فیزیک چیست؟
فیزیک، علمی است که با ساختار ماده و برهمکنش های بین اجزای بنیادین سازندهٔ جهان قابل مشاهده (جهان فیزیکی)، سر و کار دارد. به عبارت دیگر، فیزیک با تمام جنبه‌های طبیعت، از سطح میکروسکوپی تا ماکروسکوپی ارتباط دارد. دامنهٔ فیزیک، تنها محدود به رفتار اشیاء در پاسخ به نیروهای اعمال شده نیست، بلکه فیزیک، طبیعت و منشاء میدان‌های گرانشی، الکترومغناطیسی و نیروهای هسته‌ای را نیز مورد مطالعه قرار می‌دهد. هدف نهایی فیزیک اما تدوین چند اصل جامع است که بتواند همه‌ی این پدیده‌های متفاوت را گرد آورده و توضیح دهد.
فیزیک اساس علوم فیزیکی است. تا چند قرن پیش، فیزیک و فلسفه‌ی طبیعی به صورت مشترک، برای علومی که هدف آن کشف و فرموله کردن قوانین بنیادین طبیعت است، به کار می‌رفت. با پیشرفت علوم مدرن و تخصصی شدن بیشتر آن‌ها، اکنون فیزیک تنها به قسمتی از علوم فیزیکی گفته می‌شود که جزو شاخه‌های نجوم، شیمی، زمین‌شناسی و مهندسی نباشد. اما با این وجود، فیزیک نقش مهمی در تمام علوم طبیعی ایفا می‌کند و تمامی این رشته‌ها، شاخه‌هایی دارند که قوانین و اندازه‌گیری‌های فیزیکی، نقش مهمی در آن‌ها دارد؛ از همین بابت، به این رشته‌ها نام‌هایی همچون اخترفیزیک، ژئوفیزیک، بیوفیزیک و حتی روان‌فیزیک نهاده‌‌اند. فیزیک را می‌توان به عنوان علم ماده، حرکت و انرژی تعریف کرد. قوانین فیزیک معمولا به صورت دقیق، به زبان ریاضی بیان می‌شود.
در توسعهٔ فیزیک اما، هم آزمایش و هم تئوری نقش مهم و تکمیل کننده‌ای دارند. آزمایش در واقع مشاهده‌ی پدیده، تحت شرایط حتی الامکان کنترل شده است. تئوری، فرموله کردن یک چهارچوب مفهومی واحد است. در صورتی که یک نظریه، به طور قابل اعتمادی، نتایج آزمایشاتی که در حوزه‌ی کاربست پذیری آن نظریه است را پیش بینی کند، تبدیل به یک قانون فیزیکی می‌شود. اما حتی یک قانون فیزیکی نیز، در صورتی که آزمایشاتی آن را نقض کند، همواره در معرض تغییر، اصلاح یا محدود شدن به یک دامنه‌ی محدود‌تر است.
هدف نهایی فیزیک، یافتن مجموعه‌ی قوانین یکپارچه‌ای است که در فواصل کوچک زیراتمی (میکروسکوپی)، در ابعاد زندگی روزمره‌ی انسان (ماکروسکوپی) و تا بزرگ‌ترین فواصل (فواصل میان کهکشانی)، بر ماده، حرکت و انرژی حاکم است. این هدف بلندپروازانه تاکنون تا حد زیادی محقق شده است. اگرچه هنوز یک نظریه‌ی کاملا یکپارچه‌ی فیزیکی به دست نیامده است و احتمالا هیچگاه به دست نیاید، اما تاکنون تعدادی از قوانین بنیادین فیزیک یافت شده است که قادرند تمامی پدیده‌های شناخته شده را توجیه کنند. بدنه‌ی فیزیک که تا اوایل قرن بیستم توسعه یافت و تحت عنوان فیزیک کلاسیک شناخته می‌شود، در حرکت اشیای ماکروسکوپی که با سرعتی کمتر از سرعت نور حرکت می‌کنند و همچنین پدیده‌هایی مثل گرما، صوت، الکتریسیته، مغناطیس و نور، تا حد زیادی معتبر است. پیشرفت‌های فیزیک مدرن در نسبیت و مکانیک کوانتوم، قوانین فیزیک کلاسیک را به گونه‌ای اصلاح می‌کند که این قوانین، برای سرعت‌های بالا، اجسام بسیار سنگین و اجزای بنیادین سازنده‌ی ماده مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها، قابل استفاده باشد.
