ما هو تعريف الفيزياء؟
نجد الفيزياء في كل شيء من حولنا في الكون، من الأرض تحت أقدامنا إلى ما وراء النجوم في السماء، لكن ما هو تعريف الفيزياء؟
لماذا الفيزياء؟
إن الكون المادي معقد للغاية في تفاصيله. فكل منا يراقب كل يوم مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأشياء والظواهر. وعلى مر القرون، قادنا فضول الجنس البشري إلى استكشاف وتصنيف ثروة هائلة من المعلومات.
فمن طيران الطيور إلى ألوان الزهور، ومن البرق إلى الجاذبية، ومن الكواركات إلى مجموعات المجرات، ومن تدفق الزمن إلى لغز خلق الكون، طرحنا الأسئلة وجمعنا مجموعات ضخمة من الحقائق.
وفي مواجهة كل هذه التفاصيل، اكتشفنا أن مجموعة صغيرة وموحدة بشكل مدهش من القوانين الفيزيائية يمكن أن تفسر ما نلاحظه. وبصفتنا بشراً، فإننا نستخلص التعميمات ونسعى إلى النظام.
وقد وجدنا أن الطبيعة متعاونة بشكل ملحوظ ـ فهي تظهر النظام الأساسي والبساطة التي نقدرها كثيراً. إن النظام الأساسي للطبيعة هو الذي يجعل العلم بشكل عام، والفيزياء بشكل خاص، ممتعين للدراسة.
على سبيل المثال، ما الذي يجمع بين كيس رقائق البطاطس وبطارية السيارة؟ كلاهما يحتوي على طاقة يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى.
إن قانون الحفاظ على الطاقة (الذي ينص على أن الطاقة يمكن أن تتغير من شكلها ولكنها لا تضيع أبدًا) يربط بين مواضيع مثل السعرات الحرارية في الطعام، والبطاريات، والحرارة، والضوء، ونوابض الساعات.
إن فهم هذا القانون يجعل من الأسهل التعرف على الأشكال المختلفة للطاقة وكيف ترتبط ببعضها البعض.
الروابط الفيزيائية
إن المواضيع غير ذات الصلة على ما يبدو مرتبطة من خلال قوانين فيزيائية قابلة للتطبيق على نطاق واسع، مما يسمح بفهم يتجاوز مجرد حفظ قوائم الحقائق.
إن الجانب الموحد للقوانين الفيزيائية والبساطة الأساسية للطبيعة يشكلان الموضوعين الأساسيين لهذا النص. ومن خلال تعلم كيفية تطبيق هذه القوانين، سوف تدرس بالطبع أهم المواضيع في الفيزياء.
والأهم من ذلك، أنك ستكتسب قدرات تحليلية تمكنك من تطبيق هذه القوانين إلى ما هو أبعد بكثير من نطاق ما يمكن تضمينه في كتاب واحد.
ستساعدك هذه المهارات التحليلية على التفوق أكاديميًا، وستساعدك أيضًا على التفكير النقدي في أي مهنة تختار متابعتها.
تناقش هذه المقالة مجال الفيزياء (لتعريف ماهية الفيزياء)، وبعض تطبيقات الفيزياء (لتوضيح أهميتها للتخصصات الأخرى)، وبشكل أكثر دقة ما يشكل قانونًا فيزيائيًا (لتسليط الضوء على أهمية التجريب للنظرية).
العلم وعالم الفيزياء
يتألف العلم من النظريات والقوانين التي تشكل الحقائق العامة للطبيعة، فضلاً عن مجموعة المعارف التي تشتمل عليها.
ويحاول العلماء باستمرار توسيع نطاق هذه المجموعة من المعارف وإتقان التعبير عن القوانين التي تصفها. وتهتم الفيزياء بوصف تفاعلات الطاقة والمادة والفضاء والزمان، وهي مهتمة بشكل خاص بالآليات الأساسية التي تكمن وراء كل ظاهرة.
ويحدد الاهتمام بوصف الظواهر الأساسية في الطبيعة عالم الفيزياء بشكل أساسي.
تهدف الفيزياء إلى وصف وظيفة كل شيء حولنا، من حركة الجسيمات المشحونة الصغيرة إلى حركة الأشخاص والسيارات والمركبات الفضائية. في الواقع، يمكن وصف كل شيء تقريبًا من حولك بدقة تامة من خلال قوانين الفيزياء.
فكر في الهاتف الذكي. تصف الفيزياء كيف تتفاعل الكهرباء مع الدوائر المختلفة داخل الجهاز. تساعد هذه المعرفة المهندسين في اختيار المواد المناسبة وتخطيط الدائرة عند بناء الهاتف الذكي.
