فيزياء
.jpg&filetimestamp=20230131232929&)
| جزء من سلسلة عن |
| الفيزياء |
|---|
 |
الفيزياء (من الكلمة الإغريقية فيزيك "φυσική"، وتعني معرفة الطّبيعة) هي العِلم الذي يدرس المادة وحركتها. [1] 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 الطّبيعية والقوانين التي تحكم الكون عن طريق نظريات قابلة للاختبار. [2]
تعتبر الفيزياء من أحد أقدم التّخصصات الأكاديمية، فهي قد بدأت بالبزوغ منذ العصور الوسطى وتميزت كعلم حديث في القرن السابع عشر، وبإعتبار أن أحد فروعها، وهو علم الفلك، يعد من أعرق العلوم الكونية على الإطلاق [3].
وللفيزياء مكانة متميزة في الفكر الإنساني، فهي تأثّرت 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؛ و كذلك تطبيقات الديناميكا الحرارية إلى التطور المذهل في مجال المحركات ووسائل النقل الحديثة؛ والميكانيكا الكمية إلى اختراع معدات مثل المجهر الإلكتروني؛ كما كان لعصر الذرة، بجانب أثاره المدمرة، استعمالات هامة في علاج السرطان وتشخيص الأمراض وتوليد الطاقة.
الفيزياء physics من أكثر العلوم أهمية لفهم العالم المحيط بالإنسان. فالعلماء على تعدد اختصاصاتهم يستخدمون أفكاراً فيزيائية، بدءاً من الكيميائيين الذين يدرسون بنى الجزيئات، حتى علماء المستحاثات paleontologists الذين يبحثون في أنماط الحياة في العصور الجيولوجية السالفة، كما يستنبطونها من دراسة المتحجِّرات أو المستحاثات الحيوانية أو النباتية. والفيزياء كذلك أساس العلوم الهندسية والتقانة؛ إذ لا يمكن لمهندس أن ينجز أي جهاز علمي صالح للاستثمار من دون فهم الأسس والقوانين الفيزيائية.
إن الحدود الفاصلة بين الفيزياء وبقية العلوم هي حدود غير واضحة تماماً، فالفيزياء الطبية medical physics مثلاً تُعْنَى بجسم الإنسان إضافة إلى الفيزياء، وكذلك الكيمياء الفيزيائية physical chemistry والفيزياء الفلكية astrophysics والفيزياء الحيوية biophysics والجيوفيزياء geophysics وغيرها من الفروع العلمية.
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 إكتشاف 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 [4]، كما أن هناك مجالات نظرية وتطبيقية تشهد نشاطاً وأبحاثاً مكثّفة.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التاريخ
مقالة مفصلة: تاريخ الفيزياء
الفيزياء عند العرب
لحسن حظ العالم، فإن مميراث 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 فلكيةجديدة. (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 إستنباط 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 إسهمات الحسن بن الهيثم، والذي يعتبر رائد المنهج العلمي في كتابه المناظر، وأبو الريحان البيروني في ما يختص بحركة الأجسام والأوزان النوعية [5].
فالمسلمين الذين قدَّموا إسهامات قيِّمة في الضوء والبصريات، كما كانت لهم إسهامات لا تُنكر في الجبر والحساب، ومن أشهر علمائهم في هذا الميدان الخوارزمي. وكانت لهم أبحاث في الميكانيك وكان يُدْعَى علم الحِيَل، وقد طبقوا معارفهم تلك في صناعة الروافع والموازين وغيرها، إضافة إلى إسهاماتهم في ميدان الفلك فما زالت أسماء عدد من النجوم والأبراج تحمل أسماء عربية.
بعض العلماء المسلمين
|
|
|
وأدى تطور المنهج العلمي، خلال القرن السابع عشر، إلى وضع أسس علم الفيزياء الحديث من قبل فرانسيس بيكون وگاليليو گاليلي 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 إكتشافه، مع گوتفريد لايبنتس، 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 [6].
النظريات الأساسية
الميكانيكا الكلاسيكية
- مقالة مفصلة: 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 إفتراض أن الجسم المادي المراد دراسته يكون صلبًا وفي شكل نقطة [7]. 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 [6] 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
- مقالة مفصلة: 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 و الميكانيكا الإحصائية
- مقالات مفصلة: الديناميكا الحرارية
- الميكانيكا 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
- مقالات مفصلة: نظرية النسبية الخاصة
- نظرية النسبية العامة
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 [9].
اقترح نظرية النسبية الخاصة الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين، سنة 1905، في ورقة بحثية شهيرة بعنوان "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" [10] 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 [11]، (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 [12].
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 [13].
