الفيزياء (من الكلمة الإغريقية فيزيك "φυσική"، وتعني علم الطبيعة أو معرفة الطبيعة) هي العلم الذي يدرس كل ما يتعلق بالمادة وحركتها. بالإضافة إلى مفاهيم أخرى كالفضاء والزمن، ويتعامل مع خصائص كونية محسوسة يمكن قياسها مثل القوة والطاقةوالكتلة والشحنة. وتعتمد الفيزياء المنهج التجريبي، أي أنها تحاول تفسير الظواهر الطبيعية والقوانين التي تحكم الكون عن طريق نظريات قابلة للاختبار.
تعتبر الفيزياء من أحد أقدم التّخصصات الأكاديمية، فهي قد بدأت بالبزوغ منذ العصور الوسطى وتميزت كعلم حديث في القرن السابع عشر، وباعتبار أن أحد فروعها، وهو علم الفلك، يعد من أعرق العلوم الكونية على الإطلاق و للفيزياء مكانة متميزة في الفكر الإنساني، فهي تأثرت كما كان لها الأثر الحاسم في بعض الحقول المعرفية والعلمية الأخرى مثل الفلسفة والرياضيات وعلم الأحياء. ولقد تجسدت أغلب التّطورات التي أحدثتها بشكل عملي في عدّة قطاعات من التقنية والطب. فعلى سبيل المثال، أدى التّقدم في فهم الكهرومغناطيسية إلى الانتشار الواسع في استخدام الأجهزة الكهربائية مثل التلفاز والحاسوب؛ وكذلك تطبيقات الديناميكا الحرارية إلى التطور المذهل في مجال المحركات ووسائل النقل الحديثة؛ والميكانيكا الكمية إلى اختراع معدات مثل المجهر الإلكتروني؛ كما كان لعصر الذرة، بجانب آثاره المدمرة، استعمالات هامة في علاج السرطان وتشخيص الأمراض وتوليد الطاقة.
معظم الفيزيائيين اليوم يكونون متخصصين في مجالين متكاملين وهما الفيزياء النظرية أو الفيزياء التجريبية، وتهتم الأولى بصياغة النظريات باعتماد نماذج رياضية، فيما تهتم الثانية بإجراء الاختبارات على تلك النظريات، بالإضافة إلى اكتشاف ظواهر طبيعية جديدة. وبالرغم من الكم الهائل من الاكتشافات المهمّة التي حققتها الفيزياء في القرون الأربعة الماضية، إلا أن العديد من المسائل لا تزال بدون حلول إلى حد الآن، كما أن هناك مجالات نظرية وتطبيقية تشهد نشاطًا وأبحاثًا مكثّفة.
تنبيه هام: إعتقاد أن "الفيزياء فرع من فروع الرياضيات" إعتقاد خاطئ تمامًا، لأن النماذج الرياضية تستعمل في علم الفيزياء فقط لتسهيل فهم الظواهر الفيزيائية والتعبير عنها في صورة معادلة رياضية كما في الفيزياء النظرية. وأن مضامين النماذج الرياضية في أي علم من العلوم الطبيعية لا يتدخل في شأنها علم الرياضيات، فالمعادلة الفيزيائية الرياضية هي لغة الفيزياء. فالفيزياء علم مستقل بذاته وله عدة فروع مثل الفيزياء الذرية، الفيزياء النووية، النسبية، البصريات، الصوتيات، الكهربية، المغناطيسية، الديناميكا الحرارية، الميكانيكا، الميكانيكا الكمية،...إلخ. وبالرغم من أن علم الفلك يقوم بدراسة الأجسام السماوية إلا أنه يعد أحد فروع الفيزياء.
تاريخ الفزياء
تطورت الفيزياء كما نعرفها اليوم، من سلسلة الملاحظات التي جمعتها الحضارات القديمة حول مختلف الظواهر الطّبيعية وخاصة منها الفلكية، والمتعلقة بالتقويم وتقدير الزمن، كحركة الشّمس وأدوار القمر وتشكيلات النجوم. وقد توصل الفلاسفة الإغريقيون إلى استنباط نظريات أولية لتفسير تلك الظواهر، وذلك باتباع منهج منطقي واستدلالي بحت في ما يسمى بالفلسفة الطّبيعية. وقد قدم أرسطو في كتابه "الفيزياء" (الطبيعيات) أول النظريات حول طبيعة الحركة والقوى. وقد ضلت هذه الأفكار، والتي تعرف بالفيزياء الأرسطوطاليسية، مهيمنة على التراث الفلسفي لعدة قرون.
