الفيزياء
الفيزياء هي العلم الذي يهتم بدراسة المادة والطاقة والتفاعل؛ كلاهما معاً أو كلٌ على حدة، والتفاعلات في ما بينهما. ويمكن وضع تعريفٍ أدق بقولنا إن الفيزياء هي العلم الذي يدرس الطبيعة (أو كل شيء موجود في هذه الطبيعة)، والذي يتعامل مع قوانين وخصائص المادة والقوى المؤثرة عليها.
يمكن تصنيف الفيزياء إلى فيزياء حديثة وفيزياء كلاسيكية، وكل منهما يمتلك العديد من المعلومات الشيقة، فعلى سبيل المثال تهتم الميكانيكا الكلاسيكية والتي هي جزء من الفيزياء الكلاسيكية بدراسة حركة الأجسام الكبيرة والبطيئة نسبياً، بينما تهتم النظرية النسبية الخاصة والتي هي جزء من الفيزياء الحديثة بدراسة حركة الأجسام السريعة جداً (والتي سرعتها تقارب سرعة الضوء)، بينما تهتم ميكانيكا الكم والتي هي أيضاً جزء من الفيزياء الحديثة بدراسة الأجسام الذرية والدون ذرية والتي تتحرك بسرعات بطيئة (أقل بكثير من سرعة الضوء ).
معلومات عن الفيزياء الكلاسيكية
الفيزياء الكلاسيكية هي ذاك الجزء من الفيزياء الذي لا يستخدم ميكانيكا الكم أو النظرية النسبية الخاصة، مثل قوانين نيوتن في الحركة، والنظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية، والديناميكا الحرارية. الفيزياء الكلاسيكية ممتازة جداً في تفسير الكثير من الظواهر، ولكنها تفشل في تفسير الظواهر الطبيعية عند السرعات القريبة من سرعة الضوء والأبعاد الذرية والدون ذرية.
معلومات عن الميكانيكا الكلاسيكية
عند الحديث عن الميكانيكا الكلاسيكية فلا بد من ذكر العالم إسحاق نيوتن والذي كانت قوانينه الثلاثة من أكثر الأعمال أساسيةً في الفيزياء، حيث إن دراسة القوة يجب أن تكون بوجود قانون نيوتن الثاني. ويوجد لنيوتن ثلاثة قوانين مشهورة جداً، الأول: الجسم الساكن يبقى ساكناً، والجسم المتحرك يبقى متحركاً ما لم تؤثر به قوة محصلة ما. وهو المعروف بقانون القصور الذاتي للأجسام. أما الثاني: إذا أثرنا على جسم بقوة ما أدت إلى تغير حالته الحركية، فإن هذه القوة ستكون مساوية لمقدار التغير الحاصل للزخم نسبةً إلى الزمن. أما القانون الثالث فهو: إذا أثر جسمان بقوة متبادلة على بعضهما البعض، فإن هذه القوة ستكون متساوية في المقدار، ومتعاكسة في الاتجاه وهذا الأخير هو المعروف بقانون الفعل ورد الفعل.
يوجد أيضاً قانون الجذب العام والذي ينص على أن كل جسمٍ في الكون يجذب الأجسام الأخرى نحوه بقوة تتناسب طردياً مع كتلهما، وعكسياً مع مربع المسافة بينهما. حيث إن هذا القانون هو الذي فسر حركة القمر حول الأرض وحركة الشمس حول الأرض. أيضاً إن قانون الجذب العام ساعد في حساب الأزمنة الدورية للأجرام السماوية كالمذنبات (مثل مذنب هابل)، والزمن الدوري للقمر حول الأرض والزمن الدوري للأرض حول الشمس ؛ وهذا الذي مكننا من وضع التقاويم الحديثة بدقة عالية.
معلومات عن النظرية الكهرومغناطيسية
يشمل مفهوم القوة الكهرومغناطيسية مفهومي الكهرباء والمغناطيسية، حيث إنه تم التوحيد بين هذين الفهومين بعد أن كانا يُعاملان بشكلٍ منفصلٍ تماماً ليعبرا عن قوةٍ واحدة. وفيما يأتي مجموعةٌ من الحقائق عن واحدة من أهم الظريات الفيزيائية:
- يمكن توليد مجال كهربائي من شحنة ثابتة أو متحركة، بينما لا يمكن توليد المجال المغناطيسي إلا من شحنة متحركة (أو تيار كهربائي، حيث إن التيار الكهربائي هو سيل من الشحنات).
- مقدار القوة الكهربائية أكبر بكثير من مقدار قوة الجاذبية.
- القوة التي تربط الإلكترونات بالنواة وتجعلها تدور حولها بمدارات محددة هي القوة الكهربائية.
- واحدة من الظواهر الطبيعية التي فهمناها عند دراستنا للنظرية الكهرومغناطيسية هي ظاهرة البرق؛ حيث إن البرق ينتج بفعل عملية تفريغ الشحنات الموجودة في الغيوم.
- من العلماء الذين أسهموا في دراسة النظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية العالم كولوم، والعالم فاراداي، والعالم ماكسويل.
