علم الفيزياء#4

[Bskowet]

العلاقة مع المجالات الأخرى
الحقول الأساسية
توفر الرياضيات لغة مدمجة ودقيقة تستخدم لوصف الترتيب في الطبيعة. لوحظ هذا ودافع عنه فيثاغورس، أفلاطون،(8) غاليليو،(9) ونيوتن.
تستخدم الفيزياء الرياضيات لتنظيم وصياغة النتائج التجريبية. من هذه النتائج، يتم الحصول على حلول دقيقة أو مقدرة، لنتائج كمية يمكن من خلالها التنبؤات الجديدة وتأكيدها أو إنكارها تجريبياً. النتائج من تجارب الفيزياء هي بيانات رقمية، مع وحدات القياس وتقديرات الأخطاء في القياسات. جعلت التقنيات القائمة على الرياضيات، مثل الحوسبة، الفيزياء الحاسوبية مجالًا نشطًا للبحث.
علم الوجود هو شرط أساسي للفيزياء، ولكن ليس للرياضيات. وهذا يعني أن الفيزياء تهتم في النهاية بتوصيفات العالم الواقعي، بينما تهتم الرياضيات بأنماط مجردة، حتى خارج العالم الحقيقي. وهكذا تكون البيانات الفيزيائية تركيبية، بينما تكون البيانات الرياضية تحليلية. تحتوي الرياضيات على فرضيات، بينما تحتوي الفيزياء على نظريات. يجب أن تكون عبارات الرياضيات صحيحة منطقيا فقط، في حين أن تنبؤات بيانات الفيزياء يجب أن تتطابق مع البيانات الملاحظة والتجريبية.
التمييز واضح، لكن ليس دائمًا واضح. على سبيل المثال، الفيزياء الرياضية هي تطبيق الرياضيات في الفيزياء. طرقها رياضية، ولكن موضوعها مادي.(10) تبدأ المشكلات في هذا الحقل ب«نموذج رياضي للحالة المادية» (نظام) و«وصف رياضي لقانون مادي» سيتم تطبيقه على هذا النظام. كل عبارة رياضية تستخدم للحل لها معنى مادي يصعب العثور عليه. الحل الرياضي النهائي له معنى يسهل العثور عليه، لأنه ما يبحث عنه المحلل.
الفيزياء هي فرع من العلوم الأساسية، وليس العلوم التطبيقية. تسمى الفيزياء أيضًا «العلم الأساسي» لأن موضوع دراسة جميع فروع العلوم الطبيعية مثل الكيمياء وعلم الفلك والجيولوجيا والبيولوجيا مقيدة بقوانين الفيزياء، على غرار كيفية تسمية الكيمياء في كثير من الأحيان بالعلم المركزي بسبب دورها في ربط العلوم الفيزيائية. على سبيل المثال، تدرس الكيمياء خواص المادة وهياكلها وردود أفعالها (تركيز الكيمياء على المقياس الذري يميزها عن الفيزياء). تتشكل الهياكل لأن الجزيئات تمارس قوى كهربائية على بعضها البعض، وتشمل الخصائص الفيزيائية لمواد معينة، وتكون التفاعلات ملزمة بقوانين الفيزياء، مثل الحفاظ على الطاقة والكتلة والشحنة.
يتم تطبيق الفيزياء في صناعات مثل الهندسة والطب.
التطبيق والتأثير
تعتبر الفيزياء التطبيقية مصطلحًا عامًا لأبحاث الفيزياء وهو مخصص لاستخدام معين. يحتوي منهج الفيزياء التطبيقية عادةً على عدد قليل من الفصول في تخصص تطبيقي، مثل الجيولوجيا أو الهندسة الكهربائية. عادة ما يختلف عن الهندسة في أن الفيزيائي التطبيقي قد لا يصمم شيئًا خاصًا، بل يستخدم الفيزياء أو إجراء أبحاث الفيزياء بهدف تطوير تكنولوجيات جديدة أو حل مشكلة.
النهج مماثل لنهج الرياضيات التطبيقية. يستخدم علماء الفيزياء التطبيقية الفيزياء في البحث العلمي. على سبيل المثال، قد يسعى الأشخاص الذين يعملون في فيزياء المسرعات إلى بناء أجهزة الكشف عن الجسيمات بشكل أفضل للبحث في الفيزياء النظرية.
تستخدم الفيزياء بكثافة في الهندسة. على سبيل المثال، يتم استخدام علم السكون، وهو حقل فرعي من الميكانيكا، في بناء الجسور والهياكل الثابتة الأخرى. يؤدي فهم الصوتيات واستخدامها إلى التحكم في الصوت وقاعات الحفلات الموسيقية بشكل أفضل؛ وبالمثل، فإن استخدام البصريات يخلق أجهزة بصرية أفضل. إن فهم الفيزياء يجعل أجهزة محاكاة الطيران أكثر واقعية وألعاب الفيديو والأفلام، وغالبًا ما يكون حاسمًا في التحقيقات الجنائية.
مع الإجماع القياسي على أن قوانين الفيزياء عالمية ولا تتغير مع مرور الوقت، يمكن استخدام الفيزياء لدراسة الأشياء التي عادة ما تكون غارقة في عدم اليقين. على سبيل المثال، في دراسة أصل الأرض، يمكن للمرء أن يصور بشكل معقول كتلة الأرض ودرجة الحرارة ومعدل الدوران، كدالة من الزمن تسمح للشخص باستقراء للأمام أو للخلف في الوقت المناسب وبالتالي توقع الأحداث المستقبلية أو السابقة. كما يسمح بإجراء عمليات محاكاة في الهندسة والتي تسرع بشكل كبير من تطوير تقنية جديدة.