الفيزياء في الحضارة العربية والإسلامية
كان للحضارة العربية-الإسلامية دور رئيسي في بداية صياغة هذا علم الفيزياء (الذي كان يعرف عند العلماء المسلمين بالطبيعيات). فقد أنفذ ميراث الفلاسفة الإغريق من الضياع بترجمته إلى اللغة العربية ثم وقع إثرائه وتنقيحه وتصحيحه. فقد قدم العلماء المسلمون المحيطون بمعرفة الأولين من أمثال أرسطو وبطليموس (وغيرهم) نظرياتهم الخاصة وابتكارات عديدة في مجال علم الفلك، والبصريات، والميكانيكا. فعلى سبيل المثال لا الحصر، يعتبر ابن الهيثم رائد علم البصريات في كتابه المناظر. كما قدم البتاني (858-929) تحسينات لحسابات بطليموس حول مدارات الشمس والقمر، ووضع ابن باجة (1095-1138) أولى قوانين الحركة ومفهوم السرعة. بعض العلماء المسلمين وإسهاماتهم في الفيزياء
* الكندي (803-873) : البصريات وعلم الفلك . * عباس بن فرناس (810-887) : الميقاتية والطيران. * ثابت بن قرة (836-901) : تعريف الحركة والوزن والجاذبية . * الفارابي (872-950) : علم الفلك وتجارب حول الصوت وطبيعة الفراغ. * السيزجي (945-1020) : عاصر البيروني، قال بحركة الأرض حول الشّمس وقام بصناعة إسطرلاب معتمد على مركزية الشّمس. * ابن الهيثم (965-1039) : إلى جانب أعماله في علم البصريات والفلك. إكتشف قانون القصور الذاتي في علم الحركة. * البيروني (973-1048) : وضع بعض المفاهيم الأساسية في علم الحركة مثل التسارع والإحتكاك كما قام بتحديد الأوزان النوعية لعدّة مواد باعتماد التجربة. * الصوفي (986-903) : قام بالتعرف من خلال أرصاده الفلكية على مجرة المرأة المسلسلة وسحابة مجلان. * ابن سينا : * عمر الخيام 1044 * ابن رشد 1128 * الجزري 1206
الفيزياء الحديثة
بتأثير من جذوة العلوم العربية-الإسلامية، أدى تطور المنهج العلمي، خلال القرن السابع عشر، إلى وضع أسس علم الفيزياء الحديث من قبل فرانسيس بيكون وغاليليو غاليلي وإسحاق نيوتن وفصله نهائيا عن الفلسفة. وقد تمكن هذا الأخير من تشكيل المبادئ الأساسية للميكانيكا الكلاسيكية، وهي تصف إلى حد الآن وبشكل جيد قوانين الحركة والقوى والطاقة، على مستوى حياتنا اليومية. وقد تحقق ذلك بفضل اكتشافه، مع غوتفريد لايبنتز، لأحد أهم أدوات الفيزياء الرياضية وهو الحساب التفاضلي.
وفي القرن الثامن عشر، أثناء الثورة الصناعية، تطورت مفاهيم نقل الحرارة، وتبادل الطاقة، وعمل المحركات، وانتشرت مبادئ ما يعرف بالديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية.
أما في القرن التاسع عشر، فاكتشفت القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية والطّبيعة الموجية للضوء، وكذلك بنية المادة الذّرية وقوانين الإشعاع.
ومع بدايات القرن العشرين، ظهرت صياغات نظرية جديدة أمام عجز الميكانيكا الكلاسيكية في تفسير بعض جوانب الضوء وديناميكا الجسيمات الذرية. وتوصل ألبرت أينشتاين إلى وضع نظرية النسبية الخاصة التي تصف الأجسام المتحركة بسرعة تقارب سرعة الضوء وتأثيرات ذلك على المفاهيم البديهية للمكان والزمن، وبعد ذلك لنظرية النسبية العامة، التي تصف طبيعة قوة الجاذبية وعلاقتها بهندسة الزمكان.
