الفيزياء (من الحدثة الإغريقية فيزيك "φυσική"، وتعني فهم الطّبيعة) هي العِلم الذي يفهم المادة وحركتها. 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.

تعتبر الفيزياء من أحد أقدم التّخصصات الأكاديمية، فهي قد بدأت بالبزوغ منذ العصور الوسطى وتميزت كفهم حديث في القرن السابع عشر، وبإعتبار حتى أحد فروعها، وهوفهم الفلك، يعد من أعرق العلوم الكونية على الإطلاق .

وللفيزياء مكانة متميزة في الفكر الإنساني، فهي تأثّرت كما كان لها الأثر الحاسم في بعض الحقول المعهدية والفهمية الأخرى مثل الفلسفة والرياضيات وفهم الأحياء. ولقد تجسدت أغلب التّطورات التي أحدثتها بشكل عملي في عدّة قطاعات من التقنية والطب. عملى سبيل المثال، أدى التّقدم في فهم الكهرومغناطيسية إلى الانتشار الواسع في استخدام الأجهزة الكهربائية مثل التلفاز والحاسوب؛ وكذلك تطبيقات الديناميكا الحرارية إلى التطور المذهل في مجال المحركات ووسائل النقل الحديثة؛ 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. فالفهماء على تعدد اختصاصاتهم يستخدمون أفكاراً فيزيائية، بدءاً من الكيميائيين الذين يدرسون بنى الجزيئات، حتى فهماء المستحاثات paleontologists الذين يبحثون في أنماط الحياة في العصور الجيولوجية السالفة، كما يستنبطونها من دراسة المتحجِّرات أوالمستحاثات الحيوانية أوالنباتية. والفيزياء كذلك أساس العلوم الهندسية والتقانة؛ إذ لا يمكن لمهندس حتى ينجز أي جهاز فهمي 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 الفهمية.

معظم الفيزيائيين اليومقد يكونون متخصصين في مجالين متكاملين وهما الفيزياء النظرية أوالفيزياء 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 الضخم من الاكتشافات المهمّة التي حققتها الفيزياء في القرون الأربعة الماضية، إلا حتى الكثير من المسائل لا تزال بدون حلول إلى حد الآن ، كما حتى هناك مجالات نظرية وتطبيقية تشهد نشاطاً وأبحاثاً مكثّفة.

التاريخ

الفيزياء عند العرب

لحسن حظ العالم، فإن مميراث الفلاسفة اليونان انفذ من الضياع بل وأثري ونقح وبإضافات وتسليمات على ما اتى في التراث الإغريقي.وأن عددا من الفهماء المسلمين أحاط بفهم الأولين من أمثال أرسطووبطليموس (وغيرهم) إلى اللغة العربية، وعلقوا تعليقات عظيمة عليهاوقدموا عددا من الابتكارات في مجال فهم الفلك، والبصريات، والرياضيات (بما في ذلك استخدام "الأرقام العربية" ، كادخال الصفر كمتغير). عملى 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 لأرسطوكانت أقرب إلى النصوص الأصلية ومختلفة تماما عن وطأة الكنيسة والترجمات المحرفة والتي ألفها الغرب . تطورت الفيزياء كما نعهدها 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 الفهم (الذي كان يعهد بالطبيعيات)، خاصة مع إسهمات الحسن بن الهيثم، والذي يعتبر رائد المنهج الفهمي في كتابه المناظر، وأبوالريحان البيروني في ما يختص بحركة الأجسام والأوزان النوعية .

فالمسلمين الذين قدَّموا إسهامات قيِّمة في الضوء والبصريات، كما كانت لهم إسهامات لا تُنكر في الجبر والحساب، ومن أشهر فهمائهم في هذا الميدان الخوارزمي. وكانت لهم أبحاث في الميكانيك وكان يُدْعَى فهم 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 الفهماء المسلمين

وأدى تطور المنهج الفهمي، خلال القرن السابع عشر، إلى وضع أسس فهم الفيزياء الحديث من قبل فرانسيس بيكون وگاليليوگاليلي 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 أبرز أدوات الفيزياء الرياضية وهوالحساب التفاضلي.

