الفيزياء : علم الطبيعة . لكي نعرف علم الفيزياء نبدا بهذا المدخل التاريخي و منذ
قديم الزمان بدا الانسان باجراء رصد منتظم لظواهر الطبيعة من خلال سعيه لملاحظة تتابع الظواهر
التي تقع في الطبيعة .ونتيجة لذلك تعلم الانسان كيف يتنبا بالعديد من الظواهر الطبيعية كتوالي
فصول السنة واوقات الفيضانات فى الانهار . ووظف الانسان هذه المعلومات لخدمته في مجالات الحياة
المختلفة مثل وقت البذر ووقت الحصاد ولذلك اقتنع الناس بان دراسة ظواهر الطبيعة تعود عليهم
بالخير العميم , ولهذا ظهر العلماء الذين وهبوا حياتهم لدراسة الظواهر الطبيعية واستفادوا من خبرة
الاجيال السابقة .ودونوا نتائج تجاربهم
ان الكلمة اليونانية (( physis )) تعنى الطبيعة وكمصطلح يعرف علم الفيزياء بانه
(( العلم الاساسى للعالم الطبيعى الذى يبحث فى مفاهيم المادة والاشعاع وتفاعلهما وحركتهما فى الزمان
والمكان ))منذ بداية القرن السابع عشر تطورت الفيزياء تطورا سريعا وبالتدريج تبلورت عن الفيزياء علوم
جديدة عن الطبيعة مثل الكيمياء والفلك والجيولوجيا والارصاد الجوية . ولقد كان للعلماء العرب والمسلمين
دورا كبيرا فى تقدم العلوم الطبيعية وبعتبر الحسن بن الهيثم منشىء علم الضوء . وفى
العصر الحديث يبرز العالم المصرى الكبير الدكتور مصطفى مشرفة الذى يعتبر بحق رائد علم الفيزياء
الحديث وايضا من علماء المسلمين فى العصرالحديث العالم الباكستانى محمد عبد السلام الحاصل على جائزة
نوبل فى الفيزياء عام 1976وحديثا جدا العالم المصرى الكبير الدكتور احمد زويل .
الذي نواجهه في حياتنا فان النجاح في دراسة الفيزياء له متعة خاصة. فمن حصل على
شهادة علمية في احد تخصصات الفيزياء فانه يكون مرشح للنجاح في العديد من المجالات التي
قد يوضع بها فعلم الفيزياء يكسب دارسه العديد من المهارات ومنها على سبيل المثال ليس
للحصر:
* التمثيل الرياضي لاية مشكل لايجاد الحل المنطقي لها.
* اكتساب المهارات الكافية لتصميم التجارب واجراءها،
* العمق في ايجاد تفسير لنتائج التجارب.
* اكتساب الخبرات في مجال البحث العلمي.
هل ترغب في معرفة كيف تعمل الاشياء من حولنا مثل الكمبيوتر والليزر والصواريخ الفضائية؟ وهل
ترغب في ايجاد تفسير لما يدور في هذا الكون من ظواهر عديدة مثل الجاذبية والضوء
والنجوم والعواصف والاعاصير والزلازل. هل ترغب في الشعور بمتعة الاكتشاف والمشاركة بالمعرفة العالمية واجراء التجارب
العلمية واكتشاف نظريتها. اذا كنت مغرم بهذا فان الفيزياء هي لك…
اذا كنت من المولعين بفهم وتعلم كيف تعمل الاشياء وتحب الرياضيات والكمبيوتر واجراء التجارب فان
عليك ان تصبح فيزيائيا. فان دراسة هذا العلم سوف يشبع رغباتك وستجد في كل موضوعاته
ما يزيدك زهوا وفخرا كلما اكتشفت جديد فدراسة الفيزياء مغامرة جدير بالاهتمام. ولا يجب عليك
قبل التفكير في دراسة هذا التخصص بفرص العمل المتوفرة لك بعد اتمام الدراسة المهم ان
تدرس ما يشبع رغباتك وان تستمتع بما تدرس ودع المستقبل للخالق.
في اي مكان تتواجد فيه التكنولوجيا يجد الفيزيائي عمل له ويكون مفضل عن غيره لما
يمتلكه من معلومات عن المبادئ الاساسية والخبرات الذاتية التي تؤهله للتعامل مع التكنولوجيا وتطورها بشكل
اسرع. وفي الدول الصناعية المتقدمة لا يمكن ان يوجد فيزيائي عاطل عن العمل. فيمكن للفيزيائي
ان يعمل في المجال الطبي حيث ان كل اجهزة التشخيص في المستشفيات يعتمد تشغيلها على
الفيزياء مثل استخدام اشعة اكس والنظائر المشعة والرنين المغناطيسي والامواج فوق الصوتية واشعة الليزر والمنظار
وغيرها من الاجهزة المستخدمة والتي هي تطبيقات لاكتشافات وابحاث الفيزيائيين ولا يمكن ان يكون هناك
علاج بدون تشخيص فكلما تطورت وسائل التشخيص امكن التغلب على امراض كانت قاتلة. كذلك في
مجال الاتصالات والاقمار الصناعية الذي يعتمد على تطور احد فروع الفيزياء وهو الالكترونيات. كما وان
علم الفيزياء ضروريا لمراكز الارصاد الجوية ومراكز التنبؤ بالزلازل ومراكز البحوث كما ان للفيزيائي دورا
اساسيا في مجال التعليم لاعداد اجيال جديدة لاكمال مشوار التقدم العلمي. وكذلك في التطبيقات الصناعية
ومراكز تطوير مواد جديدة ولا شك ان علم الفيزياء وراء تطور اجهزة الكمبيوتر بكافة مكوناته
من المعالج الى الذاكرة الى الشاشة الى اقراص الليزر وكلما تقدمت الابحاث الفيزيائية كما انعكس
ذلك على تطور اجهزة الكمبيوتر وكفاءتها….
فروع الفيزياء
علوم الفيزياء تنقسم الى مجموعتين كبيرتين هما :
الفيزياء الكلاسيكية: ( تعني بالاسئلة حول الحركة والطاقة ) وتشمل الفروع التالية
* الميكانيكا.
* الديناميكا الحرارية.
* الكهرباء والمغناطيسية.
* الضوء.
الفيزياء الحديثة : ( تعني بدراسة التركيب الاساسي للعالم المادي ) وتشمل الفروع التالية
* النظرية النسبية.
* الفيزياء الجزيئية.
* الفيزياء الذرية.
* ميكانيكا الكم.
* الفيزياء النووية.
* فيزياء الحالة الصلبة.