معلومات عن الديناميكا الحرارية
الديناميكا الحرارية هي فرع الفيزياء المهتم بدراسة العلاقة بين الحرارة والحركة، أو بكلماتٍ أدق العلاقة بين الحرارة والطاقة الحركية، أو الشغل وعملية تحول الحرارة إلى طاقة حركية أو العكس. وفيما يأتي أبرز قوانين الديناميكا الحرارية:
- الديناميكا الحرارية تتمحور حول أربعة قوانين أساسية وهي:
- القانون الصفري للديناميكا الحرارية.
- القانون الأول للديناميكا الحرارية.
- القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
- القانون الثالث للديناميكا الحرارية.
- القانون الصفري للديناميكا الحرارية يتحدث عن الاتزان الحراري، ونصه هو: عندما يكون أي جسمين في حالة من الاتزان الحراري بشكل منفصل مع جسم ثالث، فهذا يعني أنهما في حالة من الاتزان الحراري أيضاً.
- القانون الأول للديناميكا الحرارية يتحدث عن الشغل والتسخين، والطاقة، ونصه: الشغل الكلي هو نفسه في جميع العمليات كاظمة الحرارة بين أي نقطتي اتزان إذا كان لنقاط الاتزان هذه نفس طاقة الوضع ونفس الطاقة الحرارية.
- القانون الثاني للديناميكا الحرارية يتحدث عن مفهوم العشوائية (بالإنجليزية: Entropy)، ونصه: العملية التي تكون لنظام معزول لا تحدث إذا قلّت العشوائية.
- القانون الثالث للديناميكا الحرارية يتحدث عن أقل طاقة ممكنة في الطبيعة والتي هي عند الصفر المطلق (صفر كلفن)، ونصه: من المستحيل تقليل درجة حرارة أي نظام لتصل إلى الصفر المطلق بأي عدد محدود من العمليات.
معلومات عن الفيزياء الحديثة
بدأت الفيزياء الحديثة في القرن العشرين بعد أعمال ماكس بلانك في تكميم الطاقة، والنظريتين النسبيتين الخاصة والعامة لآلبرت آينشتاين، بالإضافة إلى أعمال نيلز بور والعديد من العلماء الآخرين في ميكانيكا الكم.
معلومات عن النظرية النسبية الخاصة
فيما يأتي أبرز الحقائق عن النظرية النسبية الخاصة:
- تعتمد النظرية النسبية الخاصة على مبدأين أساسيين، هما:
- قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع الأطر القصورية.
- سرعة الضوء في الفراغ هي أكبر سرعة موجودة في الطبيعة وهي تساوي 3×10 م/ث، وهي ثابتة لجميع الأطر القصورية مهما كانت سرعة حركة الراصد أو المصدر الذي يُشع الضوء.
- النظرية النسبية الخاصة تهتم بدراسة الأطر المرجعية غير المتسارعة (أي التي تتحرك بسرعة ثابتة).
- آينشتاين لم يحصل على جائزة نوبل بسبب عمله على النظرية النسبية الخاصة (ولا حتى العامة) وإنما بسبب عمله على الظاهرة الكهروضوئية.
معلومات عن النظرية النسبية العامة
فيما يأتي أبرز الحقائق عن النظرية النسبية العامة:
- تعتمد النظرية النسبية العامة على مبدأين أساسيين هما:
- جميع قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع الأطر المرجعية سواء كانت متسارعة أو لا.
- في محيط أي نقطة مجال الجاذبية يعادل تسارع الإطار المرجعي في غياب آثار الجاذبية. (هذا هو مبدأ التكافؤ).
- النظرية النسبية العامة تهتم بدراسة الأطر المرجعية التي لديها تسارع لا يساوي صفراً.
- بحسب مبدأ التكافؤ فإن دراسة إطار متسارع هي نفس دراسة إطار يخضع لمجال جاذبية ما.
- فكرة وجود بعد رابع للزمان جاءت من دراسة النظرية النسبية العامة.
- وُلد مبدأ انحناء الزمكان من النظرية النسبية العامة.
معلومات عن ميكانيكا الكم
فيما يأتي أبرز الحقائق عن ميكانيكا الكم:
- مبدأ عدم التحديد لهيزنبيرغ يخبرنا بأنه عند تحديد موضع الجسيم بدقة فإنه لا يمكن تحديد زخم الجسيم، وإذا تم تحديد زخم الجسيم بدقة فإنه لا يمكن تحديد موقع الجسيم بدقة.
- دراسة ميكانيكا الكم تعتمد على الجبر الخطي بشكل كبير (مثل فضاء هلبرت).
- الطاقة لا تأتي على شكل حزم متصلة، وإنما على شكل كمّاتٍ منفصلةٍ.
- كانت نتائج حل معادلة شرودنغر لذرة الهيدروجين مثالية جداً مقارنةً مع النتائج التجريبية.
- يوجد نوعان للزخم الزاوي في ميكانيكا الكم، الأول هو الزخم الزاوي المداري (بالإنجليزية: Orbital Angular Momentum)، والآخر هو الزخم الزاوي الذاتي (بالإنجليزية: Spin)، ومن الجدير بالذكر أن الزخم الزاوي الذاتي هو خاصية من خصائص الجسيم كما هو الحال بالنسبة للكتلة أو الشحنة.
