علوم الفيزياء

 

الفيزياء الفيزياء فرعٌ من فروع العلوم الطبيعية، والتي تدخل في مجالات بحثٍ خاصةٍ وفريدةٍ وممتعة، ولها -كغيرها من العلوم- أساساتٌ وقواعدٌ وأصول، ويوجد العديد من الطرق لتعلمها وإتقانها. وتهتم الفيزياء بالعديد من القضايا التي تحاول تفسيرها وربطها ببعضها البعض، وتطرح الكثير من الأسئلة التي تولّد لنا إجابتها المزيد والمزيد من الأسئلة.[١] تعريف الفيزياء بكلماتٍ بسيطةٍ علم الفيزياء: هو العلم الذي يهتم بدراسة المادة والطاقة، والتفاعلات فيما بينها. ويمكن وضع تعريفٍ أكثر دقةً بقولنا إن الفيزياء: هي العلم الذي يدرس الطبيعة أو (الأجسام الطبيعية)، والذي يتعامل مع قوانين وخصائص المادة، والهدف الذي يسعى إليه علماء الفيزياء هو إيجاد قوانين فيزيائية مكمّمة لتفسير مختلف الظواهر التي تحدث في عالمنا، وهذا العلم مبنيٌ على التجربة، والملاحظة، والقياس، والتحليلات الرياضية، ولكن لنتحدث أكثر عن المادة، والطاقة، والقوى المذكورة في هذه التعريفات.[١][٢] المادة ببساطة المادة هي "الشيء"، أي شيءٍ نتعامل معه هو مادة... أو لربما هذا هو انطباعنا الأول عن المادة، ولكن لو أردنا التحدث بشكلٍ دقيقٍ أكثر، فلربما يمكننا الاستعانة بإجابة نيوتن، والتي تُعدّ تعريفاً كلاسيكياً للمادة، ومفادها أنه لا شيء يمكنه التعبير عن المادة أكثر من الكتلة، فهي تعبّر عن مقدار المادة التي تحتل فراغاً ما (أي مقدار ما يحويه الجسم من مادة)، علاوةً على ذلك، فإن الكتلة محفوظةٌ؛ أي أنها لا تفنى ولا تُستحدث.[٣] لكن لو أردنا استخدام تعريفٍ عصريٍ وحديثٍ أكثر فوجب ذكر معادلة آينشتاين الشهيرة، حيث صدرت في عام 1905 النظرية النسبية الخاصة، وتتضمن حقيقة أن الطاقة ليست إلا كتلةً مضروبةً بمعاملٍ ما (وهذا المعامل هو سرعة الضوء في الفراغ)، ويجدُر ذكر أن الطاقة كميةٌ محفوظةٌ إذا كنا نتحدث عن أنظمةٍ فيزيائيةٍ مغلقة. كما أن الكتلة تتحول إلى طاقة، والطاقة تتحول إلى كتلة أو مادة، وهذا الأمر واضحٌ جداً في المسارعات النووية.[٣] الطاقة عادةً ما تُعرف الطاقة على أنها قدرة نظامٍ ما على إنجاز شغلٍ معيّن، ولو نظرنا حولنا لوجدنا أن كل عملية حركةٍ أو نموٍ في عالمنا تحتاج إلى طاقةٍ لإنجاز ما تقوم به من أشغال، فمثلاً تحتاج الكائنات الحية إلى الطاقة لتقوم بالعمليات الحيوية، والتي تأخذها من الطعام أو من عملية البناء الضوئي (كما في النباتات)، كما ينطبق ذلك أيضاً على الآلات التي يصنعها الإنسان، والتي تقوم بمهام مختلفةٍ معتمدةً على الوقود الأحفوري ومشتقاته كمصدرٍ للطاقة. وبالحديث عن الشغل، وجب علينا تعريفه أيضاً حيث إنه كميةٌ فيزيائيةٌ مهمةٌ،[٤] (والشغل هو الكمية الفيزيائية التي تُعبّر عن الطاقة اللازمة لقوةٍ ما لتحريك جسمٍ ما إزاحةً معينةً).[٥] وتوجد الطاقة على أشكالٍ عدة؛ مثل الحرارة، والطاقة الكيميائية والتي تنشأ بين الروابط الكيميائية، وطاقة الوضع، وطاقة الحركة، وغيرها. وتخضع الطاقة لمبدأ أساسيٍ جداً وهو قانون حفظ الطاقة، إذ إن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث، ولكن تتحول من شكل إلى آخر.[٤] المواضيع التي تهتم الفيزياء بدراستها ويظهر لنا من تعريف الفيزياء أنها العلم الذي يهتم بدراسة الطبيعة التي تتكون من مادةٍ وطاقةٍ، وبناءً عليه يمكننا القول أن الفيزياء تهتم بتعريف الكميات الأساسية في الكون (مثل السرعة، والتسارع، والشحنة، والزخم، ...) كما تحاول الفيزياء إيجاد علاقاتٍ بين هذه الكميات بالإضافة لقوانين تقوم بوصفها (مثل قوانين نيوتن، وقانون كولوم، وقوانين ميكانيكا الكم، والميكانيكا الإحصائية، ...)