منذ نهاية القرن الثامن عشر كان التقدم والتطور فى العلوم الطبيعية مصحوبا بتقدم سريع فى
التكنولوجيا. ويمكن تتبع العلاقة المتبادلة بين بين تطور العلوم الطبيعية والتكنولوجيا على مدى تاريخ العصر
الحديث كله.ففى النصف الثانى من القرن الثامن عشر والنصف الاول من القرن التاسع عشر ظهرت
وتطورت الالات البخارية وظهر من الفيزياء علم جديد هو الديناميكا الحرارية. وبسبب الاستخدام الواسع للالات
البخارية فى وسائل النقل سمية هذه الفترة الزمنية ب (( عصر البخار ))
وفى نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين ظهرت وتطورت الالات الكهربائية واخترع العديد والعديد
من الاختراعات المدهشة وبرز من الفيزياء علوم الفيزياء الكهربية وكان الاستخدام الواسع للطاقة الكهربائية سببا
فى تسمية هذه الفترة الزمنية
ب (( عصر الكهرباء ))
وفى النصف الثانى من القرن العشرين استخدمت الطاقة الذرية فى الاغراض السلمية وبدا (( عصر
الذرة ))
وفى مطلع الستينيات بدا غزو الفضاء واعتبر النصف الثانى من القرن
العشرينب (( عصر الفضاء ))
والان ومع الطور المذهل فى وسائل الاتصال وتبادل المعلومات يمكن اعتبار العصر الحالي (( عصر
المعلوماتية))
ولذلك يتضح لنا مدى الدور الذى تلعبه الفيزياء فى جميع المجالات ..
البرت اينشتاين (بالالمانية: Albert Einstein) (14 مارس 1879 – 18 ابريل 1955) الماني سويسري
امريكي الجنسية، احد اهم العلماء في الفيزياء. يشتهر بابو النسبية كونه واضع النظرية النسبية الخاصة
و النظرية النسبية العامة الشهيرتين اللتان كانت اللبنة الاولى للفيزياء النظرية الحديثة ، حاز في
العام 1921 على جائزة نوبل في الفيزياء عن ورقة بحثية عن التاثير الكهروضوئي ضمن ثلاثمائة
ورقة علمية اخرى له في تكافؤ المادة والطاقة و ميكانيكا الكم و غيرها، وادت اسنتاجاته
المبرهنة الى تفسير العديد من الظواهر العلمية التي فشلت الفيزياء الكلاسيكية في اثباتها . ذكائه
العظيم جعل من كلمة ” اينشتاين ” مرادفا ” للعبقرية
ولد في 14 مارس 1879
اولم، الامبراطورية الالمانية
توفي في 18 ابريل 1955 (العمر: 76 عاما)
نيو جيرسي، الولايات المتحدة
مكان الاقامة المانيا، ايطاليا، سويسرا، الولايات المتحدة
الجنسية المانيا (1879–96, 1914–33)
(1901–55)
الولايات المتحدة (1940–55)
العرقية اليهود الاشكناز
مجال البحث الفيزياء
خريج
المعهد الفدرالي السويسري
جامعة زيورخ
اشتهر بسبب نظرية النسبية العامة
نظرية النسبية الخاصة
المفعول الكهرضوئي
الحركة البراونية
تكافؤ المادة والطاقة
معادلات اينشتين للمجال
نظرية التوحيد الكبير
Bose–Einstein statistics
الجوائز جائزة نوبل في الفيزياء (1921)
وسام كوبلاي (1925)
جائزة ماكس بلانك (1929)
اهم 100 رجل في تاريخ البشرية في القرن العشرين
ولد البرت اينشتاين في مدينة اولم الالمانية في 14مارس 1879 لابوين يهوديين وامضى سن يفاعته
في ميونخ. كان ابوه “هيرمان اينشتاين” يعمل في بيع الريش المستخدم في صناعة الوسائد، وعملت
امه “ني بولين كوخ” معه في ادارة ورشة صغيرة لتصنيع الادوات الكهربائية بعد تخليه عن
مهنة بيع الريش. تاخر اينشتاين الطفل في النطق حتى الثالثة من عمره، لكنه ابدى شغفا
كبيرا بالطبيعة، ومقدرة على ادراك المفاهيم الرياضية الصعبة، وقد درس وحده الهندسة الاقليدية، وعلى الرغم
من انتمائه لليهودية، فقد دخل اينشتاين مدرسة اعدادية كاثوليكية وتلقى دروسا في العزف على الة
الكمان. وفي الخامسة من عمره اعطاه ابوه بوصلة، وقد ادرك اينشتاين انذاك ان ثمة قوة
في الفضاء تقوم بالتاثير على ابرة البوصلة وتقوم بتحريكها. وقد كان يعاني من صعوبة في
الاستيعاب، وربما كان مرد ذلك الى خجله في طفولته. ويشاع ان اينشتاين الطفل قد رسب
في مادة الرياضيات فيما بعد، الا ان المرجح ان التعديل في تقييم درجات التلاميذ انذاك
اثار ان الطفل اينشتاين قد تاخر ورسب في مادة الرياضيات. وتبنى اثنان من اعمام اينشتاين
رعايته ودعم اهتمام هذا الطفل بالعلم بشكل عام فزوداه بكتب تتعلق بالعلوم والرياضيات. بعد تكرر
خسائر الورشة التي انشاها والداه في عام 1894، انتقلت عائلته الى مدينة بافيا في ايطاليا،
واستغل اينشتاين الابن الفرصة السانحة للانسحاب من المدرسة في ميونخ التي كره فيها النظام الصارم
والروح الخانقة. وامضى بعدها اينشتاين سنة مع والديه في مدينة ميلانو حتى تبين ان من
الواجب عليه تحديد طريقه في الحياة فانهى دراسته الثانوية في مدينة اروا السويسرية، وتقدم بعدها
الى امتحانات المعهد الاتحادي السويسري للتقنية في زيورخ عام 1895، وقد احب اينشتاين طرق التدريس
فيه، وكان كثيرا مايقتطع من وقته ليدرس الفيزياء بمفرده، او ليعزف على كمانه، الى ان
اجتاز الامتحانات وتخرج في عام 1900، لكن مدرسيه لم يرشحوه للدخول الى الجامعة
عد اول من تنبا بوجود ما يعرف بالموجات الثقالية.والتي نجح علماء الفيزياء من رصدها على
وجه موارب وملتو، حيث انها وان لم تبد للعيان، لكنها تعقب خلفها بصمات على وجودها.تظهر
اكثر ماتظهر عندما تسبح الاجرام الهائلة في الفضاء باتقاد وزخم [1].
• ومن تكهناته ايمانه باستحالة قياس السرعة اللحظية للجسيمات متناهية الدقة والتي تهتز عشوائيا صوب
مختلف الاتجاهات بما يعرف باسم الحركة البراونية.لكن بعد قرن من الزمان، تمكن عالم يدعى مارك
رايزن من تفنيد هذه المقولة عمليا بمعمل ابحاثه بجامعة تكساس واستطاع قياس السرعة اللحظية لتلكم
الاجسام، في خضم اختباراته لقانون التوزع المتساوي الذي يقرر ان طاقة الجسيم الحركية تعتمد بحتا
على حرارته وليس على على كتلته او حجمه.و بفضل تلك الاختبارات برهن بالتجريب صحة القانون
على الاجسام البراونية [2].
