الميكانيكا

كان الفلاسفة اليونانيون القدماء من أوائل من اقترحوا أن مبادئ مجردة تحكم الطبيعة. وكانت نظرية الميكانيكا الرئيسية في العصور القديمة هي الميكانيكا الأرسطية ، على الرغم من وجود نظرية بديلة في كتاب " المسائل الميكانيكية" المنسوب زوراً إلى أرسطو ، والذي يُنسب غالباً إلى أحد خلفائه.

هناك تقليد آخر يعود إلى الإغريق القدماء، حيث استُخدمت الرياضيات على نطاق أوسع لتحليل الأجسام، سواءً بشكل ثابت أو ديناميكي ، وهو نهج ربما استُلهم من أعمال فيثاغورس أرخيتاس السابقة . ^{[ 7 ]} ومن أمثلة هذا التقليد: إقليدس الزائف ( في كتابه " في الميزان ")، وأرخميدس ( في كتابيه " في توازن المستويات" و" في الأجسام الطافية ")، وهيرو ( في كتابه " الميكانيكا " )، وبابوس ( في كتابه "المجموعة "، الكتاب الثامن). ^{[ 8 ] [ 9 ]}

في العصور الوسطى، تعرضت نظريات أرسطو للنقد والتعديل من قبل عدد من الشخصيات، بدءًا من يوحنا فيلوبونوس في القرن السادس. وكانت إحدى المشكلات الرئيسية هي حركة المقذوفات ، والتي ناقشها هيبارخوس وفيلوبونوس.

نشر العالم الفارسي الموسوعي ابن سينا ​​نظريته في الحركة في كتاب الشفاء (1020). قال إن الرامي يُعطي المقذوف قوة دفع، واعتبرها قوة مستمرة، تتطلب قوى خارجية كمقاومة الهواء لتبديدها. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} ميّز ابن سينا ​​بين «القوة» و«الميل» (المسمى «الميل»)، وجادل بأن الجسم يكتسب ميلاً عندما يكون معاكساً لحركته الطبيعية. لذلك استنتج أن استمرار الحركة يُعزى إلى الميل المنتقل إلى الجسم، وأن الجسم سيظل متحركاً حتى ينفد الميل. كما زعم أن المقذوف في الفراغ لن يتوقف إلا إذا أثرت عليه قوة خارجية، وهو ما يتوافق مع قانون نيوتن الأول للحركة. ^{[ 10 ]}

فيما يتعلق بمسألة جسم خاضع لقوة ثابتة (منتظمة)، يقول العالم اليهودي هبة الله أبو البركات البغدادي، الذي عاش في القرن الثاني عشر ، إن تسارع الجسم الساقط كان نتيجةً لتأثير مستمر لميل الجسم الطبيعي. ووفقًا لشلومو باينز ، فإن نظرية البغدادي في الحركة كانت "أقدم نفي لقانون أرسطو الأساسي في الديناميكا [أي أن القوة الثابتة تُنتج حركة منتظمة]، [وبالتالي فهي] استباقٌ مبهمٌ للقانون الأساسي للميكانيكا الكلاسيكية [أي أن القوة المطبقة باستمرار تُنتج تسارعًا]". ^{[ 13 ]}

تأثر الكاهن الفرنسي جان بوريدان، في القرن الرابع عشر، بكتاب سابقين مثل ابن سينا ^{​​[ 12 ]} والبغدادي ^{[ 14 ]} ، فوضع نظرية الدفع ، التي تطورت لاحقًا إلى النظريات الحديثة للقصور الذاتي والسرعة والتسارع والزخم . وقد طُوِّر هذا العمل وغيره في إنجلترا في القرن الرابع عشر على يد علماء من جامعة أكسفورد ، مثل توماس برادوردين ، الذين درسوا وصاغوا قوانين مختلفة تتعلق بالأجسام الساقطة. وقد توصل علماء أكسفورد في القرن الرابع عشر إلى مفهوم أن الخصائص الرئيسية للجسم هي الحركة المتسارعة بانتظام (كما هو الحال في الأجسام الساقطة) .