وفي القرن الثامن عشر، أثناء الثورة الصناعية، تطورت مفاهيم نقل الحرارة، وتبادل الطاقة، وعمل المحركات، وانتشرت مبادئ ما يعهد 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؛ فهم السكون أو"الإستاتيكا" وهويصف الأجسام ساكنة وشروط توازنها، وفهم الحركة أو"الكينماتيكا" وهويهتم بوصف حركة الأجسام دون النظر إلى مسبباتها، وفهم التحريك أو"الديناميكا" الذي يفهم حركة الأجسام وماهية القوى المسببة لها. تقوم الميكانيكا الكلاسيكية بشكل أولي على إفتراض حتى الجسم المادي المراد دراستهقد 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 أوحتى 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، عملى سبيل المثال في النظرية الحركية للغازات تسري القوانين التي تحكم حركة أجسام ذات حجم العادي على الجزيئات المكونة للغازات وهوما يُمَكن من إستنتاج خصائص عيانية مثل درجة الحرارة والضغط والحجم. وفي أنظمة عالية التعقيد يمكن فيها لتغييرات طفيفة حتى تنتج آثارًا كبيرة (مثل الغلاف الجوي أومسألة الأجسام الثلاثة) تصير قدرة معادلات الميكانيكا الكلاسيكية على التنبئ محدودة. وتختص بدراسة هذه الأنظمة، التي توصف بأنها لاخطية، نظرية الشواش.

أوجدت قوانين الميكانيكا الكلاسيكية نظرة موحدة وشاملة لظواهر طبيعية قد تبدوظاهريًا غير متصلة، مثل وقوع تفاحة من غصن شجرة أودوران القمر حول الأرض. عملى سبيل المثال؛ قوانين كيبلر لحركة الكواكب، أوالسرعة التي يجب حتى يبلغها صاروخ للتحرر من حقل الجاذبية الأرضية (سرعة الإفلات)، يمكن إستنتاجهما رياضيًا من قانون نيوتن العام للجاذبية. وقد ساهمت هذه الفكرة ومفادها حتى التوصل لقوانين كليّة يمكنها وصف الظواهر الكونية على إختلافها أمر ممكن، إلى بروز الميكانيكا الكلاسيكية كعنصر هام في الثورة الفهمية 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" وهويصف التفاعل بين الشحنات المتحركة والإشعاع الكهرومغناطيسي. ومع حتى الفهم الكهرباء والمغنطيسية تطورت منذ القدم بشكل منفصل، فقد توصلت النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية، خلال القرنين الثامن والتاسع عشر، إلى تحديد العلاقة بين الظاهرتين من خلال قانون لورنتز ومعادلات ماكسويل. 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 أوتنافر من خلال فهم القطبية والمجال الكهربائي المحيط بها، حيثقد 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 يعهد 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، وتصف التفاعل بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة عن طريق تبادل الفوتونات. وهناك صياغة نسبية تقدم تسليمات لحساب حركة الأجسام التي تسير بسرعات تقارب سرعة الضوء. تتدخل هذه الظواهر في معجلات الجسيمات والأنابيب الكهربائية التي تحمل فروق جهد وتيارات كهربائية عالية.

تعتبر القوى والظواهر الناجمة عن الكهرومغناطيسية من أكثر الأمور المحسوسة في حياتنا اليومية بعد تلك التي تسببها الجاذبية. عملى سبيل المثال، الضوء تعبير عن موجة كهرومغناطيسية مرئية تشع من جسيمات مَشحونة ومُعَجلة. وتجد مبادئ الكهرومغناطيسية إلى يومنا هذا الكثير من التطبيقات التقنية والفهمية 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 انتنطق 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 تعهد حالة الأنظمة؛ متغيرات الامتداد مثل الكتلة والحجم والحرارة، ومتغيرات الشدّة مثل الكثافة ودرجة الحرارة والضغط والكمون الكيميائي. ويمكن من خلال قياس هذه المتغيرات التعهد إلى حالة التوازن أوالتحول التلقائي في النظام.