بعد ذلك، فكر في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). تصف الفيزياء العلاقة بين سرعة الجسم والمسافة التي يقطعها والوقت الذي يستغرقه لقطع تلك المسافة.
عندما تستخدم جهاز GPS في مركبة، فإنه يستخدم معادلات الفيزياء هذه لتحديد وقت السفر من مكان إلى آخر.
تطبيقات الفيزياء
لا يلزم أن تكون عالماً لاستخدام الفيزياء. بل على العكس من ذلك، فإن معرفة الفيزياء مفيدة في المواقف اليومية وكذلك في المهن غير العلمية.
ويمكن أن تساعدك على فهم كيفية عمل أفران الميكروويف، ولماذا لا ينبغي وضع المعادن فيها، ولماذا قد تؤثر على أجهزة تنظيم ضربات القلب.
تسمح لك الفيزياء بفهم مخاطر الإشعاع وتقييم هذه المخاطر بشكل عقلاني بسهولة أكبر.
كما تشرح الفيزياء السبب وراء مساعدة مبرد السيارة الأسود في إزالة الحرارة في محرك السيارة، وتشرح لماذا يساعد السقف الأبيض في الحفاظ على برودة الجزء الداخلي من المنزل.
وعلى نحو مماثل، فإن تشغيل نظام الإشعال في السيارة وكذلك نقل الإشارات الكهربائية عبر الجهاز العصبي لجسمنا أسهل بكثير للفهم عندما تفكر فيهما من حيث الفيزياء الأساسية.
الفيزياء هي أساس التخصصات
الفيزياء هي الأساس للعديد من التخصصات المهمة وتساهم بشكل مباشر في غيرها. على سبيل المثال، الكيمياء – لأنها تتعامل مع تفاعلات الذرات والجزيئات – متجذرة في الفيزياء الذرية والجزيئية.
معظم فروع الهندسة هي فيزياء تطبيقية. في الهندسة المعمارية، تشكل الفيزياء جوهر الاستقرار البنيوي، وتشارك في الصوتيات والتدفئة والإضاءة وتبريد المباني.
تعتمد أجزاء من الجيولوجيا بشكل كبير على الفيزياء، مثل التأريخ الإشعاعي للصخور، وتحليل الزلازل، وانتقال الحرارة في الأرض. بعض التخصصات، مثل الفيزياء الحيوية والجيوفيزياء، هي هجينة من الفيزياء وتخصصات أخرى.
للفيزياء العديد من التطبيقات في العلوم البيولوجية. على المستوى المجهري، تساعد في وصف خصائص جدران الخلايا والأغشية الخلوية.
على المستوى العياني، يمكنها تفسير الحرارة والعمل والقوة المرتبطة بجسم الإنسان. تشارك الفيزياء في التشخيص الطبي، مثل الأشعة السينية، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وقياس تدفق الدم بالموجات فوق الصوتية.
يتضمن العلاج الطبي أحيانًا الفيزياء بشكل مباشر؛ على سبيل المثال، يستخدم العلاج الإشعاعي للسرطان الإشعاع المؤين.
إقرأ أيضاً… أساسيات فيزياء الجسيمات.
الفيزياء وتفسير الظواهر
يمكن للفيزياء أيضًا تفسير الظواهر الحسية، مثل كيفية إصدار الآلات الموسيقية للصوت، وكيف تكتشف العين اللون، وكيف يمكن لليزر نقل المعلومات.
ليس من الضروري دراسة جميع تطبيقات الفيزياء بشكل رسمي. إن ما هو أكثر فائدة هو معرفة القوانين الأساسية للفيزياء والمهارة في الأساليب التحليلية لتطبيقها. كما أن دراسة الفيزياء يمكن أن تحسن مهاراتك في حل المشكلات.
علاوة على ذلك، احتفظت الفيزياء بالجوانب الأساسية للعلوم، لذلك تستخدمها جميع العلوم، ودراسة الفيزياء تجعل العلوم الأخرى أسهل في الفهم.
إن قوانين الطبيعة عبارة عن أوصاف موجزة للكون من حولنا؛ وهي عبارة عن عبارات بشرية عن القوانين أو القواعد الأساسية التي تتبعها جميع العمليات الطبيعية.
وهذه القوانين متأصلة في الكون؛ ولم يخلقها البشر وبالتالي لا يمكنهم تغييرها. ولا يمكننا سوى اكتشافها وفهمها.
