسمت الكون وصفيا إلى ملكوتين محكومين بجملتين مختلفتين من القوانين
الأرض والقمر وتسودهما الحركات المستقيمة صعودا وهبوطا فمن غير الطبيعي أن يصعد جسم ثقيل للأعلى دون مؤثر خارجي الملكوت الكوني تسوده الحركات الدائرية لتنظم كل حركات الأجرام السماوية
• نموذج البلانتيوم ارخميدس : وهو نموذج يبين حركة الشمس والكواكب والقمر والاجرام السماوية الأخرى باسقاط صورة فوتوغرافية للسماء على قبة كروية من الداخل
كما انه اخترع المحكمة (الشعيرات المتصالبة) التي استخدمها لاجراء ارصاد سماوية دقيقة
• كما برزت أفكار عديدة لتفسير الليل والنهار
o الفيثاغورثيون وضعوا الأرض في مركز الكون ولكنهم تصوروا انها على شكل كرة تتحرك على محيط دائرة صغيرة مرة كل 24 ساعة وبذلك فسروا دوران السماء الظاهري اليومي مع نجومها
o ارسطوقوس الساموزي (310-230ق.م ) أول من قدم نظرية تقول بمركزية الشمس في الكون
كما انه استنتج ان بعد الشمس عن الأرض أكبر بعدة مرات من بعد القمر عنها وبسبب انهما يبدوان بنفس الحجم للارض لذلك فان الشمس أكبر بكثيرالارض و القمر ومن المعقول أكثر ان يدور الجسم الصغير حول الكبير أي ان الأرض هي التي تدور حول الشمس
•
o هيراقليدس القرن 4 ق.مقبل ارسطوقوس اقترح ان الأرض تتحرك بطريقة دورانية حول مركزها من الغرب إلى الشرق كما يدور دولاب ذو محور ، كما انه افترض ان الزهرة يجب أن تدور حول الشمس وليس حول الأرض واستدل على ذلك من تبدل بريقها الظاهري بشكل ملحوظ نتيجة تغير بعدها عن الأرض
o أبو لينوس البرجي طور هندسة حركة الكواكب الظاهرية التقهقرية
o ايراتوستين الاسكندروني عين مقدا محيط الأرض تعينا دقيقا
o هباخروس دراسة الاعتدالين بالاضافة إلى فهرست النجوم ، كما يرجع له مفهوم قدر النجم ، وقسم النجوم في مراتب حسب لمعانها الظاهري كما استنتج المدة التي يبقى فيها القمر مخسوفا بشكل دقيق
إنجازات الإغريق في الميكانيك
• النظرية الارسطاطية الميكانيكية (Aritotle:384-322bc)
ليس ثمة حركة وطيدة ما لم يكون ورائها سبب ثابت ، وإذا تحرك جسم عبر وسط مقاوم فان حركته تتناسب مع طبيعة هذا الوسط ، ومن هنا اعتبر أرسو الخلاء هو الوسط ذو المقاومة المعدومة
•
o توازن السوائل نظرية ارخميدس (Archimedes3rd century bc)
أرسى أصول علم التوازن و تحريك السوائل من خلال ابتكاره فرضيات فيزيائية عبقرية ذات بنية رياضية متقدمة . كما انه كان مميزا في حل لغز الأجسام الطافية وقياس كثافة السوائل بالاضافة إلى اختراعه ( الشادوف )حلزون ارخميدس والذي يسحب فيه الماء من النهر بتدرويه
•
o تحريك السوائل هيرو الإسكندري (Hero of Alexandria : 3-2 nd century bc)
وضع أربعة كتب في السوائل هي pneumatica، autometopitica، belopoeica، and cheirobalistra وجاء فيها تقديم أصول تحريك السوائل بمعناها التقليدي السائد اليوم وتطبيقاتها في الحرب ( قذف المتفجرات ) والسلم ( رفع الأثقال وصنع الساعات وتحريك مطاحن الحبوب) وكان الابتكار الرئيسي له هو في ابتكار أول آلة تعمل بقوة البخار ( الآلة الحرارية الأولى)
•
o مرونة الهواء ستيبيوس (Stesibius: 3-2 century bc )
من أهم اختراعاته ضاغطة الهواء ، قاذفة الذخيرة الحربية ، الساعة المائية –الهوائية
•
o اختراع المكينات الخمس: الرافعة البكرة دارة اللف السفين اللولب بالاضافة للعجلة المسننة
o دراسة حركة الاجسام الساقطة والمقذوفة وعرفوا انها تسارعية
o استخدمت مثلث القوى كطريقة مشابهة للتحصيل الشعاعي لتحصيل مسببات التحريك
o قدمت طريقة تفصيلية للآلة الرافعة ( التناسب العكسي بين القوة والذراع )
1. إنجازات الإغريق في علم الضوء الهندسي
برزت بدايات علم الضوء الهندسي وتطبيقاته عبر أعمال اقليدس (euclid) 300 ق.م وبطليموس139 ق.م ارخميدس 287-212 ق.م أهمها قياسات بطليموس واقليدس بالنسبة للانكسار والانعكاس كما يروى ان ارخميدس اشعل النيران في اسطول العدو عند محاصرة الرومانيين لسرقسطة ( بلدة ارخميدس) عن طريق تركيز أشعة الشمس المنعكسة عليها بواسطة المرايا كما ثار صراع حاد حول تفسير ظاهرة الرؤية في عزوه إلى صدور ضوء من العين نحو الأشياء فتراها (امبيدوكليس Empedocles) 400 ق. م أو عزوها إلى انعكاس الضوء عن الأجسام المرئية ووقوعها على العين المبصرة(ديموقريطوس وآخرون )
1. مساهمات الإغريق في الكهرباء والمغناطيسية
لا يوجد مساهمات تذكر للإغريقيين في مجال الكهرباء والمغناطيسية سوى
• تمكن تالس ( (Thales 640-546bc من التعبير عن وجود القوى الكهربائية ومن تسمية صمغ الكهرمان بالإلكترون اشتق منه اسم الكهرباء