وفي جانب آخر إستطاعت الميكانيكا الكمومية وصف سلوكات الجسيمات الأولية والذرات والجزيئات، وفي هذا المقياس تختلف القوانين الفيزيائية عن تلك التي تخضع لها الأجسام ذات الأحجام العادية .
النظريات الأساسية
تحدرت الفيزياء كما نعرفها اليوم، من سلسلة الملاحظات التي جمعتها الحضارات القديمة حول مختلف الظواهر الطّبيعية وخاصة منها الفلكية، والمتعلقة بالتقويم وتقدير الزمن، كحركة الشّمس وأدوار القمر و تشكيلات النجوم. وقد توصل الفلاسفة الإغريقيون إلى إستنباط نظريات أولية لتفسير تلك الظواهر، و ذلك بإتباع منهج منطقي وإستدلالي بحت في ما يسمى بالفلسفة الطّبيعية. وكان للحضارة العربية-الإسلامية دور رئيسي في بداية صياغة هذا العلم، خاصة مع إسهمات الحسن ابن الهيثم، والذي يعتبر رائد المنهج العلمي، في المناظر وأبو الريحان البيروني في ما يختص بحركة الأجسام والأوزان النوعية وأدى تطور هذه الطريقة في التفكير، خلال القرن السابع عشر، إلى و ضع أسس علم الفيزياء الحديث من قبل غاليليو غاليلي وإسحاق نيوتن وفصله نهائيا عن الفلسفة. و قد تمكن كلاهما من تشكيل المبادئ الأساسية للميكانيكا الكلاسيكية، وهي تصف بشكل جيد قوانين الحركة والقوى والطاقة، على مستوى حياتنا اليومية.
حدود المجالات التي تقوم بدراستها النظريات الفيزيائية الحديثة. وفي القرن الثامن عشر، أثناء الثورة الصناعية، تطورت مفاهيم نقل الحرارة، وتبادل الطاقة، وعمل المحركات، وإنتشرت مبادئ ما يعرف بالديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية.
أما في القرن التاسع عشر، فأكتشفت القوانين الأساسية لالكهرومغناطيسية والطبيعة الموجية للضوء، وكذلك بنية المادة الذرية وقوانين الإشعاع.
ومع بدايات القرن العشرين، ظهرت صياغات نظرية جديدة أمام عجز الميكانيكا الكلاسيكية في تفسير بعض جوانب الضوء والجسيمات الذرية. وتوصل ألبرت أينشتاين إلى وضع نظرية النسبية الخاصة التي تصف الأجسام المتحركة بسرعة تقارب سرعة الضوء وتأثيرات ذلك على المفاهيم البديهية للمكان والزمن، وكذلك نظرية النسبية العامة، التي تصف طبيعة قوة الجاذبية وعلاقتها بهندسة الزمكان. وفي جانب آخر إستطاعت الميكانيكا الكمومية من وصف سلوكات الجسيمات الأولية، التي تخالف القوانين العادية والبديهية التي تخضع لها الأجسام ذات الأحجام العادية كالبكتيريا أو الصخور أو الكواكب.
الميكانيكا الكلاسيكية
الميكانيكا الكلاسيكية هي أساس دراسة فيزياء القوى التي تؤثر علي الأجسام. غالبا ما يشار إلي الميكانيكا الكلاسيكية بإسم ميكانيكا نيوتن نسبة إلي إسحاق نيوتن الذي اكتشفها . الميكانيكا الكلاسيكية يمكن أن تنقسم إلي قسمين؛ الإستاتيكا او علم السكون التي تدرس حالة الأجسام المادية الساكنة، والكينماتيكا أو علم الحركة التي تدرس الأجسام التي في حالة حركة، وكذلك الديناميكا او علم التحريك التي تدرس حالة الأجسام الواقعة تحت تأثير قوي. الأجسام المادية المستمرة والقابلة للسقوط، وهي نفسها تنقسم إلي قسمين ؛ ميكانيكا الموائع و ميكانيكا المواد الصلبة .
