فروع الفيزياء

تشمل فروع الفيزياء الميكانيكا الكلاسيكية ؛ الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية ؛ الكهرومغناطيسية ؛ النسبية؛ ميكانيكا الكم ، والفيزياء الذرية ، والفيزياء الجزيئية ؛ البصريات والصوتيات؛ فيزياء المادة المكثفة؛ فيزياء الجسيمات عالية الطاقة والفيزياء النووية؛ ونظرية الفوضى وعلم الكونيات؛ والمجالات متعددة التخصصات.

الميكانيكا الكلاسيكية نموذجٌ لفيزياء القوى المؤثرة على الأجسام، وتشمل فروعًا لوصف سلوك المواد الصلبة والغازات والسوائل . ويُشار إليها غالبًا باسم "الميكانيكا النيوتونية" نسبةً إلى إسحاق نيوتن وقوانينه للحركة . كما تشمل المنهج الكلاسيكي كما هو مُبين في طريقتي هاميلتون ولاغرانج . وتتناول حركة الجسيمات والنظام العام للجسيمات.

هناك العديد من فروع الميكانيكا الكلاسيكية، مثل: علم السكون ، وعلم الحركة ، وعلم الحركة ، وميكانيكا الأوساط المتصلة (التي تشمل ميكانيكا الموائع )، والميكانيكا الإحصائية ، وما إلى ذلك.

• الميكانيكا: فرع من فروع الفيزياء ندرس فيه الجسم وخصائص الجسم في شكل حركة تحت تأثير القوة.

يتناول الفصل الأول من محاضرات فاينمان في الفيزياء وجود الذرات ، الذي اعتبره فاينمان أكثر تعريفات الفيزياء إيجازًا، والذي يمكن أن ينبثق منه العلم بسهولة حتى لو فُقدت جميع المعارف الأخرى. ^{[ 1 ]} ومن خلال نمذجة المادة على أنها مجموعات من الكرات الصلبة، يُمكن وصف النظرية الحركية للغازات ، التي يقوم عليها علم الديناميكا الحرارية الكلاسيكي.

يدرس علم الديناميكا الحرارية تأثيرات تغيرات درجة الحرارة والضغط والحجم على الأنظمة الفيزيائية على المستوى العياني ، وانتقال الطاقة على شكل حرارة . ^{[ 2 ] [ 3 ]} تاريخيًا ، نشأ علم الديناميكا الحرارية من الرغبة في زيادة كفاءة محركات البخار القديمة . ^{[ 4 ]}

تُعدّ قوانين الديناميكا الحرارية نقطة الانطلاق لمعظم الاعتبارات الديناميكية الحرارية ، إذ تفترض إمكانية تبادل الطاقة بين الأنظمة الفيزيائية على شكل حرارة أو شغل . ^{[ 5 ]} كما تفترض وجود كمية تُسمى الإنتروبيا ، والتي يمكن تعريفها لأي نظام. ^{[ 6 ]} في الديناميكا الحرارية، تُدرس وتُصنف التفاعلات بين مجموعات كبيرة من الأجسام. ويُعدّ مفهوما النظام والمحيط أساسيين في هذا المجال . يتكون النظام من جسيمات، تُحدد حركاتها المتوسطة خصائصه، والتي بدورها ترتبط ببعضها البعض من خلال معادلات الحالة . ويمكن دمج الخصائص للتعبير عن الطاقة الداخلية والجهود الديناميكية الحرارية ، والتي تُفيد في تحديد شروط التوازن والعمليات التلقائية .

${\displaystyle {\begin{aligned}&\nabla \cdot \mathbf {D} =\rho _{f}\\&\nabla \cdot \mathbf {B} =0\\&\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\\&\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} +{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}\end{محاذاة}}}$

معادلات ماكسويل للكهرومغناطيسية

دراسة سلوك الإلكترونات، والوسائط الكهربائية، والمغناطيس، والمجالات المغناطيسية، والتفاعلات العامة للضوء.

تتمتع النظرية النسبية الخاصة بعلاقة مع الكهرومغناطيسية والميكانيكا؛ أي أن مبدأ النسبية ومبدأ الفعل الثابت في الميكانيكا يمكن استخدامهما لاشتقاق معادلات ماكسويل ، ^{[ 7 ] [ 8 ]} والعكس صحيح .

طُرحت نظرية النسبية الخاصة عام ١٩٠٥ على يد ألبرت أينشتاين في مقالته " في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة ". يشير عنوان المقال إلى أن النسبية الخاصة تحل التناقض بين معادلات ماكسويل والميكانيكا الكلاسيكية. تقوم النظرية على فرضيتين : (١) أن الصيغ الرياضية لقوانين الفيزياء ثابتة في جميع الأنظمة العطالية ؛ و(٢) أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة ومستقلة عن المصدر أو الراصد. يتطلب التوفيق بين هاتين الفرضيتين توحيد المكان والزمان في مفهوم الزمكان الذي يعتمد على الإطار المرجعي .