• رعاة الإغريق هم الذين اكتشفوا الظاهرة المغناطيسية من خلال عثورهم على فلز الماغنيت
1. مساهمات الإغريق في مجال الصوت
تجسد اهتمام الإغريقيين بالصوت من خلال دراستهم للموسيقى فهي تمثل الجانب التجريبي لعلم الرياضيات ، من أوائلهم فيثاغورث phythagorath580-500 الذي تمكن من ابتكار البداية الرئيسية للسلم الموسيقي وتابع ارستوكسينو س(Aristixenus4th century bc)تطوير هذا السلم كما ان الفيثاغورثيون اكتشفوا ان تناغم الاصوات الموسيقية يتعلق بمدى انتظام المجالات الفاصلة بين طبقات الاصوات المتناغمة ، كما انهم عمموا الفكرة إلى درجة انهم افترضوا وجود تناغم كوني فسروا به حركات الكواكب الظاهرية التي قرنوها مع علامات موسيقية ذات طبقات مختلفة .
الفيزياء عند العرب
لحسن حظ العالم، فإن ميراث الفلاسفة اليونان انفذ من الضياع بل وأثري ونقح وبإضافات وتصحيحات على ما جاء في التراث الإغريقي.وأن عددا من العلماء المسلمين أحاط بمعرفة الأولين من أمثال أرسطو وبطليموس (وغيرهم) إلى اللغة العربية، وعلقوا تعليقات عظيمة عليهاوقدموا عددا من الابتكارات في مجال علم الفلك، والبصريات، والرياضيات (بما في ذلك استخدام "الأرقام العربية" ، كادخال الصفر كمتغير). فعلى سبيل المثال ، آلبتاني (858-929) قدم تحسينات لبطليموس حول مدارات الشمس والقمر ، جمع واكتشف عدد من النجوم وبين مداراتها ، وعمل على ايجاد أدوات فلكية جديدة. (ابن باجة ( 1095-1138) وضع بين خطا الأفلاطونية الجديدة اتلي أتى بها الفيلسوف جون افلاطونيس. القرن السادس م) ، كان يعتقد زمن سقوط كتلة يتناسب مع وزنها. بعد سقوط الاندلس خلال القرن الثاني عشر ، أصبحت العلوم القديمة متاحة مرة أخرى في الغرب اللاتيني. المعلقون العرب مثل ابن رشد (ابن رشد، 1126-1198) وأصبح ذا نفوذ من بين المترجمين لأن ترجته لأرسطو كانت أقرب إلى النصوص الأصلية ومختلفة تماما عن وطأة الكنيسة والترجمات المحرفة والتي ألفها الغرب . 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 القمر وتشكيلات النجوم. وقد توصل الفلاسفة الإغريقيون إلى استنباط نظريات أولية لتفسير تلك الظواهر، وذلك باتباع منهج منطقي واستدلالي بحت في ما يسمى بالفلسفة الطّبيعية. وكان للحضارة العربية-الإسلامية دور رئيسي في بداية صياغة هذا العلم (الذي كان يعرف بالطبيعيات)، خاصة مع إسهامات الحسن بن الهيثم، والذي يعتبر رائد المنهج العلمي في كتابه المناظر، وأبو الريحان البيروني في ما يختص بحركة الأجسام والأوزان النوعية.
وأدى تطور المنهج العلمي، خلال القرن السابع عشر، إلى وضع أسس علم الفيزياء الحديث من قبل فرانسيس بيكون وغاليليو غاليلي 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 بهندسة الزمكان.
وفي جانب آخر إستطاعت الميكانيكا الكمومية وصف سلوكات الجسيمات الأولية والذرات والجزيئات، وفي هذا المقياس تختلف القوانين الفيزيائية عن تلك التي تخضع لها الأجسام ذات الأحجام العادية.
النظريات الأساسية
الميكانيكا الكلاسيكية
تصف الميكانيكا الكلاسيكية القوى التي تؤثر على حالة الأجسام المادية وحركتها. وغالبا ما يشار إليها بإسم "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. 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 بإعتماد 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 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 و هو ما يُمَكن من إستنتاج 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 و شاملة 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 إستنتاجهما رياضيًا من قانون نيوتن العام للجاذبية. وقد ساهمت هذه الفكرة ومفادها أن التوصل لقوانين كليّة يمكنها وصف الظواهر الكونية على إختلافها أمر ممكن، إلى بروز الميكانيكا الكلاسيكية كعنصر هام في الثورة العلمية وذلك خلال القرنين السابع والثامن عشر.