؛ ويكون هذا الربط بين الكميات عادةً باستخدام الرياضيات، والرسوم البيانية، والإحصاءات، وغيرها من الطرق الرياضية.[٦] وتطرح الفيزياء العديد من الأسئلة الكبيرة والتي تم الإجابة على بعضها ولكن معظمُها ما زال مُعلّقاً حتى الآن مثل:[٢] كيف نشأ الكون؟ ما هو مصير الكون في النهاية؟ لماذا سماء الليل مظلمة؟ كيف يحدث البرق؟ ما هي الجسيمات وما هي الأمواج؟ ما هي القوى المسيطرة على الطبيعة في الكون؟ هل توجد نظريةٌ تستطيع وصف كل شيء؟ لو وجدت ما هي؟ هذه الأسئلة وغيرها هي من اختصاص الفيزياء، والإجابة عنها تسوقنا لفوائد ومنافع عظيمة، فعلى سبيل المثال بينما كان البشر سابقاً يحاولون الإجابة عليها (من أمثال ماكسويل، فاراديه، أمبير، ...) توصل هؤلاء العلماء وغيرهم إلى ما قد يكون أعظم شيءٍ في حياتنا اليوم؛ ألا وهو الكهرباء، وتوليدها، والاستفادة منها، وقد توصلوا إليها تحديداً عندما كانوا يحاولون الإجابة على مجموعةٍ من الأسئلة المعنية بدراسة الضوء، والمجالات الكهربائية، والمغناطيسية، وبكلمات علمية أكثر؛ النظرية الكهرومغناطيسية.[٧] كيف أتعلم الفيزياء قد يرغب الواحد منا بتعلم الفيزياء لعدة أسبابٍ؛ كالوظيفة، أو الشهرة، أو المال، أو الرغبة في المعرفة، أو حب العلم أو أي سببٍ كان، وبما أن المقال يهدف إلى التعريف بالفيزياء فلا بد من ذكر الطريق إلى تعلم الفيزياء.[٨] وقد يبدو الأمر معقّداً ولكنه في الحقيقة أبسط بكثيرٍ مما نتخيل، بما أن الفيزياء في جوهرها بحثٌ عن إجاباتٍ لطالما عصفت بذهن الإنسان على مرّ العصور، حيث تهدف الفيزياء أولاً وأخيراً إلى فهم الكون وظواهره العجيبة، فالبداية تكون بإطلاق العنان لحواسك وذهنك لتأمل هذا الكون المثير، والغوص في عجائبه وغرائبه، إنها البداية الحقيقية لأي فيزيائي، حيث يلتقط عقله بالملاحظة الأسئلة الأولية التي يصقلها تفكيره فيما بعد لتصبح أسئلةً ناضجة تقود العالم في رحلة بحثه عن الحقيقة، انتهاءً بالاكتشاف لجواب السؤال أو ربما إجاباتٍ أخرى، أو ربما أسئلةٍ أخرى جديدة في غالب الحالات. أما إن أراد الشخص المزيد من التخصصية والعمق في دراسة الفيزياء فلا بد من التسجيل في برنامجٍ جامعيٍ مختصٍ في الفيزياء، وهذا هو أفضل طريقٍ، فخلال رحلة تعلم الفيزياء في الجامعة يقابل المتعلّم أشخاصاً يساعدونه كثيراً على التعلم، وسيتمكن من الحصول على إجاباتٍ للعديد من الأسئلة التي تخطر على البال، عدا عن القدرة على الاشتراك في الفرق البحثية، ومن المهم ذكر أهمية الجامعة في هذا الطريق، فمهما كانت الوسيلة التي يتعلم الشخصُ الفيزياءَ عن طريقها نافعةً، فهي لن تُغني عن الجامعة. أما إن كان من الصعب التسجيل في برنامجٍ جامعيٍ فلربما بعض النصائح ستكون مفيدةً، وهنا على الشخص أن يقوم بالتعلّم الذاتي، ويُفضَّل البدء بدراسة الرياضيات حيث إنها اللغة التي يقدّم الفيزياء من خلالها الحلول والتفسيرات المختلفة لظواهر الكون.[٨] ومن الجيد البدء بتعلم بعض مواضيع الرياضيات الأساسية؛ كحساب التفاضل والتكامل، والجبر الخطي، وحل المعادلات التفاضلية، والتعلّم عن الأعداد المركبة، والإحصاء والاحتمالات، وبعض الاقترانات الخاصة، بعد ذلك الميكانيكا الكلاسيكية، والبصريات، والديناميكا الحرارية، والنظرية الكهرومغناطيسية، والنظرية النسبية الخاصة، والميكانيكا الكمية، والميكانيكا الإحصائية، وفيزياء الحالة الصلبة، وبعض الرياضيات المتقدمة، والفيزياء النووية، والنظرية النسبية العامة، والفيزياء الفلكية، وعلم الكونيات، والزمن، وفيزياء الطاقات العالية. بعد ذلك سيكون بإمكان المُتعلم الانطلاق للتبحر والاختصاص في المجال الذي ير