النسبية العامة هي النظرية الهندسية للجاذبية التي نشرها ألبرت أينشتاين في عامي 1915/1916. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وهي توحد النسبية الخاصة، وقانون نيوتن للجاذبية الكونية ، وفكرة أن الجاذبية يمكن وصفها بانحناء الزمكان . في النسبية العامة، ينتج انحناء الزمكان عن طاقة المادة والإشعاع.

ميكانيكا الكم هي فرع من الفيزياء يُعنى بدراسة الأنظمة الذرية ودون الذرية وتفاعلاتها، انطلاقًا من ملاحظة أن جميع أشكال الطاقة تُطلق في وحدات أو حزم منفصلة تُسمى " كمات ". ومن اللافت للنظر أن نظرية الكم لا تسمح عادةً إلا بالحسابات الاحتمالية أو الإحصائية للخصائص المرصودة للجسيمات دون الذرية، والتي تُفهم من خلال الدوال الموجية . وتؤدي معادلة شرودنغر في ميكانيكا الكم الدور الذي تؤديه قوانين نيوتن وقانون حفظ الطاقة في الميكانيكا الكلاسيكية، أي أنها تتنبأ بالسلوك المستقبلي لنظام ديناميكي ، وهي معادلة موجية تُستخدم لحساب الدوال الموجية.

على سبيل المثال، يتميز الضوء، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث أو الممتص من الذرة، بترددات (أو أطوال موجية ) محددة، كما يتضح من طيف الخط المرتبط بالعنصر الكيميائي الذي تمثله تلك الذرة. تُظهر نظرية الكم أن هذه الترددات تتوافق مع طاقات محددة لكمات الضوء، أو الفوتونات ، وتنتج عن حقيقة أن إلكترونات الذرة لا يمكن أن تمتلك إلا قيم طاقة مسموحة، أو مستويات طاقة محددة؛ فعندما ينتقل الإلكترون من مستوى طاقة مسموح إلى آخر، ينبعث أو يُمتص كم من الطاقة، ويتناسب تردده طرديًا مع فرق الطاقة بين المستويين. وقد أكدت الظاهرة الكهروضوئية تكميم الضوء.

في عام ١٩٢٤، اقترح لويس دي بروي أن الموجات الضوئية لا تُظهر فقط خصائص شبيهة بالجسيمات، بل قد تُظهر الجسيمات أيضًا خصائص شبيهة بالموجات. وعقب اقتراح دي بروي، طُرحت صيغتان مختلفتان لميكانيكا الكم. تعتمد ميكانيكا الموجات لإرفين شرودنغر (١٩٢٦) على استخدام كيان رياضي، هو دالة الموجة، المرتبطة باحتمالية وجود جسيم عند نقطة معينة في الفضاء. أما ميكانيكا المصفوفات لفيرنر هايزنبرغ (١٩٢٥) فلا تُشير إلى دوال الموجة أو مفاهيم مشابهة، ولكن ثبت أنها مكافئة رياضيًا لنظرية شرودنغر. ومن أهم اكتشافات نظرية الكم مبدأ عدم اليقين ، الذي صاغه هايزنبرغ عام ١٩٢٧، والذي يضع حدًا نظريًا مطلقًا لدقة بعض القياسات؛ ونتيجة لذلك، كان لا بد من التخلي عن افتراض العلماء السابقين بإمكانية قياس الحالة الفيزيائية لنظام ما بدقة واستخدامها للتنبؤ بالحالات المستقبلية. تم دمج ميكانيكا الكم مع نظرية النسبية في صياغة بول ديراك . وتشمل التطورات الأخرى الإحصاء الكمي ، والديناميكا الكهربائية الكمية ، التي تهتم بالتفاعلات بين الجسيمات المشحونة والمجالات الكهرومغناطيسية؛ وتعميمها، نظرية المجال الكمي .

نظرية الأوتار

تُعدّ هذه النظرية مرشحةً محتملةً لنظرية كل شيء، إذ تجمع بين النسبية العامة وميكانيكا الكم في إطار واحد. وهي قادرة على التنبؤ بخصائص الأجسام الصغيرة والكبيرة على حد سواء، لكنها لا تزال في مرحلة التطوير.

علم البصريات هو دراسة حركة الضوء بما في ذلك الانعكاس والانكسار والحيود والتداخل.

علم الصوتيات هو فرع من فروع الفيزياء يهتم بدراسة الموجات الميكانيكية في أوساط مختلفة.