الكهرومغناطيسية
تدرس الكهرومغناطيسية التفاعل الذي يتم بين الجسيمات المشحونة وبين المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية. ويمكن تقسيم الكهرومغناطيسية إلى؛ كهرباء ساكنة أو "إلكتروستاتيكا" وهي تدرس الشحنات والحقول الكهربائية الساكنة، والديناميكا الكهربائية أو "إلكتروديناميكا" وهو يصف التفاعل بين الشحنات المتحركة والإشعاع الكهرومغناطيسي. ومع أن المعرفة الكهرباء والمغنطيسية تطورت منذ القدم بشكل منفصل، فقد توصلت النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية، خلال القرنين الثامن و التاسع عشر، إلى تحديد العلاقة بين الظاهرتين من خلال قانون لورنتز ومعادلات ماكسويل. وتمكنت هذه الأخيرة من وصف الموجات الكهرومغناطيسية وفهم الطبيعة الموجية للضوء.
تهتم الكهرباء الساكنة بدراسة الظواهر المرتبطة بالأجسام المشحونة في حالة السكون، والقوى التي تسلطها على بعضها البعض كما يصفها قانون كولوم. ويمكن تحليل سلوك هذه الأجسام من تجاذب أو تنافر من خلال معرفة القطبية والمجال الكهربائي المحيط بها، حيث يكون متناسبا مع مقدار الشحنة والأبعاد التي تفصلها. للكهرباء الساكنة عدة تطبيقات، بدءا من تحليل الظواهر الكهرومغناطيسية مثل العواصف الرعدية إلى المكثفات التي تستعمل الهندسة الكهربائية.
وعندما تتحرك الأجسام المشحونة كهربائيا في حقل كهرومغناطيسي فإنها تنتج مجالا مغناطيسيا يحيط بها فتختص الديناميكا الكهربائية بوصف الأثار التي تنتج عن ذلك من مغناطيسية وإشعاع الكهرومغناطيسي وحث كهرومغناطيسي. وتنظوي هذه المواضيع ضمن ما يعرف بالديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، حيث تشرح معادلات ماكسويل هذه الظواهر بطريقة جيدة وعامة. وتفضي هذه النظريات إلى تطبيقات مهمة ومنها المولدات الكهربائية والمحركات الكهربائية. وفي العشرينات من القرن العشرين، ظهرت نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية وهي تتضمن قوانين الميكانيكا الكمومية، و تصف التفاعل بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة عن طريق تبادل الفوتونات. وهناك صياغة نسبية تقدم تصحيحات لحساب حركة الأجسام التي تسير بسرعات تقارب سرعة الضوء. تتدخل هذه الظواهر في معجلات الجسيمات و الأنابيب 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 والعلمية والطبية. وما الأجهزة الكهربائية مثل الراديو، والتلفاز، والهاتف، والقطارات المغناطيسية المعلقة، والألياف البصرية، وأجهزة الليزر إلا بضع أمثلة عن هذه التطبيقات التي صنعت تقدما نوعيا في تاريخ البشرية.
الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية
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.