ميكانيكا الموائع إنما تكون طبقا لحالة المادة موضع الدراسة سواء كانت من السوائل أو غاز. الميكانيكا الإستمرارية هي فرع من فروع الميكانيكا الكلاسيكية التي تدرس الغازات وهي تتناول مواضيع كثيرة، مثل؛ الهيدروستاتيكا و الهيدروديناميكا و ميكانيكا الغازات و الديناميكا الهوائية وغيرها من المجالات . الميكانيكا الكلاسيكيه تعطي نتائج دقيقة جدا وذلك ضمن مجال الحياة اليومية، وذلك عند حساب سرعة سيارة مثلا فإنها تكون كافية. يحل محلها الميكانيكا النسبية في حالة الأنظمة التي تسير بسرعات كبيرة تكاد تقترب من سرعة الضوء. ويحل محلها ميكانيكا الكم في حالة الكلاسيكيه يمكن استخدامها لوصف حركة الأجسام بشريه الحجم ( مثل السيارات وكرة البيسبول )، والعديد من الأجسام الفلكية مثل ( الكواكب والمجرات )، وبعض الأجسام المجهريه مثل ( الجزيئات العضوية ). أحد المفاهيم الهامة في الميكانيكا هو مفهوم حفظ الطاقة و كمية التحرك، الأمران اللذان جعلا لاجرانج و[[ميكانيالأنظمة الدقيقة، ونظرية المجال الكمومي النسبي في حالة الأنظمة التي لها الخاصيتين السابقتين . ومع ذلك ، فإن الميكانيكا الكلاسيكيه ما زالت مفيدة جدا، لأنها أسهل وأبسط بكثير من تطبيق هذه النظريات الأخرى ، ولها مجال كبير من الشرعية عند تطبيقها في مجال النظريات الأخرى. الميكانيكا ك هاملتون|هاميلتون]] يقومان بإعادة صياغة قوانين نيوتن . النظريات مثل ميكانيكا الموائع والنظرية الحركية للغازات نتجتا عن تطبيق الميكانيكا الكلاسيكيه للأنظمة الدقيقة. و نظرية الفوضى تختص بدراسة الأنظمة التي إذا حدث بها تغييرات طفيفة ينتج عنها آثار كبيرة. قانون نيوتن للجاذبية تم صياغته ضمن الميكانيكا الكلاسيكيه موضحا قوانين كيبلر لحركة الكواكب، وساهم في بروز الميكانيكا الكلاسيكيه كعنصر هام في الثورة العلمية .
الكهرومغناطيسية
تصف الكهرومغناطيسية التفاعل الذي يتم بين الجسيمات المشحونة وبين مجالات كهربية ومجالات مغناطيسية . ويمكن تقسيم الكهرومغناطيسية إلى ؛ الإليكتروستاتيكا التي تدرس الشحنات الكهربية في حالة السكون ، والإليكتروديناميكا التي تدرس التفاعل بين الشحنات المتحركة والإشعاع . النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية تعتمد علي قانون قوي لورنتز ومعادلات ماكسويل . بالنسبة لالإليكتروستاتيكا فهي دراسة الظواهر المرتبطة بالأجسام المشحونة في حالة السكون ، وهذه الأجسام بالتأكيد تبذل قوي باتجاه بعضها البعض ، كما وصفها قانون كولوم . وسلوك هذه الأجسام يمكن تحليلها ومعرفتها من خلال مفهوم أن أي جسم مشحون يكون محاطا بمجال كهربي بحيث إذا كان هناك جسم مشحون آخر يقع في مجال الجسم الأول فإنه بدوره يقع تحت تأثير قوي تتناسب مع مقدار الشحنة والقطبية التي تسبب حدوث تجاذب أو تنافر بين الجسيمات المشحونة . الإليكتروستاتيكا لها تطبيقات كثيرة ، بدءا من تحليل الظواهر مثل العواصف الرعديه إلي دراسة سلوك أنابيب الإلكترون .
