تعريف علم الفيزياء لغة واصطلاحا
الفيزياء هو العلم الذي يتعامل مع بنية المادة والتفاعلات بين المكونات الأساسية للكون المرئي ، وبالمعنى الواسع الفيزياء تهتم بجميع جوانب الطبيعة على المستويين العياني ودون المجهري ، ويشمل نطاق دراسته ليس فقط سلوك الأشياء تحت تأثير قوى معينة ولكن أيضًا طبيعة وأصل مجالات الجاذبية والكهرومغناطيسية والنووية ، وهدفها النهائي هو صياغة بعض المبادئ الشاملة التي تجمع وتشرح كل هذه الظواهر المتباينة .
تعريف علم الفيزياء
عند إجراء بحث عن الفيزياء، نجد أنها تعتبر العلوم الفيزيائية الأساسية. في الماضي، كانت الفيزياء والفلسفة الطبيعية تستخدمان بشكل متبادل للإشارة إلى العلم الذي يهدف إلى اكتشاف وصياغة القوانين الأساسية للطبيعة. ومع تطور العلوم الحديثة وتخصصها المتزايد، أصبحت الفيزياء تشير إلى تلك الفرعية من العلوم الفيزيائية التي لا تشمل فيها علوم الفلك والكيمياء والجيولوجيا والهندسة. تلعب الفيزياء دورا هاما في جميع العلوم الطبيعية. ومع ذلك، كل هذه المجالات لها فروع متخصصة تركز بشكل خاص على القوانين والقياسات الفيزيائية، وتحمل أسماء مثل الفيزياء الفلكية والجيوفيزياء والفيزياء الحيوية وحتى الفيزياء النفسية. بشكل أساسي، يمكن تعريف الفيزياء على أنها علم المادة والحركة والطاقة، وتعبر قوانينها عادة باستخدام الاقتصاد والدقة في لغة الرياضيات .
تلعب كل من التجربة ومراقبة الظواهر دورا أساسيا في تقدم الفيزياء، حيث يتم التحكم بظروفهما بأكبر قدر ممكن من الدقة. تشكل النظرية إطارا مفاهيميا موحدا وتلعب أدوارا أساسية ومتكاملة. تنتج التجارب الفيزيائية قياسات يتم مقارنتها بالنتائج المتوقعة من النظرية. يعتبر أن النظرية التي تتنبأ بنتائج التجارب بشكل موثوق تجسد قانونا في الفيزياء. ومع ذلك، يتم تعديل القانون دائما أو استبداله أو تقييده بمجال أضيق إذا استدعت ذلك التجربة التالية .
الهدف الأساسي لعلم الفيزياء
الهدف النهائي للفيزياء هو تحقيق مجموعة موحدة من القوانين التي تنظم المادة والحركة والطاقة على نطاق صغير جدا حيث لا تؤثر الذرات، وعلى نطاق حياة البشر اليومية، وأيضا على نطاق أكبر مثل تلك التي توجد خارج المجرة. وقد تم تحقيق هذا الهدف الطموح إلى حد كبير، وعلى الرغم من أن النظرية الموحدة المطلقة للظواهر الفيزيائية لم تتحقق بعد، وربما لن تتحقق أبدا، يبدو أن مجموعة صغيرة جدا من القوانين الفيزيائية الأساسية قادرة على تفسير جميع الظواهر المعروفة. وقد تطورت مجالات الفيزياء حتى بداية القرن العشرين، والمعروفة باسم الفيزياء الكلاسيكية، ويمكن لهذه النظرية تفسير حركات الأجسام المرئية التي تحدث ببطء بالمقارنة مع سرعة الضوء، وظواهر مثل الحرارة والصوت والكهرباء والمغناطيسية والضوء. وتعمل التطورات الحديثة في نظرية النسبية وميكانيكا الكم على تعديل هذه القوانين بما يتناسب مع السرعات العالية والأجسام الضخمة جدا والجزيئات الأولية الدقيقة للمادة، مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات .
نطاق الفيزياء
يتم تحديد التطبيقات التي تنتمي إلى علم الفيزياء وفروعه المنظمة تقليديا للفيزياء الكلاسيكية والحديثة على النحو التالي .
علم الميكانيكا
تُؤخذ الميكانيكا عمومًا على أنها تعني دراسة حركة الأجسام أو عدم حركتها تحت تأثير قوى معينة ، وتعتبر الميكانيكا الكلاسيكية أحيانًا فرعًا من فروع الرياضيات التطبيقية ، وهو يتألف من علم الحركة ، ووصف الحركة ، والديناميكيات ، ودراسة عمل القوى في إنتاج إما التوازن الحركي أو الثابت ، وإن موضوعات القرن العشرين لميكانيكا الكم ، الحاسمة في معالجة بنية المادة ، والجسيمات دون الذرية ، والميوعة الفائقة ، والموصلية الفائقة ، والنجوم النيوترونية ، والظواهر الرئيسية الأخرى ، والميكانيكا النسبية ، مهمة عندما تقترب السرعة من سرعة الضوء ، هي أشكال من الميكانيكا .