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على مبدئ حفظ الطاقة، وذلك بأن التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق و ساكن، 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. و توصل لهذين القانونين الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو في بداية القرن التاسع عشر. وفي سنة 1865، أدخل الفيزيائي الألماني رودلف کلاوزیوس دالة الإنتروبية، ومن خلالها يصاغ القانون الثاني على أن "التحول التلقائي في نظام معين لا يمكن أن يتحقق بدون أن ترتفع هذه القيمة فيه وفيما حوله". تُعبر الإنتروبية، 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.
النسبية
أحد أدق الإختبارات التي أجريت على نظرية النسبية العامة كانت من قبل المسبار الفضائي كاسيني-هايجنس، في 10 أكتوبر 2003: شعاع الراديو (باللون الأخضر) الذي أرسل من الأرض نحو المسبار وقع تأخيره، تحت تأثير الإنحناء الذي أحدثته جاذبية الشّمس في بنية الزمكان (باللون الأزرق)، وذلك بالمعدل الذي تنبئت به النظرية
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
اقترح نظرية النسبية الخاصة الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين، سنة 1905، في ورقة بحثية شهيرة بعنوان "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" 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
(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
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 الكتلة والأبعاد 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
ومن أهم النتائج الأخرى مبدئ التكافئ بين المادة والطاقة، و هو 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 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 إنحناء 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 شادة أو "تينسور" الإجهاد - الطاقة وهو كائن هندسي يصف عبر مكوناته عدة كميات فيزيائية مثل الكثافة، والتدفق، والطاقة، والزخم، والزمكان. ويمكن القول بطريقة مبسطة، أن شادة الإجهاد - الطاقة هو سبب وجود مجال تثاقلي في زمكان معين وذلك بشكل أعم من ما تفعله الكتلة وحدها في قانون نيوتن الكلاسيكي للجاذبية .
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 بإنحناء 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 بالإنفجار العظيم، وتوسع الكون، وطاقة الفراغ، والثقوب السوداء.
الميكانيكا الكمومية
محاكاة رقمية لمفعول النفق الكمومي. البقعة المضيئة في اليسار تمثل حزمة موجية لإلكترون تقوم بالإنعكاس على حاجز طاقة. لاحظ إلى اليمين انتقال بقعة قاتمة، وهذا هو الجزء اليسير من الحزمة الموجية التي إستطاعت الإنفاق من خلال حاجز تحجر تخطيه مبادئ الميكانيكا الكلاسيكية. و يستعمل 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". و قد 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، و هي 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 و بدرجة 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 إحتمالية. 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 و الخطية (المصفوفات) ضمن صياغة أشمل في إطار نظرية النسبية الخاصة. وقد تنبأت صياغته بوجود الجسيمات المضادة. وتم تأكيد هذا الأمر تجريبيا سنة 1932، بإكتشاف 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 و بنية 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 صنوف البكتيريا.
وكذلك عملية الإبصار لدى الحيوانات. ويعمل الباحثون في الوقت الحاضر على العديد من التطبيقات الأخرى المستقبلية في المعلوماتية، مثل الترميز الكمومي والحاسوب الكمومي