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 إنحنائه. وتعتمد في ذلك بشكل أساسي على شادة أو "تينسور" الإجهاد - الطاقة [14]، 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 [15].
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 إنزياح 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
- مقالة مفصلة: ميكانيكا الكم
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 وإستقرار 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 إحتمال 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 إنطلاقا 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 [16]. وكذلك عملية الإبصار لدى الحيوانات. ويعمل الباحثون في الوقت الحاضر على العديد من التطبيقات الأخرى المستقبلية في المعلوماتية، مثل الترميز الكمومي والحاسوب الكمومي.
مجالات الفيزياء
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
الديناميكا الهوائية
الديناميكا الهوائيةaerodynamics، علم يختص بدراسة حركة الغازات، وخاصة الهواء وحركة الأجسام خلاله.[17]
الصوتيات
الصوتياتacoustics، علم يُعنى بتوليد الأمواج الصوتية وانتشارها وخصائصها.
الفيزياء الهوائية
الفيزياء الهوائيةaerophysics، علم يختص بدراسة الجو المحيط بالأرض، وتفاعله مع الأجسام التي تتحرك خلاله بسرعات عالية، وكذلك تصميم أجهزة الديناميكا الهوائية وتركيبها وتشغيلها.
الفيزياء الفلكية
الفيزياء الفلكية astrophysics ، علم دراسة تركيب النجوم والكواكب، وطاقة النجوم وسماتها الظاهرية والفيزيائية.
الفيزياء الجوية
الفيزياء الجوية atmospheric physics، فرع الفيزياء الذي يدرس الخصائص الفيزيائية للغلاف الجوي.
الفيزياء الذرية
الفيزياء الذرية atomic physics، فرع الفيزياء الذي يُعنى بدراسة تركيب الذرة، وخصائص الجسيمات الذرية التي تتكون منها الذرة، وتفاعلات الإشعاعات مع ذرات المواد.
البالستيات
البالستيات ballistics، علم يُعنى بحركة الأجسام التي تُقذف في الفضاء، وخاصة القذائف الصاروخية وقذائف المدافع وطلقات الرصاص.
الفيزياء الحيوية
الفيزياء الحيوية biophysics، فرع من فروع الفيزياء تتم فيه دراسة الأعضاء الحية بوساطة التقانات الفيزيائية، كما يعنى بدراسة فيزياء العمليات والظواهر الفيزيائية.
الفيزياء التقليدية
الفيزياء التقليدية classical physics، علوم الفيزياء التي تعتمد النظريات الفيزيائية لنيوتن أساساً لها، ولا تشتمل على النظرية الكمومية والنظرية النسبية.
فيزياء درجات الحرارة المنخفضة
فيزياء درجات الحرارة المنخفضة cryogenicsالعلم الذي يختص بتوليد درجات الحـرارة شديدة الانخفاض، وبدراسة خصائص المـواد عند هذه الدرجات ويدعى كذلك فيزياء درجـة الحرارة المنخفضة low-temperature physics.
علم البلّورات
علم البلّورات crystallographyالعلم الذي يختص بأشكال البلورات وخصائصها وبنائها، ومنها الخصائص التي تتغير من اتجاه إلى آخر في البلورة.
البصريات الإلكترونية
البصريات الإلكترونية electronoptics، دراسة سلوك شعاع إلكترونات في المجالات المغنطيسية والكهربائية الساكنة والتحكم في الشعاع بوساطتهما.
الكهربصريات
الكهربصريات electro-optics، دراسة آثار الحقول الكهربائية في الخصائص البصرية للعوازل.
الكهرباء الساكنة
الكهرباء الساكنة electrostatics، دراسة ما يتصل بخصائص الشحنات الكهربائية الساكنة، وقوى كولون الفاعلة بينها.
فيزياء الجسيمات الأولية
فيزياء الجسيمات الأولية elementary particl physics، دراسة الجسيمات التي تمثل اللَّبِنات الأساسية لبناء المادة والطاقة، كالفوتونات واللبتونات والباريونات وغيرها وتفاعلاتها أو تفككاتها إلى جسيمات أخرى.
المغنطيسية الحديدية
المغنطيسية الحديدية ferromagntism، خاصية المواد التي تتأثر بالمجالات المغنطيسسية، أو ذات النفاذية العالية.
ديناميكا الموائع fluid dynamics
ديناميكا الموائع fluid dynamics، العلم الذي يُعنى بدراسة حركة الموائع، بما في ذلك الموائع اللزجة وغير اللزجة، والقابلة للانضغاط أو غير القابلة لذلك، وقوى الطفو وغير ذلك.