واكتشافها هو مسعى بشري للغاية، مع كل عناصر الغموض والخيال والنضال والانتصار وخيبة الأمل المتأصلة في أي جهد إبداعي. إن حجر الزاوية في اكتشاف القوانين الطبيعية هو الملاحظة؛ فلابد أن يصف العلم الكون كما هو، وليس كما نتخيله.
النماذج الفيزيائية
إننا جميعًا فضوليون إلى حد ما. فنحن ننظر حولنا، ونقوم بتعميمات، ونحاول فهم ما نراه ــ على سبيل المثال، ننظر إلى الأعلى ونتساءل عما إذا كان نوع واحد من السحب يشير إلى عاصفة قادمة.
ومع جديتنا في استكشاف الطبيعة، نصبح أكثر تنظيمًا ورسمية في جمع وتحليل البيانات. إننا نحاول تحقيق قدر أعظم من الدقة، ونجري تجارب خاضعة للرقابة (إذا كان بوسعنا)، ونسجل أفكاراً حول كيفية تنظيم البيانات وتوحيدها.
ثم نقوم بصياغة نماذج ونظريات وقوانين استناداً إلى البيانات التي جمعناها وحللناها لتعميم نتائج هذه التجارب وتوصيلها.
النموذج هو تمثيل لشيء ما غالباً ما يكون من الصعب (أو المستحيل) عرضه بشكل مباشر. وفي حين أن النموذج مبرر بإثبات تجريبي، فإنه لا يكون دقيقاً إلا في حالات محدودة.
ومن الأمثلة على ذلك النموذج الكوكبي للذرة حيث يتم تصوير الإلكترونات وهي تدور حول النواة، على غرار الطريقة التي تدور بها الكواكب حول الشمس.
لا يمكننا ملاحظة مدارات الإلكترونات بشكل مباشر، لكن الصورة الذهنية تساعد في تفسير الملاحظات التي يمكننا إجراؤها، مثل انبعاث الضوء من الغازات الساخنة (الأطياف الذرية).
يستخدم الفيزيائيون النماذج لمجموعة متنوعة من الأغراض. على سبيل المثال، يمكن للنماذج أن تساعد الفيزيائيين في تحليل سيناريو وإجراء حساب، أو يمكن استخدامها لتمثيل موقف في شكل محاكاة حاسوبية.
النظريات الفيزيائية
النظرية هي تفسير للأنماط في الطبيعة مدعومة بالأدلة العلمية ومؤكدة عدة مرات من قبل مجموعات مختلفة من الباحثين. تتضمن بعض النظريات نماذج للمساعدة في تصور الظواهر، في حين لا تتضمن نظريات أخرى ذلك.
على سبيل المثال، لا تتطلب نظرية نيوتن للجاذبية نموذجًا أو صورة ذهنية، لأننا نستطيع ملاحظة الأشياء مباشرة بحواسنا. من ناحية أخرى، فإن نظرية الحركة للغازات هي نموذج يُنظر فيه إلى الغاز على أنه يتكون من ذرات وجزيئات.
الذرات والجزيئات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها مباشرة بحواسنا – وبالتالي، نتخيلها ذهنيًا لفهم ما تخبرنا به أدواتنا عن سلوك الغازات.
إقرأ أيضاً… السفر عبر الزمن ومفهومه في الفيزياء الحديثة.
القوانين الفيزيائية
يستخدم القانون لغة موجزة لوصف نمط عام في الطبيعة مدعوم بالأدلة العلمية والتجارب المتكررة.
غالبًا ما يمكن التعبير عن القانون في شكل معادلة رياضية واحدة. تتشابه القوانين والنظريات في أنها عبارة علمية تنتج عن فرضية تم اختبارها ومدعومة بالأدلة العلمية.
ومع ذلك، فإن تسمية القانون محجوزة لبيان موجز وعام للغاية يصف الظواهر في الطبيعة، مثل قانون حفظ الطاقة أثناء أي عملية، أو قانون نيوتن الثاني للحركة، والذي يربط القوة والكتلة والتسارع بالمعادلة البسيطة F = ma.
على النقيض من ذلك، فإن النظرية عبارة أقل إيجازًا عن الظواهر المرصودة. على سبيل المثال، لا يمكن التعبير عن نظرية التطور ونظرية النسبية بإيجاز كافٍ لاعتبارهما قانونًا.
الفرق بين القانون والنظرية
الفرق الأكبر بين القانون والنظرية هو أن النظرية أكثر تعقيدًا وديناميكية. يصف القانون فعلًا واحدًا، بينما تشرح النظرية مجموعة كاملة من الظواهر ذات الصلة.