• خلال لقاء مع صحيفة في مدينة بيتسبرق،بخس اينشتاين قدرة العلماء علي شطر الذرة بتصويب
القذائف البروتونية،واصفا اياهم كالذي يسدد بالليل نحو العصافير في بلد ليس فيه الا قلة من
العصافير.وهذا ما دحضه فيرمي ورفاقه بعيد ١٠ سنوات حينما شطروا الذرة وصنعوا القنبلة النووية [3]
كان اينشتاين قد تنازل عن اوراقه الرسمية الالمانية في عام 1896، مما جعله بلا هوية
اثبات شخصية او انتماء لاي بلد معين، وفي عام 1898، التقى اينشتاين ب “ميلفا ماريك
Mileva Maric” زميلته الصربية على مقاعد الدراسة ووقع في غرامها، وكان في فترة الدراسة يتناقش
مع اصدقائه المقربين في المواضيع العلمية. وبعد تخرجه في عام 1900 عمل اينشتاين مدرسا بديلا،
وفي العام الذي يليه حصل على حق المواطنة السويسرية، ورزق بطفلة غير شرعية من صديقته
اسمياها (ليسيرل) في كانون الثاني (يناير) من العام 1901.
معظم ما اخذه اينشتاين في نظريته النسبية الخاصة كان من العالم الانجليزي اسحاق نيوتن. جراة
اينشتاين في شبابه حالت بينه وبين الحصول على عمل مناسب في سلك التدريس، لكن وبمساعدة
والد احد زملاء مقاعد الدراسة حصل على وظيفة فاحص (مختبر) في مكتب تسجيل براءة الاختراعات
السويسري في عام 1902. تزوج اينشتاين من صديقته “ميلفا” في 6 كانون الثاني (يناير) 1903
ورزق بابن حمل اسم “هانز” في 14 من ايار (مايو) عام 1904، وفي هذه الاثناء
اصبح عمل اينشتاين في مكتب التسجيل السويسري دائما، وقام بالتحضير لرسالة الدكتوراه في نفس الفترة،
وتمكن من الحصول على شهادة الدكتوراه في عام 1905 من جامعة زيورخ، وكان موضوع الرسالة
يدور حول ابعاد الجزيئات، وفي العام نفسه كتب اينشتاين 4 مقالات علمية دون الرجوع للكثير
من المراجع العلمية او التشاور مع زملائه الاكاديميين، وتعتبر هذه المقالات العلمية اللبنة الاولى للفيزياء
الحديثة التي نعرفها اليوم. درس اينشتاين في الورقة الاولى مايعرف باسم الحركة البراونية، فقدم العديد
من التنبؤات حول حركة الجسيمات الموزعة بصورة عشوائية في السائل. عرف اينشتاين “بابي النسبية”، تلك
النظرية التي هزت العالم من الجانب العلمي، الا ان جائزة نوبل منحت له في مجال
اخر (المفعول الكهرضوئي) وهو ما كان موضوع الورقة الثانية.
ورقة اينشتاين العلمية الثالثة كانت عن “النظرية النسبية الخاصة”، فتناولت الورقة الزمان، والمكان، والكتلة، والطاقة،
واسهمت نظرية اينشتاين بازالة الغموض الذي نجم عن التجربة الشهيرة التي اجراها الامريكيان الفيزيائي “البرت
ميكلسون والكيميائي ادوارد مورلي” اواخر القرن التاسع عشر في عام 1887، فقد اثبت اينشتاين ان
موجات الضوء تستطيع ان تنتشر في الخلاء دون الحاجة لوجود وسط او مجال، على خلاف
الموجات الاخرى المعروفة التي تحتاج الى وسط تنتشر فيه كالهواء او الماء وان سرعة الضوء
هي سرعة ثابتة وليست نسبية مع حركة المراقب (الملاحظ)، تجدر الاشارة الى ان نظرية اينشتاين
تلك تناقضت بشكل كلي مع استنتاجات “اسحاق نيوتن”. جاءت تسمية النظرية بالخاصة للتفريق بينها وبين
نظرية اينشتاين اللاحقة التي سميت بالنسبية العامة.
في العام 1906 ترقى اينشتاين في السلم الوظيفي من مرتبة فاحص فني مختبر اول الى
مرتبة فاحص فني من الدرجة الثانية، وفي العام 1908 منح اجازة لالقاء الدروس والمحاضرات من
“بيرن” في سويسرا، وولد الطفل الثاني لاينشتاين الذي سمي “ادوارد” في 28 تموز (يوليو) 1910،
وطلق اينشتاين بعدها زوجته ميلفا في 14 شباط (فبراير) 1919 وتزوج بعدها من ابنة عمه
“ايلسا لوينثال” التي تكبره بثلاث سنوات في 2 حزيران (يونيو) 1919. لايعلم احد حتى هذه
الساعة شيئا عن مصير طفلة اينشتاين الاولى غير الشرعية من زوجته ميلفا اذ يعتقد البعض
انها ماتت في فترة الرضاعة، ويعتقد البعض الاخر ان والديها اعطياها لمن لا اولاد له
للتبني، اما بالنسبة لاولاد اينشتاين، فقد اصيب احدهما بمرض انفصام الشخصية ومات فيما بعد في
المصح العقلي الذي تولى علاجه ورعايته. اما الابن الثاني، فقد انتقل لولاية كاليفورنيا الامريكية للعيش
فيها ومن ثم اصبح استاذا (دكتور) في الجامعة، وكانت اتصالاته مع والده محدودة جدا.
في العام 1914 وقبيل الحرب العالمية الاولى، استقر اينشتاين في مدينة “برلين” الالمانية، ولم يكن
اينشتاين من دعاة الحرب ولكنه كان المانيا من اصل يهودي، مماتسبب بشعور القوميين الالمان بالضيق
تجاه هذا الرجل، وتاجج هذا الامتعاض لاينشتاين من قبل القوميين الالمان عندما اصبح اينشتاين معروفا
على المستوى العالمي بعدما خرجت مجلة “التايم” الامريكية في 7 تشرين الثاني (نوفمبر) 1919 بمقال
يؤكد صحة نظرية اينشتاين المتعلقة بالجاذبية.
الفوتون عديم الكتلة والشحنة الكهربائية[4] ولا يضمحل في الفضاء الخالي.[5] [6].