دراسة الخصائص الفيزيائية للمادة في الحالة المكثفة.

يدرس علم فيزياء الجسيمات طبيعة الجسيمات، بينما يدرس علم الفيزياء النووية نوى الذرات .

تمثل نظرية الفوضى مجالًا متعدد التخصصات للدراسة، يجمع بين البحث العلمي والرياضيات. وهي تدرس النماذج الأساسية والمبادئ الحتمية التي تحكم الأنظمة الديناميكية التي تُظهر حساسية بالغة للظروف الأولية. سابقًا، كان يُعتقد أن هذه الأنظمة موجودة في حالة من العشوائية والفوضى التامة. إلا أن نظرية الفوضى تفترض أن وراء سطح العشوائية الظاهرية في الأنظمة المعقدة الفوضوية أنماطًا كامنة، وترابطات، وآليات تغذية راجعة مستمرة، وتكرارات، وتشابهًا ذاتيًا، وكسورًا، وتنظيمًا ذاتيًا. يُوضح تأثير الفراشة، وهو مفهوم أساسي في نظرية الفوضى، كيف يمكن لتغيير طفيف في جانب واحد من نظام غير خطي أن يؤدي إلى اختلافات كبيرة لاحقًا، مما يُبرز اعتمادًا هشًا على الظروف الأولية. غالبًا ما يُستدل على هذه الظاهرة من خلال تشبيه رفرفة جناحي فراشة في البرازيل، حيث يُمكن أن تؤثر على إعصار في تكساس أو تمنعه ​​بتغيير الظروف المحيطة بها.

يدرس علم الكونيات كيفية نشأة الكون ومصيره النهائي. ويدرسه الفيزيائيون وعلماء الفيزياء الفلكية . كما يدرس أيضًا الأكوان الخيالية التي ابتكرها البشر، وكيفية نشأتها، ومصيرها النهائي ودمارها.

تنتمي إلى المجالات متعددة التخصصات، التي تُعرّف جزئياً علوماً خاصة بها، على سبيل المثال

• علم الفيزياء الزراعية هو فرع من فروع العلوم يقع على حدود علم الزراعة وعلم الفيزياء.
• الفيزياء الفلكية ، وهي الفيزياء التي تُدرس في الكون، بما في ذلك خصائص وتفاعلات الأجرام السماوية في علم الفلك.
• فيزياء الغلاف الجوي هي تطبيق الفيزياء لدراسة الغلاف الجوي
• فيزياء الفضاء هي دراسة البلازما كما تتشكل بشكل طبيعي في الغلاف الجوي العلوي للأرض (علم الغلاف الجوي) وداخل النظام الشمسي
• الفيزياء الحيوية ، دراسة التفاعلات الفيزيائية للعمليات البيولوجية
• الفيزياء الكيميائية ، علم العلاقات الفيزيائية في الكيمياء
• الفيزياء الحاسوبية ، تطبيق الحواسيب والأساليب العددية على الأنظمة الفيزيائية
• علم الاقتصاد الفيزيائي ، الذي يتناول العمليات الفيزيائية وعلاقاتها في علم الاقتصاد
• الفيزياء البيئية ، فرع من فروع الفيزياء يهتم بقياس وتحليل التفاعلات بين الكائنات الحية وبيئتها
• الفيزياء الهندسية ، التخصص المشترك بين الفيزياء والهندسة
• الجيوفيزياء ، علم العلاقات الفيزيائية على كوكبنا
• الفيزياء الرياضية ، الرياضيات المتعلقة بالمسائل الفيزيائية
• الفيزياء الطبية ، تطبيق الفيزياء في الطب للوقاية والتشخيص والعلاج
• الكيمياء الفيزيائية ، التي تتناول العمليات الفيزيائية وعلاقاتها في علم الكيمياء الفيزيائية
• تعليم الفيزياء ، أساليب التعليم المستخدمة حاليًا لتدريس الفيزياء
• علم المحيطات الفيزيائي هو دراسة الظروف والعمليات الفيزيائية داخل المحيط، وخاصة حركات وخصائص مياه المحيط.
• علم النفس الفيزيائي ، علم العلاقات الفيزيائية في علم النفس
• الحوسبة الكمومية ، دراسة أنظمة الحوسبة الكمومية الميكانيكية
• علم الاجتماع الفيزيائي، أو الفيزياء الاجتماعية، هو مجال من العلوم يستخدم أدوات رياضية مستوحاة من الفيزياء لفهم سلوك الحشود البشرية.

يسرد الجدول أدناه النظريات الأساسية بالإضافة إلى العديد من المفاهيم التي تستخدمها.

• الفيزياء الكلاسيكية
• الفيزياء الحديثة