وبينما القانون هو فرضية تشكل الأساس للمنهج العلمي، فإن النظرية هي النتيجة النهائية لتلك العملية.
وعادة ما تسمى العبارات الأقل تطبيقاً بالمبادئ (مثل مبدأ باسكال، الذي ينطبق فقط على السوائل)، ولكن التمييز بين القوانين والمبادئ غالباً ما لا يتم بعناية.
الفيزياء الكلاسيكية
إن تعريف الفيزياء الكلاسيكية ليست وصفاً دقيقاً للكون، ولكنها تقريب ممتاز في ظل الظروف التالية:
لابد أن تتحرك المادة بسرعات أقل من نحو 1% من سرعة الضوء، ولابد أن تكون الأجسام التي نتعامل معها كبيرة بما يكفي لرؤيتها بالمجهر، ولا يمكن أن تكون هناك سوى حقول جاذبية ضعيفة، مثل الحقل الذي تولدها الأرض.
ولأن البشر يعيشون في ظل مثل هذه الظروف، فإن الفيزياء الكلاسيكية تبدو معقولة حدسياً، في حين تبدو العديد من جوانب الفيزياء الحديثة غريبة.
ولهذا السبب فإن النماذج مفيدة للغاية في الفيزياء الحديثة ـ فهي تسمح لنا بتصور الظواهر التي لا نختبرها عادة. وبوسعنا أن نتعامل مع النماذج من منظور بشري وأن نتصور ما يحدث عندما تتحرك الأجسام بسرعات عالية أو نتخيل كيف قد تكون الأجسام الصغيرة للغاية التي لا نستطيع ملاحظتها بحواسنا.
على سبيل المثال، يمكننا أن نفهم خصائص الذرة لأننا نستطيع أن نتصورها في أذهاننا، على الرغم من أننا لم نرَ ذرة بأعيننا قط. وبطبيعة الحال، تسمح لنا الأدوات الجديدة بتصور ظواهر أفضل لا نستطيع رؤيتها.
وفي الواقع، فقد أتاحت لنا الأجهزة الجديدة في السنوات الأخيرة “تصوير” الذرة فعلياً.
الفيزياء الحديثة
لقد تم تحقيق بعض من أكثر التطورات المذهلة في العلوم في تعريف الفيزياء الحديثة. فقد تم تعديل أو رفض العديد من قوانين الفيزياء الكلاسيكية، ونتج عن ذلك تغييرات ثورية في التكنولوجيا والمجتمع ونظرتنا للكون.
ومثل الخيال العلمي، فإن الفيزياء الحديثة مليئة بأشياء رائعة تتجاوز تجاربنا العادية، ولكنها تتمتع بميزة على الخيال العلمي لكونها حقيقية للغاية.
لماذا إذن يتم تخصيص غالبية هذا النص لمواضيع الفيزياء الكلاسيكية؟ هناك سببان رئيسيان: الفيزياء الكلاسيكية تقدم وصفًا دقيقًا للغاية للكون في ظل مجموعة واسعة من الظروف اليومية، ومعرفة الفيزياء الكلاسيكية ضرورية لفهم الفيزياء الحديثة.
تتكون الفيزياء الحديثة نفسها من نظريتين ثوريتين، النسبية وميكانيكا الكم. تتعامل هاتان النظريتان مع الأشياء السريعة جدًا والصغيرة جدًا على التوالي.
يجب استخدام النسبية كلما كان الجسم يسافر بسرعة أكبر من حوالي 1٪ من سرعة الضوء أو يتعرض لحقل جاذبية قوي مثل ذلك الموجود بالقرب من الشمس.
يجب استخدام ميكانيكا الكم للأشياء الأصغر من تلك التي يمكن رؤيتها بالمجهر. إن الجمع بين هاتين النظريتين هو ميكانيكا الكم النسبية، وهي تصف سلوك الأجسام الصغيرة التي تتحرك بسرعات عالية أو تتعرض لحقل جاذبية قوي.
وميكانيكا الكم النسبية هي أفضل نظرية يمكن تطبيقها عالميًا. وبسبب تعقيدها الرياضي، فإنها تُستخدم فقط عند الضرورة، وتُستخدم النظريات الأخرى كلما كانت ستؤدي إلى نتائج دقيقة بدرجة كافية.
ومع ذلك، سنجد أنه يمكننا القيام بالكثير من الفيزياء الحديثة باستخدام الجبر وعلم المثلثات المستخدم في هذا النص.