العلاقة بين طاقة وزخم حركة الفوتون هي “E = pc”، حيث ان “E” هي الطاقة
و”p” هي مقدار متجه زخم الحركة و”c” هي سرعة الضوء[7]. طاقة وزخم حركة الفوتون يعتمدان
فقط اما على تردده (ν) او بشكل مساو على طوله الموجي (λ):
حيث ان “K” هو “متجه الموجة” و”ω” هو التردد الزاوي و”ħ” هو ثابت بلانك
بوصول القائد النازي ادولف هتلر الى السلطة في العام 1933 تزايدت الكراهية تجاه اينشتاين فاتهمه
القوميون الاشتراكيون (النازيون) بتاسيس “الفيزياء اليهودية”، كما حاول بعض العلماء الالمان النيل من حقوق اينشتاين
في نظرياته الامر الذي دفع اينشتاين للهرب الى الولايات المتحدة الامريكية والتي منحته بدورها اقامة
دائمة، وانخرط في “معهد الدراسات المتقدمة” التابع لجامعة برينستون في ولاية نيو جيرسي، ففي عام
1939 كتب رسالته الشهيرة الى الرئيس الامريكي روزفلت لينبهه على ضرورة الاسراع في انتاج القنبلة
قبل الالمان وذلك قبل ان يهاجر الى الولايات المتحدة. وفي العام 1940، صار اينشتاين مواطنا
امريكيا مع احتفاظه بجنسيته السويسرية.
وفي العام .1955، توفي اينشتاين، وحرق جثمانه في مدينة “ترينتون” في ولاية “نيو جيرسي” في
18 نيسان (ابريل) 1955 ونثر رماد الجثمان في مكان غير معلوم، وحفظ دماغ العالم اينشتاين
في جرة عند الطبيب الشرعي “توماس هارفي” الذي قام بتشريح جثته بعد موته. وقد اوصى
اينشتاين ان تحفظ مسوداته ومراسلاته في الجامعة العبرية في القدس، وان تنقل حقوق استخدام اسمه
وصورته الى هذه الجامعة
الفيزياء (من الاغريقية φυσική /fi.si.ˈki/ “(المعرفة) الطبيعية”؛ وبالعربية علم الطبيعة ؛ وتسمى احيانا الفيزيقا[1]) هي
العلم الذي يدرس كل ما يتعلق بالمادة و حركتها و الطاقة ، وتحاول ان 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 اساس التوصل الى التفسير السليم للظواهر الطبيعية . وتقدم الفيزياء ما توصلت اليه من
طرق القياس للاستخدام في جميع العلوم الطبيعية والحيوية الاخرى كالكيمياء و الطب و الهندسة و
الاحياء وغيرها . التقدم الحضاري والمدني يرجع الى التقدم الباهر لعلم الفيزياء ، فجميع الاجهزة
التي تملا حياتنا اساسها الفيزياء ، مثل الرادار و اللاسلكي و الراديو والتلفزيون و التلفزيون
الملون ، والهاتف ، والحامول و الحاسوب واجهزة التشخيص في الطب مثل اشعة اكس و
التصوير بالرنين المغناطيسي والعلاج بالاشعة ، والنظارات ، والتلسكوبات ومسبارات المريخ والفضاء ، و افران
الميكروويف ، و الكهرباء و الترانزيستور والميكروفون ، وغيرها .
بالاضافة الى مفاهيم اخرى كالفضاء والزمن، ويتعامل مع خصائص كونية محسوسة يمكن قياسها مثل القوة
والطاقة والكتلة والشحنة. وتعتمد الفيزياء المنهج التجريبي، اي انها تحاول تفسير الظواهر الطبيعية والقوانين التي
تحكم الكون عن طريق نظريات قابلة للاختبار.
تعتبر الفيزياء من احد اقدم التخصصات الاكاديمية، فهي قد بدات بالبزوغ منذ العصور الوسطى وتميزت
كعلم حديث في القرن السابع عشر، وباعتبار ان احد فروعها، وهو علم الفلك، يعد من
اعرق العلوم الكونية على الاطلاق.[4] وللفيزياء مكانة متميزة في الفكر الانساني، فهي تاثرت كما كان
لها الاثر الحاسم في بعض الحقول المعرفية والعلمية الاخرى مثل الفلسفة والرياضيات وعلم الاحياء. ولقد
تجسدت اغلب التطورات التي احدثتها بشكل عملي في عدة قطاعات من التقنية والطب. فعلى سبيل
المثال، ادى التقدم في فهم الكهرومغناطيسية الى الانتشار الواسع في استخدام الاجهزة الكهربائية مثل التلفاز
والحاسوب؛ وكذلك تطبيقات الديناميكا الحرارية الى التطور المذهل في مجال المحركات ووسائل النقل الحديثة؛ وميكانيكا
الكم الى اختراع معدات مثل المجهر الالكتروني؛ كما كان لعصر الذرة، بجانب اثاره المدمرة، استعمالات
هامة في علاج السرطان وتشخيص الامراض وتوليد الطاقة.
معظم الفيزيائيين اليوم يكونون متخصصين في مجالين متكاملين وهما الفيزياء النظرية او الفيزياء التجريبية، وتهتم
الاولى بصياغة النظريات باعتماد نماذج رياضية، فيما تهتم الثانية باجراء الاختبارات على تلك النظريات، بالاضافة
الى اكتشاف ظواهر طبيعية جديدة. وبالرغم من الكم الهائل من الاكتشافات المهمة التي حققتها الفيزياء
في القرون الاربعة الماضية،
الا ان العديد من المسائل لا تزال بدون حلول الى حد الان، كما ان هناك
مجالات نظرية وتطبيقية تشهد نشاطا وابحاثا مكثفة
هناك اعتقاد بان “الفيزياء فرع من فروع الرياضيات” اعتقاد خاطئ تماما، لان النماذج الرياضية تستعمل
في علم الفيزياء فقط لتسهيل فهم الظواهر الفيزيائية والتعبير عنها في صورة معادلة رياضية كما
في الفيزياء النظرية. وان مضامين النماذج الرياضية في اي علم من العلوم الطبيعية لا يتدخل
في شانها علم الرياضيات، 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 ،…الخ. وبالرغم من ان علم الفلك يقوم بدراسة
الاجسام السماوية الا انه يعد احد فروع الفيزياء
تطورت الفيزياء كما نعرفها اليوم، من سلسلة الملاحظات التي جمعتها الحضارات القديمة حول مختلف الظواهر
الطبيعية وخاصة منها الفلكية، والمتعلقة بالتقويم وتقدير الزمن، كحركة الشمس وادوار القمر وتشكيلات النجوم. وقد
توصل الفلاسفة الاغريقيون الى استنباط نظريات اولية لتفسير تلك الظواهر، وذلك باتباع منهج منطقي واستدلالي
بحت في ما يسمى بالفلسفة الطبيعية. وقد قدم ارسطو في كتابه “الفيزياء” (الطبيعيات) اول النظريات
حول طبيعة الحركة والقوى. وقد ضلت هذه الافكار، والتي تعرف بالفيزياء الارسطوطاليسية، مهيمنة على التراث
الفلسفي لعدة قرون.