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على مبدئ حفظ الطاقة، وذلك بأن التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق وساكن، يساوي كمية الطاقة المتبادلة مع الوسط الخارجي على شكل حرارة أوعمل. فيما ينص القانون الثاني على حتى الحرارة لا يمكنها المرور بكيفية 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 حتى تفقد منه كمية على شكل الحرارة. وتوصل لهذين القانونين الفيزيائي الفرنسي سادي كارنوفي بداية القرن التاسع عشر. وفي سنة 1865، أدخل الفيزيائي الألماني رودلف کلاوزیوس دالة الإنتروبية، ومن خلالها يصاغ القانون الثاني على حتى "التحول التلقائي في نظام معين لا يمكن حتى يتحقق بدون حتى ترتفع هذه القيمة فيه وفيما حوله". تُعبر الإنتروبية، من وجهة نظر عيانية، على عدم إمكانية تسخير جميع 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 الكثير من المجالات؛ في الكيمياء والهندسة الكيميائية وفهم الأحياء وإنتاج الطاقة والتبريد. عملى سبيل المثال، يمكن للديناميكا الحرارية تفسير الأسباب التي تجعل بعض التفاعلات الكيميائية تتم من تلقاء نفسها، فيما لا يمكن ذلك للبعض الآخر.

النسبية

نظرية النسبية هي بنية رياضية أكثر عمومية من تلك التي تأسست عليها الميكانيكا الكلاسيكية، وتصف حركة الأجسام بسرعات تقارب سرعة الضوء، أوأنظمة 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 الموضوع إلى حتى نظرية النسبية الخاصة تجد حلا لعدم الإتساق بين معادلات ماكسويل والميكانيكا الكلاسيكية. وتقوم النظرية على مسلمتين هما؛ (1) حتى القوانين الفيزيائية لا تتغير بتغير الإطار المرجعي العطالي للنظم ، (2) وأن سرعة الضوء في الفراغ هي مقدار ثابت وغير متصل بحركة مصدر الضوء أوبالمشاهد. 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 تبدومخالفة للبديهة وإن كانت أثبتتها عدة تجارب، هي انعدام مكان أوزمان مطلق، أي منفصل عن الإطار المرجعي للمشاهد (ومن هنا يأتي مصطلح النسبية). وهذا يعني حتى 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 أبرز النتائج الأخرى مبدئ التكافئ بين المادة والطاقة، وهوأمر تعبر عنه بشكل بليغ أحد أشهر المعادلات الفيزيائية:

حيث E هي الطاقة، وm هي الكتلة، وc هي سرعة الضوء في الفراغ (2 فوق سرعة الضوء تعني حتى الطاقة تتناسب مع مربع هذه السرعة). بعبارة أخرى تُنبئنا هذه الصيغة الرياضية حتى 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 حتى الجاذبية يمكن وصفها على أنها إنحناء في بنية الزمكان تسببه الكتلة أوالطاقة. على الصعيد الرياضي، تتميز النسبية العامة عن غيرها من النظريات الحديثة التي تصف الجاذبية بأنها تستعمل معادلات أينشتاين للمجال لوصف محتوى الزمكان من مادة أوطاقة وأثر ذلك على إنحنائه. وتعتمد في ذلك بشكل أساسي على شادة أو"تينسور" الإجهاد - الطاقة ، وهوكائن هندسي يصف عبر مكوناته عدة كميات فيزيائية مثل الكثافة، والتدفق، والطاقة، والزخم، والزمكان. ويمكن القول بطريقة مبسطة، حتى شادة الإجهاد - الطاقة هوسبب وجود مجال تثاقلي في زمكان معين وذلك بشكل أعم من ما تعمله الكتلة وحدها في قانون نيوتن الكلاسيكي للجاذبية .