المغنطيسية الأرضية geomagnetism
المغنطيسية الأرضية geomagnetism، دراسة مجال المغناطيسية الأرضية وتغيراته، والعناصر الأساسية لهذا المجال عند أي نقطة على سطح الأرض.
البصريات الهندسية
البصريات الهندسية geometrical optics، فرع من الفيزياء يعالج الضوء على أنه يتكون من أشعة تصدر عن منبع وتنتشر في الاتجاهات المختلفة، وتنكسر أو تنعكس في مسارات وفق قوانين محددة ومن دون اعتبار لطبيعة الضوء ذاته.
فيزياء الطاقة العالية
فيزياء الطاقة العالية high energy physics، فرع الفيزياء، الذي يُعنى بدراسة خصائص الجسيمات الأولية، وخاصة من خلال تصادمات الجسيمات ذوات الطاقات العالية وتفككاتها.
السوائل الساكنة
السوائل الساكنة hydrostatics، العلم الذي يعنى بدراسة خصائص السوائل الساكنة من طفو وضغط وتوتر سطحي وغير ذلك.
علم الحركة
علم الحركة kinematics، دراسة حركة الأجسام بغض النظر عن كتلتها أو القوى الفاعلة فيها.
المغنطيسية
المغنطيسية magnetism، فرع العلم الذي يعنى بمعالجة قوانين القوى المغنطيسية وظروفها، وكذلك آثارها وأسباب وجودها.
الهدروديناميكا المغنطيسية
الهدروديناميكا المغنطيسيةالعلم الذي يعنى بدراسة حركة الموائع وفعلها المتبادل في المجالات المغنطيسية.
الميكانيك
الميكانيك mechanics، فرع العلم الذي يعنى بدراسة تأثير القوى في الأجسام أو النظم الفيزيائية، أو بمحاولة وضع القواعد العامة للتنبؤ بسلوك هذه النظم تحت تأثير الفعل المتبادل بينها وبين الوسط المحيط.
الفيزياء الطبية
الفيزياء الطبية medical physics، فرع الفيزياء الذي يعنى بتطبيق الفيزياء في المجالات الطبية، ومن أهمها العلاج بالإشعاع والطب النووي والإلكترونيات الطبية.
علم القياس
علم القياس metrology، فرع العلوم الذي يعنى بالقياسات الدقيقة للمقادير الأساسية وهي الكتلة والطول والزمن، أو هو علم أجهزة القياس.
الفيزياء النووية
الفيزياء النووية nuclear physics، فرع الفيزياء الذي يعنى بدراسة نوى الذرات وتفاعلاتها بعضها مع بعض.
قائمة لأهم الأحداث في تطور الفيزياء
وفيما يأتي سرد تاريخي لأهم الأحداث في الفيزياء التي كان لها تأثير محسوس في تطور هذا الحقل المهم من حقول المعرفة:
- عام 1583 وضع غاليليه قانون اهتزاز النواس.
- عام 1637 درس ديكارت Descartes قوانين انكسار الضوء.
- عام 1648 وضَّح باسكال Pascal وجود الضغط الجوي.
- عام 1687 أعلن نيوتن Newton قانون التجاذب العالمي بين الكتل المادية.
- عام 1785 أعلن كولون Coulomb القانون الناظم للقوى بين الشحنات الكهربائية الساكنة.
- عام 1819 اكتشاف أورستد Christian Oersted الأثر المغنطيسي للتيار الكهربائي.
- عام 1827 أعلن أوم Ohm قانونه الخاص بالتيار الساري في دارة كهربائية.
- عام 1831 اكتشاف مايكل فاراداي Michael Faraday ظاهرة التحريض المغنطيسي.
- عام 1847 أعلن هلمهولتز Helmholtz قانون انحفاظ الطاقة.
- عام 1851 برهن فوكو Foucault على دوران الأرض من خلال تجربة النواس المعلّق.
- عام 1865 توصل ماكسويل Maxwell إلى صياغة النظرية الكهرمغنطيسية في الضوء.
- عام 1887 برهن مايكلسون ومورلي Michelson & Morley على ثبات سرعة الضوء.
- عام 1895 اكتشاف ولهلم رونتجن Wilhelm Rontgen الأشعة السينية.
- عام 1896 اكتشف بكرل Becquerel النشاط الإشعاعي.
- عام 1897 دراسة ج.ج.طومسون J.J.Thomson لحادثة الانفراغ في الغازات واكتشافه الإلكترون.
- عام 1900 أعلن بلانك Planck النظرية الكمومية.
- عام 1904 دراسة اللورد رالاي Lord Rayleigh لكثافة الغازات واكتشاف الأرغون، وكذلك اكتشاف وليام رامزي William Ramsay الغازات الخاملة الهليوم والنيون والكزينون والكريبتون وتحديد مواضعها في الجدول الدوري للعناصر.