كان للحضارة العربية-الاسلامية دور رئيسي في بداية صياغة هذا علم الفيزياء (الذي كان يعرف عند
العلماء المسلمين بالطبيعيات). فقد انقذ ميراث الفلاسفة الاغريق من الضياع بترجمته الى اللغة العربية ثم
وقع اثرائه وتنقيحه وتصحيحه. فقد قدم العلماء المسلمون المحيطون بمعرفة الاولين من امثال ارسطو 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) اولى قوانين الحركة ومفهوم السرعة.
•
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 الارض حول الشمس وقام بصناعة اسطرلاب معتمد
على مركزية الشمس[9].
• الحسن ابن الهيثم (965-1039) : الى جانب اعماله في علم البصريات والفلك. اكتشف قانون
القصور الذاتي في علم الحركة[10].
• البيروني (973-1048) : وضع بعض المفاهيم الاساسية في علم الحركة مثل التسارع والاحتكاك كما
قام بتحديد الاوزان النوعية لعدة مواد باعتماد التجربة[11].
• الصوفي (986-903) : قام بالتعرف من خلال ارصاده الفلكية على مجرة المراة المسلسلة وسحابة
مجلان[12].
• ابن سينا :
• عمر الخيام 1044
• ابن رشد 1128
• الجزري 1206
بتاثير من جذوة العلوم العربية-الاسلامية، ادى تطور المنهج العلمي، خلال القرن السابع عشر، الى وضع
اسس علم الفيزياء الحديث من قبل فرانسيس بيكون وغاليليو غاليلي واسحاق نيوتن وفصله نهائيا عن
الفلسفة. وقد تمكن هذا الاخير من تشكيل المبادئ الاساسية للميكانيكا الكلاسيكية، وهي تصف الى حد
الان وبشكل جيد قوانين الحركة والقوى والطاقة، على مستوى حياتنا اليومية. وقد تحقق ذلك بفضل
اكتشافه، مع غوتفريد لايبنتز، لاحد اهم ادوات الفيزياء الرياضية وهو الحساب التفاضلي.وفي القرن الثامن عشر،
اثناء الثورة الصناعية، تطورت مفاهيم نقل الحرارة، وتبادل الطاقة، وعمل المحركات، وانتشرت مبادئ ما يعرف
بالديناميكا الحرارية والميكانيكا الاحصائية.اما في القرن التاسع عشر، فاكتشفت القوانين الاساسية للكهرومغناطيسية والطبيعة الموجية للضوء،
وكذلك بنية المادة الذرية وقوانين الاشعاع.ومع بدايات القرن العشرين، ظهرت صياغات نظرية جديدة امام عجز
الميكانيكا الكلاسيكية في تفسير بعض جوانب الضوء وديناميكا الجسيمات الذرية. وتوصل البرت اينشتاين الى وضع
نظرية النسبية الخاصة التي تصف الاجسام المتحركة بسرعة تقارب سرعة الضوء وتاثيرات ذلك على المفاهيم
البديهية للمكان والزمن، وبعد ذلك لنظرية النسبية العامة، التي تصف طبيعة قوة الجاذبية وعلاقتها بهندسة
الزمن وكان.وفي جانب اخر استطاعت الميكانيكا الكمومية وصف سلوكات الجسيمات الاولية والذرات والجزيئات، وفي هذا
المقياس تختلف القوانين الفيزيائية عن تلك التي تخضع لها الاجسام ذات الاحجام العادية [13].
المجالات الاساسية في الفيزياء
بينما تعمل الفيزياء على تفسير القوانين الطبيعة بوجه عام تفسر كل نظرية منها مجالا محصورا
. فمثلا نجد ان قوانين ميكانيكا الكلاسيكية تصف بدقة انظمة يكون حجمها اكبر من الذره
وتكون السرعات فيها اقل بكثير عن سرعة الضوء . اما خارج تلك الحدود فنجد ان
المشاهدة لا تتطابق مع الحسابات .
وساهم البرت اينشتاين بصياغته النظرية النسبية الخاصة عام 1905 التي تبين عدم وجود مكان مطلقا
او زمن مطلق و ربطت بين الاثنين فيما يسمى الزمكان للانظمة التي تكون السرعات فيها
قريبة من سرعة الضوء ( 300.000 كيلومتر في الثانية) . ثم جاءت اعمال ماكس بلانك
و ارفين شرودنغر ، و فرنر هايزنبرج وادخلت ميكانيكا الكم ، وهي تصف احتمالات تفاعلات
الجسيمات تحت الذرية واستطاعت ان تعطي وصفا دقيقا للطبيعة للذرة وطبيعة الجسيمات الاولية .
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 الانظمة الكبيرة الكتلة على
مستوي النجوم و المجرات في الكون .
ولم ينجح حتى الان ربط النظرية النسبية العامة مع النظريات الاخرى ، ولكن العلماء يعملون
على هذا الطريق – اي ربط النظرية النسبية العامة ( وهي نظرية الانظمة الكبيرة جدا
) مع نظرية الكم (وهي النظرية التي تصف الانظمة الذرية وتحت الذرية) – وتوجد حاليا
عدة نظريات مقترحة للجاذبية الكمومية ولكن الامر لم يفصل بعد.
الميكانيكا الكلاسيكية
صورة لبندول نيوتن وهو نظام يوضح مفهوما اساسيا في الميكانيكا الكلاسيكية يتمثل في مبدئ حفظ
زخم الحركة والطاقة.
تصف الميكانيكا الكلاسيكية القوى التي تؤثر على حالة الاجسام المادية وحركتها. وغالبا ما يشار اليها
باسم “الميكانيكا النيوتنية” نسبة الى اسحاق نيوتن وقوانينه في الحركة. تتفرع الميكانيكا الكلاسيكية الى؛ علم
السكون او “الاستاتيكا” وهو يصف الاجسام ساكنة وشروط توازنها، وعلم الحركة او “الكينماتيكا” وهو يهتم
بوصف حركة الاجسام دون النظر الى مسبباتها، وعلم التحريك او “الديناميكا” الذي يدرس حركة الاجسام
وماهية القوى المسببة لها. تقوم الميكانيكا الكلاسيكية بشكل اولي على افتراض ان الجسم المادي المراد
دراسته يكون صلبا وفي شكل نقطة [14]. وتتولى على صعيد اخر، الميكانيكا الاستمرارية وصف المادة
المتصلة والمستمرة مثل الاجسام الصلبة والسائلة والغازية، وهي تنقسم بدورها الى قسمين؛ ميكانيكا المواد الصلبة
وميكانيكا الموائع. وتدرس ميكانيكا المواد الصلبة سلوك هذه الاجسام امام 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 الى جانب تاثيرها على
السطوح والاجسام المتحركة في الديناميكا الهوائية.