دامنه‌ی فیزیک
شاخه‌ها یا فیلدهای فیزیک کلاسیک و فیزیک مدرن، به صورت زیر دسته بندی می‌شود:
مکانیک
مکانیک به صورت کلی، علمی است که به مطالعه‌ی حرکت یا سکون اجسام، تحت تاثیر نیروهای اعمال شده، می‌پردازد. گاهی اوقات مکانیک کلاسیک به عنوان یک شاخه از ریاضیات کاربردی نیز تلقی می‌گردد. مکانیک خود از دو بخش سینماتیک و دینامیک تشکیل شده است. در سینماتیک، حرکت توصیف شده و در دینامیک، تاثیر نیروها در ایجاد حرکت یا تعادل ایستا (که در علم استاتیک بررسی می‌گردد) مورد مطالعه قرار می‌گیرد. موضوعات مکانیک کوانتوم که در بررسی ساختار ماده، ذرات زیراتمی، ابرسیالیت، ابررسانایی، ستاره‌های نوترونی و دیگر پدیده‌های مهم، بسیار حیاتی است و همچنین موضوعات مکانیک نسبیتی که در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور، اهمیت پیدا می‌کنند، شکل‌هایی از مکانیک هستند که بعدا در مورد آن‌ها بحث خواهیم کرد.
در مکانیک کلاسیک، قوانین در ابتدا، برای ذرات نقطه‌ای فرموله می‌گردد که در آن‌ها، ابعاد، شکل و دیگر ویژگی‌های ذاتی اجسام نادیده گرفته می‌شود. پس اولین تقریب این است که اجسامی حتی به بزرگی زمین و خورشیید نیز (منظور در محاسبه‌ی حرکت‌های مداری)، به صورت نقطه در نظر گرفته می‌شوند. اما در دینامیک جسم صلب، حجم اجسام و توزیع جرم‌ها آن‌ها لحاظ می‌شود؛ اما با این حال، در این حوزه، قابلیت تغییر شکل اجسام (مانند کرنش یا خمش)، در نظر گرفته نمی‌شود. مکانیک جامدات با قابلیت تغییر شکل، الاستیسیته نامیده می‌شود. همچنین بررسی سیالات در حالت سکون و در حالت حرکت، به ترتیب در بخش هیدرواستاتیک و هیدرودینامیک صورت می‌گیرد.
سه قانون حرکت که توسط اسحاق نیوتن ارائه شد، به همراه درک این موضوع که نیروها، مقادیر دارای جهت یا برداری هستند و به صورت برداری جمع می‌شوند، پایه‌های مکانیک کلاسیک را ایجاد کرد. اولین قانون که به عنوان قانون اینرسی نیز نامیده می‌شود، بیان می‌دارد که بدون اعمال یک نیروی خارجی، یک جسم در حالت سکون باقی می‌ماند و یا اگر در حال حرکت بوده است، به حرکت در مسیر مستقیم با سرعت ثابت ادامه می‌دهد. بنابراین حرکت یکنواخت نیاز به علت ندارد. لذا مکانیک تنها بر روی حرکت تمرکز نمی‌کند، بلکه بر روی تغییر حالت حرکت یک جسم که ناشی از برآیند نیروی عمل کننده روی آن است نیز تمرکز دارد. قانون دوم نیوتن برآیند نیرو روی یک جسم را به نرخ تغییرات مومنتوم آن مرتبط می‌سازد که مومنتوم، حاصلضرب جرم جسم و سرعت آن است. قانون سوم نیوتن که قانون عمل و عکس العمل نام دارد، بیان می‌دارد که زمانی که دو ذره با هم برهمکنش دارند، نیروهایی که هر یک به دیگری وارد می‌کند، با یکدیگر از نظر اندازه مساوی و از نظر جهت، مخالف یکدیگر است. با در نظر گرفتن این قوانین مکانیکی، می‌توان حرکات آتی مجموعه‌ای از ذرات را پیش‌بینی کرد، به شرطی که حالت حرکت آن‌ها در بعضی لحظات مشخص بوده و همچنین نیروهایی که بین آن‌ها وجود دارد و یا اینکه از خارج بدانها وارد می‌شود، از پیش معلوم باشد. در گذشته از این ویژگی قطعی (دارای قطعیت) قوانین مکانیک کلاسیک، نتایج فلسفی عمیق (و احتمالا نادرست) گرفته شده است که حتی در تاریخ بشریت مورد استفاده قرار گرفته است.