من أول المشاهدات التي أكدت على صحة نظرية النسبية العامة، هوتمكنها 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 الكثير من التداعيات لهذه النظرية في فهم 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

تتعامل الميكانيكا الكمومية مع نظم ذات أحجام ذرية أوتحت الذرية؛ مثل الجزيئات والذرات والإلكترونات والبروتونات وغيرها من الجسيمات الأولية. وقد أدت بعض الصعوبات التي قابلت 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 متبترة غير قابلة للتجزئة، وتسمى كُمُومَات أو"كوانتوم". وقد قام بتشكيل هذا المفهوم، الفيزيائي الألماني ماكس بلانك سنة 1900، وقدم من خلاله ألبرت أينشتاين تفسيرًا للمفعول الكهروضوئي والذي يتبين من خلاله بأن الموجات الكهرومغناطيسية تتصرف في بعض الأحيان بكيفية 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 حتى الأجسام أيضا يمكنها حتى تتصرف على أنها موجات، وهوما 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، وهي تصف الجسيمات على أنها مصفوفات تتغير مع الزمن. ومع حتى هذه الأخيرة لا تشير إلى دالة موجة أومفاهيم مماثلة، إلا أنها تتوافق مع معادلة شرودنغر ومع الملاحظات التجريبية.

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

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

لاقت للميكانيكا الكمومية نجاحاً كبيرًا في تفسير الكثير من الظواهر مثل الليزر وشبه الموصلات، وقد نجمت عنها تطبيقات تقنية مهمة، على غرار الصمام الثنائي والترانزستور، التي تعتبر حجر الأساس في الإكترونيات الحديثة. وفي الكيمياء، يعتمد جزء كبير من فهم ديناميكا وبنية الجزيئات، والكيفية 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 فهم 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 الكثير من التطبيقات الأخرى المستقبلية في المعلوماتية، مثل الترميز الكمومي والحاسوب الكمومي.

مجالات الفيزياء

الديناميكا الهوائية

الديناميكا الهوائيةaerodynamics، فهم يختص بدراسة حركة الغازات، وخاصة الهواء وحركة الأجسام خلاله.

الصوتيات

الصوتياتacoustics، فهم يُعنى بتوليد الأمواج الصوتية وانتشارها وخصائصها.

الفيزياء الهوائية

الفيزياء الهوائيةaerophysics، فهم يختص بدراسة الجوالمحيط بالأرض، وتفاعله مع الأجسام التي تتحرك خلاله بسرعات عالية، وكذلك تصميم أجهزة الديناميكا الهوائية وهجريبها وتشغيلها.

الفيزياء الفلكية

الفيزياء الفلكية astrophysics ، فهم دراسة هجريب النجوم والكواكب، وطاقة النجوم وسماتها الظاهرية والفيزيائية.

الفيزياء الجوية

الفيزياء الجوية atmospheric physics، فرع الفيزياء الذي يفهم الخصائص الفيزيائية للغلاف الجوي.

الفيزياء الذرية

الفيزياء الذرية atomic physics، فرع الفيزياء الذي يُعنى بدراسة هجريب الذرة، وخصائص الجسيمات الذرية التي تتكون منها الذرة، وتفاعلات الإشعاعات مع ذرات المواد.

البالستيات

البالستيات ballistics، فهم 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 cryogenicsالفهم الذي يختص بتوليد درجات الحـرارة شديدة الانخفاض، وبدراسة خصائص المـواد عند هذه الدرجات ويدعى كذلك فيزياء درجـة الحرارة المنخفضة low-temperature physics.

فهم البلّورات

فهم البلّورات crystallographyالفهم 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 أوتفككاتها إلى جسيمات أخرى.

المغنطيسية الحديدية

المغنطيسية الحديدية ferromagntism، خاصية المواد التي تتأثر بالمجالات المغنطيسسية، أوذات النفاذية العالية.