احد المفاهيم الهامة في الميكانيكا الكلاسيكية هي مبادئ حفظ زخم الحركة والطاقة، وقد دفع هذا
الامر الى اعادة الصياغة الرياضية لقوانين نيوتن للحركة في ميكانيكا لاجرانج وميكانيكا هاملتون باعتماد هذه
المبدئ. وتقف الصياغتان ميكانيكا في وصف سلوك الاجسام على نفس المقدار من الدقة، ولكن بطريقة
مستقلة عن منظومة القوى المسلطة عليها والتي تكون بعض الاحيان غير عملية في تشكيل معادلات
الحركة.
تعطينا الميكانيكا الكلاسيكية نتائج وتنبوات رقمية ذات دقة عالية، تتماشى مع المشاهدة، وذلك بنسبة لانظمة
ذات ابعاد عادية [13] وضمن مجال سرعات تقل بكثير عن سرعة الضوء. اما عندما تكون
الاجسام موضع الدراسة جسيمات اولية او ان 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 انظمة دقيقة، فعلى سبيل المثال في النظرية الحركية للغازات تسري القوانين
التي تحكم حركة اجسام ذات حجم العادي على الجزيئات المكونة للغازات وهو ما يمكن من
استنتاج خصائص عيانية مثل درجة الحرارة والضغط والحجم. وفي انظمة عالية التعقيد يمكن فيها لتغييرات
طفيفة ان تنتج اثارا كبيرة (مثل الغلاف الجوي او مسالة الاجسام الثلاثة) تصير قدرة معادلات
الميكانيكا الكلاسيكية على التنبئ محدودة. وتختص بدراسة هذه الانظمة، التي توصف بانها لاخطية، نظرية الشواش.
اوجدت قوانين الميكانيكا الكلاسيكية نظرة موحدة وشاملة لظواهر طبيعية قد تبدو ظاهريا غير متصلة، مثل
وقوع تفاحة من غصن شجرة او دوران القمر حول الارض. فعلى سبيل المثال؛ قوانين كيبلر
لحركة الكواكب، او السرعة التي يجب ان يبلغها صاروخ للتحرر من حقل الجاذبية الارضية (سرعة
الافلات)، يمكن استنتاجهما رياضيا من قانون نيوتن العام للجاذبية. وقد ساهمت هذه الفكرة ومفادها ان
التوصل لقوانين كلية يمكنها وصف الظواهر الكونية على اختلافها امر ممكن، الى بروز الميكانيكا الكلاسيكية
كعنصر هام في الثورة العلمية وذلك خلال القرنين السابع والثامن عشر.
كهرومغناطيسية
البرق هو تفريغ كهربائي لشحنات ساكنة يحدث بين السحب في ما بينها او مع الارض
(الصاعقة).
تدرس الكهرومغناطيسيو التاثر الذي يتم بين الجسيمات المشحونة وبين المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية. ويمكن تقسيم
الكهرومفناطيسية الى؛ كهرباء ساكنة او “الكتروستاتيكا” وهي تدرس الشحنات والحقول الكهربائية الساكنة، والديناميكا الكهربائية او
“الكتروديناميكا” وهو يصف التفاعل بين الشحنات المتحركة والاشعاع الكهرومغناطيسي. ومع ان المعرفة الكهرباء والمغناطيسية تطورت
منذ القدم بشكل منفصل، فقد توصلت النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية ، خلال القرنين الثامن والتاسع عشر،
الى تحديد العلاقة بين الظاهرتين من خلال قانون لورنتز ومعادلات ماكسويل. وتمكنت هذه الاخيرة من
وصف الموجات الكهرومغناطيسية وفهم الطبيعة الموجية للضوء.تهتم الكهرباء الساكنة بدراسة الظواهر المرتبطة بالاجسام المشحونة في
حالة السكون، والقوى التي تسلطها على بعضها البعض كما يصفها قانون كولوم. ويمكن تحليل سلوك
هذه الاجسام من تجاذب او تنافر من خلال معرفة القطبية والمجال الكهربائي المحيط بها، حيث
يكون متناسبا مع مقدار الشحنة والابعاد التي تفصلها. للكهرباء الساكنة عدة تطبيقات، بدءا من تحليل
الظواهر الكهرطيسية مثل العواصف الرعدية الى المكثفات التي تستعمل الهندسة الكهربائية.وعندما تتحرك الاجسام المشحونة كهربائيا
في حقل كهرومغناطيسي فانها تنتج مجالا مغناطيسيا يحيط بها فتختص الديناميكا الكهربائية بوصف الاثار التي
تنتج عن ذلك من مغناطيسية واشعاع الكهرومغناطيسي وحث كهرومغناطيسي. وتنضوي هذه المواضيع ضمن ما يعرف
بالديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، حيث تشرح معادلات ماكسويل هذه الظواهر بطريقة جيدة وعامة. وتفضي هذه النظريات
الى تطبيقات مهمة ومنها المولدات الكهربائية والمحركات الكهربائية. وفي العشرينيات من القرن العشرين، ظهرت نظرية
الديناميكا الكهربائية الكمومية وهي تتضمن قوانين الميكانيكا الكمومية، وتصف التفاعل بين الاشعاع الكهرطيسي والمادة عن
طريق تبادل الفوتونات. وهناك صياغة نسبية تقدم تصحيحات لحساب حركة الاجسام التي تسير بسرعات تقارب
سرعة الضوء. تتدخل هذه الظواهر في معجلات الجسيمات والانابيب الكهربائية التي تحمل فروق جهد وتيارات
كهربائية عالية.تعتبر القوى والظواهر الناجمة عن الكهرطيسية من اكثر الامور المحسوسة في حياتنا اليومية بعد
تلك التي تسببها الجاذبية. فعلى سبيل المثال، الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية مرئية تشع من
جسيمات مشحونة ومعجلة. وتجد مبادئ الكهرومغناطيسية الى يومنا هذا العديد من التطبيقات التقنية والعلمية والطبية.
وما الاجهزة الكهربائية مثل الراديو، والمرناة، والهاتف، والقطارات المغناطيسية المعلقة، والالياف البصرية، واجهزة الليزر الا
بضع امثلة عن هذه التطبيقات التي صنعت تقدما نوعيا في تاريخ البشرية.
الديناميكا الحرارية و الميكانيكا الاحصائية
لتحويل جرام من الثلج، درجة حرارته درجة مئوية، الى ماء سائل، في ظروف الضغط العادية،
نحتاج الى طاقة مقدارها حوالي سعرة حرارية (اي ما يعادل جول).
تختص الديناميكا الحرارية او “الترموديناميكا” بدراسة انتقال الطاقة وتحولها في النظم 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 الاحصائية في تحليل السلوك المعقد للمكونات المجهرية (ذرات، جزيئات)
وتستنج منها كميا الخصائص العيانية للنظام وذلك بواسطة طرق احصائية. وضعت اسس الديناميكا الحرارية خلال
القرنين الثامن والتاسع عشر، وذلك نتيجة للحاجة الملحة في زيادة كفاءة المحركات البخارية.