در پایه‌ای ترین سطح فیزیک، قوانین مکانیک با نوع خاصی از تقارن مشخص می‌شوند؛ همانطوری که در تقارن فوق الذکر میان نیروهای عمل و عکس العمل مشخص شد. سایر تقارن‌ها مانند عدم تغییر (شکل تغییر ناپذیر) قوانین، تحت بازتاب‌ها و چرخش‌های صورت گرفته در فضا، معکوس شدن زمان یا تبدیل به بخش متفاوتی از فضا یا دوره‌ای متفاوت از زمان، هم در مکانیک کلاسیک و هم در مکانیک نسبیتی و همچنین با محدودیت‌های خاصی، در مکانیک کوانتومی وجود دارد. ویژگی‌های تقارن این نظریه را می‌توان به عنوان نتایج ریاضیاتی اصول اساسی که به عنوان قوانین بقا شناخته می‌شود، دانست. قوانین بقا، مقادیر کمیت‌های فیزیکی معینی را در شرایط تعیین شده در طول زمان ثابت نگه می‌دارد. مقادیر ثابت (دارای بقا) جزو مهم‌ترین موارد در فیزیک هستند که از بین آن‌ها می‌توان از جرم و انرژی (در نظریه‌ی نسبیت، جرم و انرژی با یکدیگر هم‌ارز هستند و به یکدیگر تبدیل می‌شوند)، مومنتوم، مومنتوم زاویه‌ای و بار الکتریکی نام برد.
مطالعه‌ی جاذبه
این شاخه‌ی تحقیقاتی پیشتر به دلایل تاریخی، در ذیل مکانیک کلاسیک قرار داده میشد؛ چرا که هر دو شاخه، تا حد زیادی توسط نیوتن تکمیل شده بود و همچنین به نوعی یک ویژگی جهانی داشت. قانون گرانش نیوتن بیان می‌دارد که هر ذره‌ی مادی در جهان، هر ذره‌ی دیگری را با نیرویی جذب می‌کند. این نیرو، در راستی خط واصل بین دو ذره عمل کرده و مقدار آن، با حاصلضرب جرم آن‌ها رابطه‌ی مستقیم و با مجذور فاصله‌ی آن‌ها، نسبت عکس دارد. محاسبات دقیق نیوتن بر روی مدار سیارات و ماه و همچنین اثرات گرانشی بسیار ظریف مانند جذر و مد و تقدیم اعتدال‌ها (تغییر چرخه‌ای آهسته در جهت چرخش محور زمین) و با استفاده از این نیروی بنیادین، نخستین موفقیت مکانیک کلاسیک بود. برای درک جنبه‌های اصلی پرتاب موشک و پروازهای فضایی، هیچ اصل دیگری مورد نیاز نیست (اگرجه قطعا برای انجام آن‌ها، یک فناوری قوی مورد نیاز است).
نظریه‌ی مدرن گرانش، توسط آلبرت اینشتین فرموله شد که نظریه‌ی نسبیت عام نام دارد. از رابطه‌ی شناخته شده‌ی جرم در قانون دوم حرکت نیوتن و جرم در قانون گرانش، توجه اینشتین به این واقعیت جلب شد که شتاب می‌تواند به طور محلی (local) نیروی گرانش را خنثی کند (همانگونه که فضانوردان در مدار زمین دچار بی‌وزنی می‌شوند) و از این طریق، به مفهوم خمیدگی فضا-زمان هدایت شد. این نظریه در سال ۱۹۱۵ تکمیل شد و برای سالیان متمادی، از بابت زیبایی ریاضیاتی و پیش‌بینی صحیح تعداد کمی از پدیده‌ها مانند خمیدگی نور در اطراف یک شیء عظیم، مورد توجه قرار گرفت. با این حال، تنها در سال‌های اخیر، این نظریه به یک موضوع حیاتی برای تحقیقات نظری و تجربی تبدیل شده است. (مکانیک نسبیتی مربوط به نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین است و یک نظریه‌ی گرانش نیست)
مطالعه‌ی گرما، ترمودینامیک و مکانیک آماری
گرما حالتی از انرژی درونی است که با حرکت تصادفی اجزای مولکولی ماده یا با تشعشع همراه است. دما میانگینی از بخشی از انرژی درونی موجود در جسم است (گرما انرژی پیوند مولکولی یا چرخش مولکولی را شامل نمی‌شود). پایین‌ترین حالت انرژی یک ماده به عنوان صفر مطلق دما (273/15- درجه‌ی سانتیگراد یا 459/67- درجه‌ی فارنهایت) تعریف می‌شود. یک جسم ایزوله در نهایت به دمای یکنواخت می‌رسد، این حالت زمانی که دو یا چند جسم با یکدیگر در تماس قرار می‌گیرند، تحت عنوان تعادل دمایی شناخته می‌شود. مطالعه‌ی حالات ماده در (یا در نزدیکی) تعادل دمایی، ترمودینامیک نامیده می‌شود. ترمودینامیک به مطالعه‌ی سیستم‌های دمایی بسیار متنوعی بدون در نظر گرفتن جزئیات ساختاری آن‌ها در ابعاد میکرو، قادر می‌باشد.