ولكن هناك أيضًا العديد من التخصصات المتعددة في أساليب الفيزيائي، حيث تتأثر العديد من المجالات الهامة الأخرى بالفيزياء (على سبيل المثال، مجالات الفيزياء الاقتصادية والفيزياء الاجتماعية).
البحث
الطريقة العلمية
يستخدم الفيزيائيون المنهج العلمي لاختبار صحة النظرية الفيزيائية. باستخدام المنهجية لمقارنة الآثار المترتبة على نظرية ما مع الاستنتاجات المستخلصة من التجارب والملاحظات ذات الصلة، يكون الفيزيائيون أكثر قدرة على اختبار صحة النظرية بطريقة منطقية وغير متحيزة ومتكررة. تحقيقا لهذه الغاية، يتم إجراء التجارب وإجراء الملاحظات من أجل تحديد صحة أو بطلان النظرية.
القانون العلمي عبارة عن بيان شفهي أو رياضي موجز عن العلاقة التي تعبر عن مبدأ أساسي لبعض النظريات، مثل قانون نيوتن للجذب العام.
النظرية والتجربة
يسعى النظريون إلى تطوير نماذج رياضية تتفق مع التجارب الحالية وتتنبأ بنجاح النتائج التجريبية المستقبلية، في حين أن التجريبيين يبتكرون ويجرون تجارب لاختبار التنبؤات النظرية واستكشاف ظواهر جديدة. على الرغم من تطوير النظرية والتجربة بشكل منفصل، فهي شديدة الاعتماد بعضها على بعض. يحدث التقدم في الفيزياء بشكل متكرر عندما يكتشف علماء التجارب أن النظريات الموجودة لا يمكن تفسيرها، أو عندما تولد نظريات جديدة تنبؤات قابلة للاختبار تجريبيًا، والتي تلهم تجارب جديدة.
يُطلق على الفيزيائيين الذين يعملون عند التفاعل بين النظرية والتجربة، علماء الظواهر، الذين يدرسون الظواهر المعقدة التي لوحظت في التجربة ويعملون على ربطها بنظرية أساسية.
استلهمت الفيزياء النظرية تاريخيا من الفلسفة. تم توحيد الكهرومغناطيسية بهذه الطريقة. وراء الكون المعروف، يتعامل مجال الفيزياء النظرية أيضًا مع قضايا افتراضية، مثل الأكوان المتوازية، الأكوان المتعددة، والأبعاد العليا. يحتج المنظرون بهذه الأفكار على أمل حل مشاكل معينة مع النظريات الموجودة. ثم يستكشفون عواقب هذه الأفكار ويعملون على عمل تنبؤات قابلة للاختبار.
تتوسع الفيزياء التجريبية وتوسعها الهندسة والتكنولوجيا. يقوم الفيزيائيون التجريبيون المشاركون في تصميم البحوث الأساسية وإجراء تجارب على معدات مثل مسرعات الجسيمات وأشعة الليزر، بينما يعمل المشاركون في الأبحاث التطبيقية غالبًا في تقنيات تطوير الصناعة مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والترانزستورات. لاحظ فاينمان أن التجريبيين قد يبحثون عن مناطق لا يستكشفها النظريون جيدًا.(11)
النطاق والأهداف
تغطي الفيزياء مجموعة واسعة من الظواهر، من الجزيئات الأولية (مثل الكواركات والنيوتريونات والإلكترونات) إلى أكبر المجموعات الفائقة من المجرات. المدرجة في هذه الظواهر هي الأشياء الأساسية التي تشكل كل الأشياء الأخرى. لذلك، تسمى الفيزياء أحيانًا «العلم الأساسي». تهدف الفيزياء إلى وصف الظواهر المختلفة التي تحدث في الطبيعة من حيث الظواهر الأبسط. وبالتالي، تهدف الفيزياء إلى ربط الأشياء التي يمكن ملاحظتها بالبشر بالأسباب الجذرية، ثم ربط هذه الأسباب معًا.
على سبيل المثال، لاحظ الصينيون القدامى أن بعض الصخور (الحجر الجيري والمغنتيت) تنجذب إلى بعضها البعض بقوة غير مرئية. سمي هذا التأثير فيما بعد بالمغناطيسية، والتي تمت دراستها لأول مرة بدقة في القرن السابع عشر. ولكن حتى قبل اكتشاف الصينيين للمغناطيسية، عرف الإغريق القدماء عن أشياء أخرى مثل الكهرمان، أنه عندما يفرك الفراء من شأنه أن يسبب جاذبية غير مرئية مماثلة بين الاثنين. وقد تمت دراسة هذا الأمر أيضًا لأول مرة في القرن السابع عشر وأصبح يسمى الكهرباء. وهكذا، أصبحت الفيزياء لفهم ملاحظتين للطبيعة من حيث بعض الأسباب الجذرية (الكهرباء والمغناطيسية). ومع ذلك، كشف المزيد من العمل في القرن التاسع عشر أن هاتين القوتين كانتا مجرد جانبين مختلفين لقوة واحدة وهي الكهرومغناطيسية. تستمر عملية «توحيد» القوى هذه اليوم، وتعتبر الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة الآن جانبين من جوانب التآثر الكهروضعيف. تأمل الفيزياء في إيجاد سبب نهائي (نظرية كل شيء) لسبب الطبيعة كما هي.
مجالات البحث
يمكن تقسيم البحوث المعاصرة في الفيزياء على نطاق واسع إلى الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات؛ فيزياء المواد المكثفة؛ الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية؛ الفيزياء الفلكية والفيزياء التطبيقية. تدعم بعض أقسام الفيزياء أيضًا أبحاث تعليم الفيزياء والتواصل مع الفيزياء.