ديناميكا الموائع fluid dynamics

ديناميكا الموائع fluid dynamics، الفهم الذي يُعنى بدراسة حركة الموائع، بما في ذلك الموائع اللزجة وغير اللزجة، والقابلة للانضغاط أوغير القابلة لذلك، وقوى الطفووغير 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 المتنوعة، وتنكسر أوتنعكس 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، الفهم الذي يعنى بدراسة خصائص السوائل الساكنة من طفووضغط وتوتر سطحي وغير ذلك.

فهم الحركة

فهم الحركة kinematics، دراسة حركة الأجسام بغض النظر عن كتلتها أوالقوى الفاعلة فيها.

المغنطيسية

المغنطيسية magnetism، فرع الفهم الذي يعنى بمعالجة قوانين القوى المغنطيسية وظروفها، وكذلك آثارها وأسباب وجودها.

الهدروديناميكا المغنطيسية

الهدروديناميكا المغنطيسيةالفهم الذي يعنى بدراسة حركة الموائع وعملها المتبادل في المجالات المغنطيسية.

الميكانيك

الميكانيك mechanics، فرع الفهم الذي يعنى بدراسة تأثير القوى في الأجسام أوالنظم الفيزيائية، أوبمحاولة وضع القواعد العامة للتنبؤ بسلوك هذه النظم تحت تأثير العمل 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.

فهم القياس

فهم القياس metrology، فرع العلوم الذي يعنى بالقياسات الدقيقة للمقادير الأساسية وهي الكتلة والطول والزمن، أوهوفهم 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 الفهم:

• عام 1583 وضع غاليليه قانون اهتزاز النواس.

• عام 1637 تفهم ديكارت Descartes قوانين انكسار الضوء.

• عام 1648 وضَّح باسكال Pascal وجود الضغط الجوي.

• عام 1687 أعرب نيوتن Newton قانون التجاذب العالمي بين الكتل المادية.

• عام 1742 ابتكر سلزيوس Celsius سلَّم درجات الحرارة المئوي.

• عام 1785 أعرب كولون Coulomb القانون الناظم للقوى بين الشحنات الكهربائية الساكنة.

• عام 1819 اقترح فرينل Fresnel النظرية الموجية للضوء.

• عام 1819 اكتشاف أورستد Christian Oersted الأثر المغنطيسي للتيار الكهربائي.

• عام 1827 أعرب أوم Ohm قانونه الخاص بالتيار الساري في دارة كهربائية.

• عام 1831 اكتشاف مايكل فاراداي Michael Faraday ظاهرة التحريض المغنطيسي.

• عام 1847 أعرب هلمهولتز Helmholtz قانون انحفاظ الطاقة.
• عام 1851 برهن فوكوFoucault 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 أعرب 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 1911 اقترح رذرفورد Rutherford نموذج الكواكب السيارة للذرة.

• عام 1912 دراسة ماكس فون لاوMax T.F. Von Laue انعراج الأشعة السينية على البلّورات، وتوضيحه حتى الأِشعة السينية هي ضرب من الأمواج الكهرمغنطيسية.

• عام 1914 دراسة روبرت مليكان Robert Milikan للمفعول الكهرضوئي تجريبياً.

• عام 1916 أعرب آينشتاين Einstein النظرية النسبية العامة.

• عام 1922 اكتشاف آرثر كومتون Arthur Compton مفعول كومتون حول تغير طول موجة الأشعة السينية لدى تبعثرها على ذرات المادة.

• عام 1926 أعرب شرودنغر Schrodinger معادلته في ميكانيك الكم.

• عام 1932 اكتشف شادويك Chadwick النترون.

• 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 الثنطقية gravitational waves.

انظر أيضاً

• فيزياء رياضية
• فلسفة الفيزياء
• ظاهرة فيزيائية
• فيزيائي
• قائمة بأشهر الفيزيائيين
• منهج فهمي

توضيحات ومراجع

يبي