فيزياء رياضية
بداية قد يتسم هذا الفرع من الفيزياء بالنزعة الرياضية الغير مسبوقة في أي من العلوم المتضافرة فنجد أننا كالعادة نستخدم الحلول الرياضية لتفسير الظواهر الطبيعية ولكن الاختلاف هنا أنك تشعر بأنك تقوم بعمل تطبيق لمعادلة فنجد أنه على سبيل المثال نستخدم متسلسلة فوريير المركبة وتحويل فوريير لحل بعض الدوال التي قد يصعب حلها بالطرق الرياضية العادية فنستخدم متسلسلة فوريير المركبة لحل الدوال الفيزيائية التي تصف شكل الموجات مثلا حيث تكون هذه الدوال دورية Periodic Functions وفي حالة كو ن المعادلة غير دورية Non Periodic Functions نستخدم معها تحويل فوريير لحلها فهي كما ذكرت مسبقا قد يعتبرها الدارس أنها تطبيق على المعادلات الرياضية فنجد أيضا أننا نستخدم تحويل لابلاس أيضا لحل مثل هذه المشكلات ونتحدث عن تحويل فوريير باختصار هو تحويل ينقل الدالة من نطاق إلى نطاق آخر سهل التعامل مع الدالة التي به . السؤال الآن متى نستخدم تحويل فوريير ؟؟؟ للدوال الغير دورية Non Periodic Functions . f (t) = F (w) . عندما نؤثر بالتحويل نلاحظ أن النطاق اختلف من t إلى w وعند التعويض بحدود التكامل في t نلاحظ أنه يعطي دالة في w t w لو أن النطاق الأول مثلا بها X يكون النطاق الثاني 1/x
وهناك شرط أن هناك شرط كافي للحصول على تحويل فوريير ولكن ليس بالضروري لوجود تحويل فوريير وهذا الشرط هو أن التكامل من سالب ما لا نهاية إلى موجب ما لا نهاية بالنسبة للقيمة المطلقة للدالة f(t) بالنسبة للـ t أصغر من مالا نهاية
فلسفة الفيزياء
هي دراسة الأسئلة و النواحي الفلسفية الأساسية التي تطرحها الفيزياء خصوصا الفيزياء الحديثة ، ودراسة المادة و الطاقة و كيفية تآثرهما مع بعضهما . أحد أهم الأسئلة الأساسية هي طبيعة الزمان و المكان ، الذرات و المذهب الذري . أيضا تنبؤات علم الكون (الكوسمولوجيا) و تفسيرات ميكانيكا الكم ، أسس الميكانيكا الإحصائية ، السببية ، الحتمية ، طبيعة القوانين الفيزيائية .
قديما كانت تدرس العديد من هذه القضايا ضمن الميتافيزيقيا (كقضايا السببية و الحتمية و الزمان و المكان )، لكن هذه القضايا لم تعد مطروحة بشكل نقاش فلسفي بحت بل أصبح يتعلق بنتائج الفيزياء الحديثة ببعديها النظري و التجريبي فهي تشكل جزءا أساسيا من فلسفة العلوم بل هي المكون الأساسي لهذه الفلسفة و الكثر بحثا و تطورا ضمن فلسفات العلوم الطبيعية .

الظاهرة الفيزيائية
عبارة عن ظاهرة قابلة للوصف عن طريق الفيزياء و قوانينها بما في ذلك أشكال المادة و الطاقة و الزمكان. الظواهر الفيزيائية تعتبر عادة ، على الأقل نظريا ، موضوع الرصد الفيزيائي. نيلز بور ، أحد الآباء المؤسسين لمبكانيك الكم يقول : "لا ظاهرة تصبح ظاهرة حقة ما لم تكن ظاهرة ملحوظة/يمكن رصدها"
تترافق الظاهرة عادة مع نوع من انواع التغير ، لكن ليس من الضروري أن يكون تغيرا مرئيا بشكل مباشر . أحد أهداف الفيزياء هي تجميع الظواهر في أصناف ضمن انماط و أسباب متعددة . مثلا إسحاق نيوتن رصد ظاهرة سقوط التفاحة مع ذلك فسرها بنفس سبب دوران القمر حول الأرض دون سقوطه ألا و هو الثقالة (الجاذبية) رغم تباين النتائج . بنفس التفسير تقريبا استطاع يوهان كبلر أن يبرهن أن المريخ و الكواكب الأخرى يجب ان تدور حول الشمس في مدراات إهليليجية .
الموضوع منقول 

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

سجل إعجابك وشارك زملاءك لتصلكم مواضيعنا القادمة إن شاء الله تعالى 

يمكنكم الإنضمام إلى الموقع من قائمة المتابعون في اليسار

تعديل المقال