يتم في الميكانيكا الكلاسيكية صياغة القوانين أساسا بواسطة علماء الفيزياء للجسيمات النقطية، حيث يتم تجاهل الأبعاد والأشكال والخصائص الأخرى الجوهرية للأجسام. ولذلك، يعامل الأجسام الكبيرة مثل الأرض والشمس عادة كنقطة في حساب الحركة المدارية للكواكب، وفي ديناميكا الجسم الصلب، ينظر أيضا إلى تمددها وتوزيعاتها الكتلية، ولكن يفترض أنها غير قابلة للتشوه. وتتضمن ميكانيكا المواد الصلبة المشوهة المرونة، وتعالج الهيدروديناميكا والديناميكا المائية على التوالي، وتعنى بالسوائل أثناء الراحة والحركة .
تشكل قوانين الحركة الثلاثة التي وضعها إسحاق نيوتن أساس الميكانيكا الكلاسيكية. في جنباتها، يتم الاعتراف بأن القوى هي كميات موجهة وتتحد وفقا لهذا التوجيه. ينص القانون الأول، المسمى أيضا بقانون القصور الذاتي، على أنه إذا لم يتم التصرف بناء عليه بواسطة قوة خارجية، فإن الشيء الساكن يظل في حالة سكون، وإذا كان متحركا، فإنه يستمر في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة. لذلك، لا يلزم وجود سبب للحركة الموحدة. ووفقا لذلك، لا يركز الميكانيكا على الحركة في حد ذاتها، ولكن على التغيير في حالة حركة الجسم التي تنتج عن القوة الكلية التي تؤثر عليه. يساوي قانون نيوتن الثاني القوة الكلية المؤثرة على جسم ما بمعدل تغير زخمه، ويكون الزخم الناتج ناتجا عن كتلة الجسم وسرعته. وينص قانون نيوتن الثالث، قانون الفعل ورد الفعل، على أنه عندما يتفاعل جسيمان، فإن القوى التي يبذلها كل منهما على الآخر تكون متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه مجتمعة. تمكن هذه القوانين الميكانيكية بالمبدأ من تحديد الحركات المستقبلية لمجموعة من الجسيمات، مما يوفر حالة حركتها معروفة في لحظة ما، وكذلك القوى التي تعمل بينها وبينها من الخارج. ومن هذا الطابع الحتمي لقوانين الميكانيكا الكلاسيكية، تم استخلاص استنتاجات فلسفية عميقة في الماضي وحتى تم تطبيقها على تاريخ البشرية .
الديناميكا الحرارية
تم وضع مجال البحث هذا في الماضي ضمن الميكانيكا الكلاسيكية لأسباب تاريخية ، لأن كلا المجالين قد وضعهما في حالة عالية من الكمال من قبل نيوتن وأيضًا بسبب طابعه العالمي ، وينص قانون الجاذبية لنيوتن على أن كل جسيم مادي في الكون يجذب كل جسيم آخر بقوة تعمل على طول الخط الذي يربط بينهما وتتناسب قوتها طرديًا مع ناتج كتلها وتتناسب عكسيًا مع مربع فصلها ، وكان حساب نيوتن التفصيلي لمدارات الكواكب والقمر ، بالإضافة إلى تأثيرات الجاذبية الدقيقة مثل المد والجزر ومباشرة الاعتدالات تغير دوري بطيء في اتجاه محور دوران الأرض ، ومن خلال هذه القوة الأساسية كان أول انتصار للميكانيكا الكلاسيكية ، ليست هناك حاجة إلى مبادئ أخرى لفهم الجوانب الرئيسية للصواريخ ورحلات الفضاء على الرغم من الحاجة بالطبع إلى تقنية هائلة لتنفيذها .
ألبرت أينشتاين صاغ نظرية الجاذبية الحديثة المعروفة باسم النظرية العامة للنسبية. واكتشف أن هناك مساواة تربط بين كمية الكتلة في قانون نيوتن الثاني للحركة وقانون الجاذبية الخاص به. اندهش أينشتاين من حقيقة أن التسارع يمكن أن يعوض محليا تأثير قوة الجاذبية، كما يحدث في حالة فقدان الوزن التي يتعرض لها رواد الفضاء في المركبة الفضائية التي تدور حول الأرض. ومن هنا ظهرت فكرة الزمكان المنحني. تم استكمال هذه النظرية في عام 1915 وتم تقييمها لسنوات عديدة بشكل رئيسي بسبب جماليتها الرياضية وقدرتها على التنبؤ ببعض الظواهر الصغيرة مثل انحناء الضوء حول الأجسام الضخمة. ولكن في السنوات الأخيرة، أصبحت موضوعا حيويا للبحث النظري والتجريبي .
دراسة الحرارة والديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية
الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة الداخلية المتعلقة بالحركة العشوائية لجزيئات المادة أو بالإشعاع. درجة الحرارة تمثل المتوسط الجزئي للطاقة الداخلية في الجسم ولا تشمل طاقة الارتباط الجزيئي أو الدوران الجزيئي. يتم تحديد الصفر المطلق للطاقة الممكنة للمادة عند 273.15 درجة مئوية أو -459.67 درجة فهرنهايت. يصل الجسم المعزول في النهاية إلى حالة توازن حراري حيث تكون درجة الحرارة متجانسة. يطلق على دراسة حالات المادة قرب التوازن الحراري اسم الديناميكا الحرارية، ويستطيع تحليل مجموعة واسعة من الأنظمة الحرارية بغض النظر عن هياكلها التفصيلية .