- عام 1908 اكتشاف هايك كامرلنغ أونس Heike Kamerlingh Onnes ظاهرة الناقلية الفائقة وتمييع الهليوم.
- عام 1912 دراسة ماكس فون لاو Max T.F. Von Laue انعراج الأشعة السينية على البلّورات، وتوضيحه أن الأِشعة السينية هي ضرب من الأمواج الكهرمغنطيسية.
- عام 1914 دراسة روبرت مليكان Robert Milikan للمفعول الكهرضوئي تجريبياً.
- عام 1922 اكتشاف آرثر كومتون Arthur Compton مفعول كومتون حول تغير طول موجة الأشعة السينية لدى تبعثرها على ذرات المادة.
- عام 1926 أعلن شرودنغر Schrodinger معادلته في ميكانيك الكم.
- عام 1938 اكتشف هاهن وشتراسمان Hahn & Strassmann ظاهرة الانشطار النووي.
- عام 1939 ابتكار إرنست لورنس Ernest Lawrence مسرِّع السيكلوترون.
- عام 1946 اكتشاف فلكس بلوخ Felix Bloch وإدوارد ملز بارسل Edward Mills Purell ظاهرة التجاوب المغنطيسي النووي في السوائل والغازات.
- عام 1956 ابتكار جون باردين John Bardeen وولتر براتين Walter Brattain ووليام شوكلي William Shockley لترانزستور.
- عام 1962 اكتشف باردين وكوبر وشريفر Barden, Cooper & Schrieffer ظاهرة الناقلية الفائقة Superconductivity.
- عام 1965 اكتشاف روبرت ويلسون Robert Wilson إشعاع الخلفية الكوني background cosmic radiation.
- عام 1981 ابتكار روهرر Heinrich Rohrer المجهر الإلكتروني النفقي الماسح Scanning tunneling microscope.
- عام 1987 اكتشاف كارل مولر Karl Müller وجورج بندورز Georg Bendorz ظاهرة الناقلية الفائقة في درجات الحرارة العالية.
- عام 1991 التوصل إلى الاندماج النووي المتحكَّم فيه.
- عام 1993 اكتشاف رسل هلس Russell Hulse الأمواج الثقالية gravitational waves.
انظر أيضاً
 |
 |
توضيحات ومراجع
- ^ مقولة مجازية تنسب للفيلسوف الفرنسي ديكارت: "أعطني المادة والحركة، وسأبني لك الكون."
- ^ ريتشارد فاينمان في R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands (1963), The Feynman Lectures on Physics, ISBN 0-201-02116-1
- ^ 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.
- ^ ومنها على سبيل المثال، لغز المادة المظلمة، ومسألة العلاقة بين تمدد الكون وطاقة الفراغ.
- ^ السيرة الذاتية للبيروني،
J O'Connor and E F Robertson. Al-Biruni
- ^ أ ب أجسام في مقياس بشري (مثل كرة المضرب و ناطحة السحاب) أو مقياس فلكي (مثل الكواكب والمجرات) أو مجهري (مثل البكتيريا وبعض الجزيئات العضوية).
- ^ أي أن الأبعاد بين النقاط المكونة للجسم لا تتغير مع الزمن.
- ^
موقع ناسا يصف التجربة.
- ^
ألبرت أينشتاين (1920)، Relativity: The Special and General Theory ، ويكي مصدر.
- ^
ألبرت أينشتاين (1905)،
Zur Elektrodynamik bewegter Körper، في
Annalen der Physik 17:891-921.
PDF
- ^ هذه المسلمة "Postulate" في الحقيقة تعميم لنسبية غاليليو غاليلي، فعلى سبيل المثال شخص يركب عربة معزولة عن العالم الخارجي بإحكام، و متحركة 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 مبدىء العطالة وإطار مرجعي غاليلي).
- ^
Special Relativity/Principle of Relativity، ويكي الكتب.
- ^
Special Relativity/Simultaneity, time dilation and length contraction، ويكي الكتب.
- ^ شادة الإجهاد - الطاقة هي محاولة لتعريب "Stress-energy tensor".
- ^
ستيفان فاينر (2002)، Lecture12: The Stress Tensor and the Relativistic Stress-Energy Tensor، في Introduction to Differential Geometry and General Relativity.
- ^
روزان سونسيون (2007)، Biophysics: Quantum path to photosynthesis، مجلة نيتشر (446, 740-741).
- ^ أحمد حصري. "الفيزياء". الموسوعة العربية. Retrieved 2012-09-01.