الإليكتروديناميكا هو دراسة الظواهر المرتبطة بالأجسام المشحونة المتحركة. حيث أن الشحنات الكهربية المتحركة تنتج مجال كهربيا يحيط بها ، فإن الإليكتروديناميكا تختص بالآثار الناتجة عن ذلك مثل ؛ المغناطيسية والإشعاع الكهرومغناطيسي والحث الكهرومغناطيسي. هذه المواضيع من الإليكتروديناميكا تعرف بالإليكتروديناميكا الكلاسيكية، وكانت قد شرحت لأول مرة بواسطة جيمس ماكسويل ، ومعادلات ماكسويل تصف ظواهر هذا المجال أي الإليكتروديناميكا الكلاسيكية بطريقة جيدة وعامة. الآن هناك تطور حديث لمجال الإليكتروديناميكا الكمومية الذي يتضمن قوانين نظرية الكم لشرح تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي علي المادة . ديراك وهايسينبيرج و باولي كانوا روادا في صياغة الإليكتروديناميكا الكمية . الإليكتروديناميكا النسبية - من جهة أخري - تفسر التصحيحات التي تجريها نظرية النسبية علي سرعة الجسيمات المشحونة عندما تقترب من سرعة الضوء . وهي تنطبق على الظواهر المتضمنة في معجلات الجسيمات ، و أنابيب الإلكترون التي تحمل فروق جهد وتيارات عالية . الكهرومغناطيسية تشمل عديد من ظواهر العالم الحقيقي التي في ذاتها تعتبر ظواهر ذات خواص كهرومغناطيسية. فعلى سبيل المثال، الضوء عبارة عن مجال كهرومغناطيسي متذبذب الذي يُـشع من جسيمات مشحونة معجلة . مبادئ الكهرومغناطيسية تجد العديد من التطبيقات في مختلف المجالات مثل موجات الميكروويف، والهوائيات، والآلات الكهربائية ، والاتصالات الفضائية ، والكهرومغناطيسية الحيوية، البلازما، والأبحاث النووية، والألياف البصرية ، والتداخل والتوافق الكهرومغناطيسي ، وتحويل الطاقة الكهروميكانيكية، ومعرفة الأرصاد من خلال الرادار ، والإستشعار عن بعد .
الديناميكا الحرارية هي علم متخصص في دراسة آثار التغيرات في درجات الحرارة والضغط والحجم على الأنظمة الفيزيائية في نطاق رؤيتنا الشخصية ، وكذلك تدرس أيضا عملية انتقال الطاقة كحرارة بالطبع. تاريخيا؛ علم الديناميكا الحرارية - خلال عصر المحركات - تطور نتيجة الحاجة الملحة إلى زيادة كفاءة المحركات البخارية المبكرة
نقطة الانطلاق في الملاحظات التي أدت إلي ظهور ونمو هذا العلم كانت قوانين الديناميكا الحرارية، وهي جميع تسلم بأن الطاقة يمكن أن تتبادل بين الأنظمة الفيزيائية كحرارة أو شغل. كما إنها مسلمة أيضا بوجود كمية تسمي الأنتروبيا، التي يمكن أن تعرف علي أي نظام. في الديناميكا الحرارية، التفاعلات التي تتم بين المجموعات الكبيرة من الأجسام تأخذ بعين الإعتبار. وسط هذه الأمور تظهر أهمية مفهوم النظام ومفهوم الوسط المحيط؛ النظام يتكون من مجموعة من الجسيمات التي تتحدد حالتها متوسط الحركة لهذه الجسيمات التي بدورها ترتبط مع بعضها البعض من خلال معادلات الحالة. هذه الخواص من خلالها يمكن تعريف الطاقة الداخلية للنظام وغيرها من المفاهيم المفيدة في تحدد الإتزان.الميكانيكا الإحصائية يمكن أن تحلل الأنظمة المرئية من خلال تطبيق المبادئ الإحصائية لمكوناتها المجهرية. وهذا بدوره يوفر إطارا لربط الخواص المجهرية للذرات والجزيئات الفردية بالخواص المرئية للمواد التي نراها في حياتنا اليومية. وذلك عن طريق فهم أعمق للمواد التي تتطرق لها الديناميكا الحرارية.