يتاسس فهم ديناميكية الطاقة والمتغيرات في نظام معين على اربعة مبادئ اساسية تسمى قوانين الديناميكا
الحرارية. وتعمل معادلات الحالة على تحديد العلاقة بين نوعين من متغيرات العيانية التي تعرف حالة
الانظمة؛ متغيرات الامتداد مثل الكتلة والحجم والحرارة، ومتغيرات الشدة مثل الكثافة ودرجة الحرارة والضغط والكمون
الكيميائي. ويمكن من خلال قياس هذه المتغيرات التعرف الى حالة التوازن او التحول التلقائي في
النظام.
نظام التحريك الحراري المثالي – تنتقل الحرارة من ساخنة (غلاية) الى باردة (مكثف) وينتج عنها
عمل
ينص القانون الاول للديناميكا الحرارية على مبدئ حفظ الطاقة، وذلك بان التغير في الطاقة الداخلية
لنظام مغلق وساكن،
يساوي كمية الطاقة المتبادلة مع الوسط الخارجي على شكل حرارة او عمل.
فيما ينص القانون الثاني على ان الحرارة لا يمكنها المرور بطريقة تلقائية من جسم ذي
درجة حرارة منخفضة الى اخر ذي درجة حرارة مرتفعة بدون الاتيان بعمل.
وذلك يعني انه من غير الممكن الحصول على عمل دون ان تفقد منه كمية على
شكل الحرارة.
وتوصل لهذين القانونين الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو في بداية القرن التاسع عشر.
وفي سنة 1865، ادخل الفيزيائي الالماني رودلف کلاوزیوس دالة الاعتلاج، ومن خلالها يصاغ القانون الثاني
على ان “التحول التلقائي في نظام معين لا يمكن ان يتحقق بدون ان ترتفع هذه
القيمة فيه وفيما حوله”.
يعبر الاعتلاج، من وجهة نظر عيانية، على عدم امكانية تسخير كل الطاقة في نظام ما
للقيام بعمل ميكانيكي.
وتصفها الميكانيكا الاحصائية على انها قياس لحالة الفوضى للمكونات المجهرية للنظام من ذرات وجزيئات.
تتكتسي الديناميكا الحرارية اهمية كبرى في العديد من المجالات؛ في الكيمياء والهندسة الكيميائية وعلم الاحياء
وانتاج الطاقة والتبريد. فعلى سبيل المثال، يمكن للديناميكا الحرارية تفسير الاسباب التي تجعل بعض التفاعلات
الكيميائية تتم من تلقاء نفسها، فيما لا يمكن ذلك للبعض الاخر
النظرية النسبية
نظرية النسبية الخاصة و نظرية النسبية العامة
احد ادق الاختبارات التي اجريت على نظرية النسبية العامة كانت من قبل المسبار الفضائي كاسيني-هايجنس،
في 10 اكتوبر 2003: شعاع الراديو (باللون الاخضر) الذي ارسل من الارض نحو المسبار وقع
تاخيره، تحت تاثير الاحناء الذي احدثته جاذبية الشمس في بنية الزمكان (باللون الازرق)، وذلك بالمعدل
الذي تنبات به النظرية.[15] .
نظرية النسبية هي بنية رياضية اكثر عمومية من تلك التي تاسست عليها الميكانيكا الكلاسيكية، وتصف
حركة الاجسام بسرعات تقارب سرعة الضوء، او انظمة ذات كتل هائلة، وتشتمل على شقين هما
نظرية النسبية الخاصة ونظرية النسبية العامة [16].
اقترح نظرية النسبية الخاصة الفيزيائي الالماني البرت اينشتاين، سنة 1905، في ورقة بحثية شهيرة بعنوان
“حول الديناميكا الكهربائية للاجسام المتحركة” [17] بناء على المساهمات الهامة لهندريك لورنتس وهنري بوانكاريه. ويتطرق
هذا المقال الى ان نظرية النسبية الخاصة تجد حلا لعدم الاتساق بين معادلات ماكسويل والميكانيكا
الكلاسيكية. وتقوم النظرية على مسلمتين هما؛ (1) ان القوانين الفيزيائية لا تتغير بتغير الاطار المرجعي
العطالي للنظم [18]، (2) وان سرعة الضوء في الفراغ هي مقدار ثابت وغير متصل بحركة
مصدر الضوء او بالمشاهد. الدمج بين هاتين المسلمتين يقود الى افتراض علاقة بين امرين منفصلين
في الميكانيكا الكلاسيكية، وهما المكان والزمان ويجمع بينهما في بنية تسمى الزمكان [19].
احدى التدعيات الهامة للنسبية الخاصة، والتي تبدو مخالفة للبديهة وان كانت اثبتتها عدة تجارب، هي
انعدام مكان او زمان مطلق، اي منفصل عن الاطار المرجعي للمشاهد (ومن هنا ياتي مصطلح
النسبية). وهذا يعني ان الكتلة والابعاد والزمن تتغير بتغير سرعة الجسم، وذلك ملائمة لثبات سرعة
الضوء. قد تكون هذه الظواهر غير محسوسة بمجال السرعات في حياتنا اليومية وتبقى بذلك قوانين
نيوتن سارية، ولكنها تصير ذات تاثير لا يستهان به عندما ترتفع السرعة وتقارب سرعة الضوء
[20].
ومن اهم النتائج الاخرى مبدئ التكافئ بين المادة والطاقة، وهو امر تعبر عنه بشكل بليغ
احد اشهر 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 ان الطاقة تتناسب طرديا مع مربع هذه السرعة). بعبارة اخرى
تنبئنا هذه الصيغة الرياضية ان لكل جسم ذي كتلة طاقة مرتبطة به، والعكس بالعكس.
النسبية العامة هي نظرية ذات طابع هندسي، توصل اليها البرت اينشتاين بشكل منفرد ونشرها في
151916، وذلك بانه قام بتوحيد النسبية الخاصة وقانون نيوتن العام للجاذبية. تنص هذه النظرية على
ان الجاذبية يمكن وصفها على انها انحناء في بنية الزمكان تسببه الكتلة او الطاقة. على
الصعيد الرياضي، تتميز النسبية العامة عن غيرها من النظريات الحديثة التي تصف الجاذبية بانها تستعمل
معادلات اينشتاين للمجال لوصف محتوى الزمكان من مادة او طاقة واثر ذلك على انحنائه. وتعتمد
في ذلك بشكل اساسي على موتر الاجهاد – الطاقة [21]، وهو كائن هندسي يصف عبر
مكوناته عدة كميات فيزيائية مثل الكثافة، والتدفق، والطاقة، والزخم، والزمكان. ويمكن القول بطريقة مبسطة، ان
موتر الاجهاد – الطاقة هو سبب وجود مجال تثاقلي في زمكان معين وذلك بشكل اعم
من ما تفعله الكتلة وحدها في قانون نيوتن الكلاسيكي للجاذبية [22].