قانون اول
قانون اول ترمودینامیک، اصل بقای جرم مکانیک (انرژی یک سیستم ایزوله با هر تغییری ثابت باقی می‌ماند) است که شامل گرما نیز می‌شود.
قانون دوم
قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که گرما بدون دخالت یک دستگاه خارجی (مانند یخچال)، از محلی با دمای پایین‌تر به محلی با دمای بالاتر، جریان پیدا نمی‌کند. مفهوم آنتروپی شامل اندازه‌گیری وضعیت بی‌نظمی ذرات تشکیل دهنده‌ی یک سیستم است. به عنوان مثال، اگر پرتاب متوالی یک سکه منجر به یک توالی تصادفی از شیر یا خط شود، نتیجه آنتروپی بالاتری نسبت به زمانی دارد که شیرها و خط‌ها به صورت خوشه‌ای ظاهر شوند. فرم دیگری از قانون دوم این است که آنتروپی یک سیستم ایزوله، هیچگاه با زمان، کاهش نمی‌یابد.
قانون سوم
قانون سوم ترمودینامیک بیان می‌کند که آنتروپی در دمای صفر مطلق، صفر است. این آنتروپی مربوط به منظم‌ترین حالت ممکن است.
مکانیک آماری
علم مکانیک آماری، با فرض هرج و مرج مولکولی و اعمال قوانین احتمالات، خواص توده‌ی سیستم‌ها را از خواص مکانیکی اجزای مولکولی سازنده‌ي آن‌ها، به دست می‌آورد. با توجه به احتمال یکسان بودن پیکربندی ذرات، همانطور که قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند، حالت آشوب (وضعیت حداکثر آنتروپی)، بسیار محتمل‌تر از حالت‌های منظمی است که یک سیستم ایزوله، بدان می‌رسد. قرارگیری چنین استدلالی به شکل دقیق ریاضی، نمونه‌ای از مکانیک آماری است که می‌تواند قوانین ترمودینامیک را استخراج کند. اما مکانیک آماری در توصیف نوسانات (یعنی انحرافات موقتی)، از قوانین ترمودینامیک که تنها رفتار متوسط را توصیف می‌کند، فراتر می‌رود. نمونه‌ای از پدیده‌ی نوسان، حرکت تصادفی ذرات کوچک معلق در یک سیال است که به حرکت براونی معروف است.
مکانیک آماری کوانتومی، در بسیاری از زمینه‌های علم مدرن مانند فیزیک پلاسما (مطالعه‌ی گازهای کاملا یونیزه شده)، فیزیک حالت جامد و مطالعه‌ی ساختار ستاره‌ها، نقش عمده‌ای ایفا می‌کند. از دیدگاه میکروسکوپی، قوانین ترمودینامیک بیانگر این است که، در حالی که مقدار کل انرژی یک سیستم ایزوله ثابت است، آنچه که می‌توان آن را کیفیت این انرژی نامید، با حرکت غیرقابل اجتناب سیستم از طریق عملکرد قوانین شانس و احتمال، به حالت‌های بی‌نظمی فزاینده منتهی می‌شود تا در نهایت به حالت حداکثر بی‌نظمی (حداکثر آنتروپی) برسد که در آن، تمام قسمت‌های سیستم، هم‌دما هستند و از انرژی حالت، به طور مفید استفاده نشود. هنگامی که این موضوع به کل جهان به عنوان یک سیستم ایزوله اعمال شود، این شرایط آشوبناک نهایی، مرگ گرمایی نامیده می‌شود.
ادامه دارد…