من اول المشاهدات التي اكدت على صحة نظرية النسبية العامة، هو تمكنها من احتساب اوج
بدارية كوكب عطارد الشاذة، بدقة فشلت في تحقيقها المكانيكا الكلاسيكية. وفي سنة 1919، قام الفلكي
الانجليزي ارثر ستانلي ايدينجتون بمشاهدة انزياح ضوء النجوم القريبة من قرص الشمس خلال الكسوف، لياكد
تنبؤ النسبية العامة بانحناء الضوء تحت تاثير مجال تثاقلي تحدثه اجسام فائقة الكتلة. وفي وقت
لاحق بدات تتراءى العديد من التداعيات لهذه النظرية في علم الكون والتي اكدت بعضها المشاهدات،
ولكنها لا تزال موضع جدال، ومنها تنبؤ حلول معادلات اينشتاين بالانفجار العظيم، وتوسع الكون، وطاقة
الفراغ، والثقوب السوداء.
الميكانيكا الكمومية
ميكانيكا الكم
محاكاة رقمية لمفعول النفق الكمومي. البقعة المضيئة في اليسار تمثل حزمة موجية لالكترون تقوم بالانعكاس
على حاجز طاقة. لاحظ الى اليمين انتقال بقعة قاتمة، وهذا هو الجزء اليسير من الحزمة
الموجية التي استطاعت الانفاق 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 الاسفل) اعادة تكوين صورة الذرات على سطح ورقة من الذهب.
تتعامل الميكانيكا الكمومية مع نظم ذات احجام ذرية او تحت الذرية؛ مثل الجزيئات والذرات والالكترونات
والبروتونات وغيرها من الجسيمات الاولية. وقد ادت بعض الصعوبات التي واجهت الميكانيكا الكلاسيكية في اواخر
القرن التاسع عشر، مثل اشكالية اشعاع الجسم الاسود واستقرار الالكترونات على مداراتها، الى التفكير بان
جميع اشكال الطاقة تتنقل على شكل حزم متقطعة غير قابلة للتجزئة، وتسمى كمومات او “كوانتوم”.
وقد قام بتشكيل هذا المفهوم، الفيزيائي الالماني ماكس بلانك سنة 1900، وقدم من خلاله البرت
اينشتاين تفسيرا للمفعول الكهروضوئي والذي يتبين من خلاله بان الموجات الكهرومغناطيسية تتصرف في بعض الاحيان
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 الى ادراك ان الاجسام ايضا يمكنها ان تتصرف
على انها موجات، وهو ما يعبر عنه بمثنوية الموجة والجسيم. وقدمت على خلفية ذلك صياغتان
رياضيتان مختلفتان وهما؛ الميكانيكا الموجية التي وضعها ارفين شرودنغر وهي تنطوي على استخدام كائن رياضي
يسمى دالة الموجة، يصف احتمال وجود جسيم في بقعة ما من الفضاء – وميكانيكا المصفوفات
التي انشاها فيرنر هايزنبرغ وماكس بورن، وهي تصف الجسيمات على انها مصفوفات تتغير مع الزمن.
ومع ان هذه الاخيرة لا تشير الى دالة موجة او مفاهيم مماثلة، الا انها تتوافق
مع معادلة شرودنغر ومع الملاحظات التجريبية.
وقد شكل مبدا عدم اليقين الذي صاغه هايزنبرغ في سنة 1927 احد اهم مبادئ الميكانيكا
الكمومية، وهو ينص على محدودية قدرتنا في قياس خاصيتين معينتين لجسيم ما في نفس الوقت
وبدرجة عالية من الدقة. ويضع هذا حدا لمبدا الحتمية المطلقة الذي يشير الى امكانية التنبؤ
بشكل دقيق بحالة نظام انطلاقا من حالته السابقة، حيث ان الظواهر الكمومية لا يمكن تفسيرها
الا بطريقة احتمالية. وقد ادى هذا الامر الى جدال علمي كبير دار بين اعظم فيزيائيي
القرن العشرين، بما فيهم البرت اينشتاين الذي عارض هذا التفسير الاحتمالي بالرغم من اسهاماته الهامة
في تاسيس الميكانيكا الكمومية.
وفي سنة 1928، قام الفيزيائي البريطاني بول ديراك بوضع الميكانيكا الكمومية بصيغتيها الموجية والخطية (المصفوفات)
ضمن صياغة اشمل في اطار نظرية النسبية الخاصة. وقد تنبات صياغته بوجود الجسيمات المضادة. وتم
تاكيد هذا الامر تجريبيا سنة 1932، باكتشاف مضاد الالكترون او البوزيترون.
لاقت للميكانيكا الكمومية نجاحا كبيرا في تفسير العديد من الظواهر مثل الليزر وشبه الموصلات، وقد
نجمت عنها تطبيقات تقنية مهمة، على غرار الصمام الثنائي والترانزستور، التي تعتبر حجر الاساس في
الاكترونيات 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
ادائها الرياضاتي، لتحليل ومحاكات نتائج التجارب الكيميائية. اما في علم الاحياء، فقد تمكنت الميكانيكا الكمومية
من تفسير الالية التي يحدث بها تحويل الطاقة خلال التمثيل الضوئي في النباتات وبعض صنوف
البكتيريا [23]. وكذلك عملية الابصار لدى الحيوانات. ويعمل الباحثون في الوقت الحاضر على العديد من
التطبيقات الاخرى المستقبلية في المعلوماتية، مثل الترميز الكمومي والحاسوب الكمومي.
الطريقة العلمية
الطريقة العلمية يستخدمه الفيزيائيين في اختبار مدى صحة النظرية الفيزيائية عن طريق مقارنة اثار النظرية
في سؤال مع رسم الاستنتاجات من التجارب و الملاحظات التي اجريت لكي تختبر.
التجارب و الملاحظات يتعين جمعها و مطابقتها مع التوقعات و الفرضيات التي استنتجت من النظرية،
و ذلك يساعد في تحديد صحة او فساد النظرية.
مجالات البحثية
البحث المعاصر في الفيزياء يقسم الى 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 اصبح لكل المجالات البحثية في الفيزياء مجالا واسعا مما حد من
جمعها للفرد الواحد مهنيا و جعلها تخصصا بحد ذاتها ، واليوم يندر للفيزيائي الواحد ان
يمنتهن مجالين او اكثير في المجالات البحثية في الفيزياء
- نظرية الشواش في الميكانيكا الكلاسيكية pdf
- ابحث عن اهميه علم الفيزياء في التقدم العلمي وتكنولوجي علا قتة بالعلوم الاخرى
- القوى التي تصفها قوانين نيوتن