يُعدّ كلٌّ من غاليليو غاليلي وإسحاق نيوتن من الشخصيات المحورية في أوائل العصر الحديث . وقد قدّم غاليليو في كتابه " علمان جديدان " (1638) آخر أعماله في مجال الميكانيكا، ولا سيما ميكانيكا الأجسام الساقطة. أما نيوتن، فقد قدّم في كتابه "الفلسفة الطبيعية: المبادئ الرياضية" (1687 ) شرحًا رياضيًا مفصلاً للميكانيكا، مستخدمًا علم التفاضل والتكامل الذي طُوّر حديثًا آنذاك ، وموفرًا بذلك الأساس للميكانيكا النيوتونية . ^{[ 9 ]}

ثمة جدلٌ حول أسبقية بعض الأفكار: فكتاب نيوتن " الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" (برينسيبيا) هو بلا شك العمل المحوري ذو التأثير الهائل، ولم يكن من الممكن التوصل إلى العديد من النتائج الرياضية الواردة فيه لولا تطور حساب التفاضل والتكامل. مع ذلك، فإن العديد من الأفكار، لا سيما تلك المتعلقة بالقصور الذاتي والأجسام الساقطة، قد طُوِّرت على يد علماء سابقين مثل كريستيان هويغنز وعلماء العصور الوسطى الأقل شهرة. ويصعب تحديد الفضل بدقة، نظراً لتغير المصطلحات العلمية ومعايير البرهان؛ إذ يمكن اعتبار أفكار علماء العصور الوسطى إما مكافئة للتصريحات الحديثة أو مجرد فرضيات أولية مشابهة لها.

يُعدّ كلٌّ من النسبية العامة لأينشتاين وميكانيكا الكم من أبرز التطورات الحديثة في علم الميكانيكا ، وقد طُوِّر كلاهما في القرن العشرين استنادًا جزئيًا إلى أفكارٍ سابقةٍ من القرن التاسع عشر. أما التطور في ميكانيكا الأوساط المتصلة الحديثة، ولا سيما في مجالات المرونة، واللدونة، وديناميكا الموائع، والديناميكا الكهربائية، والديناميكا الحرارية للأوساط القابلة للتشوه، فقد بدأ في النصف الثاني من القرن العشرين.

ما يلي يوصف بأنه يشكل الميكانيكا الكلاسيكية:

• الميكانيكا النيوتونية : النظرية الأصلية للحركة ( علم الحركة ) والقوى ( الديناميكا )
• الميكانيكا التحليلية هي إعادة صياغة للميكانيكا النيوتونية مع التركيز على طاقة النظام بدلاً من القوى. وتنقسم الميكانيكا التحليلية إلى فرعين رئيسيين:
  • الميكانيكا الهاميلتونية : شكل نظري قائم على مبدأ حفظ الطاقة
  • الميكانيكا اللاغرانجية : شكلية نظرية أخرى، تستند إلى مبدأ الفعل الأدنى
• تعمم الميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية الميكانيكا الكلاسيكية العادية للنظر في الأنظمة في حالة غير معروفة؛ وغالبًا ما تستخدم لاستنتاج الخصائص الديناميكية الحرارية .
• علم الميكانيكا السماوية : حركة الأجسام في الفضاء: الكواكب، والمذنبات، والنجوم، والمجرات ، إلخ.
• الديناميكا الفلكية : الملاحة الفضائية ، إلخ.
• ميكانيكا المواد الصلبة : المرونة ، واللدونة ، أو اللزوجة المرنة التي تظهرها المواد الصلبة القابلة للتشوه.
• ميكانيكا الكسر
• علم الصوتيات : الصوت (الكثافة، والتغير، والانتشار) في المواد الصلبة والسوائل والغازات
• علم السكون : الأجسام شبه الصلبة في حالة توازن ميكانيكي
• ميكانيكا الموائع : حركة الموائع
• ميكانيكا التربة : السلوك الميكانيكي للتربة
• ميكانيكا الأوساط المتصلة : ميكانيكا الأوساط المتصلة (الصلبة والسائلة)
• الهيدروليكا : الخصائص الميكانيكية للسوائل
• علم سكون الموائع : السوائل في حالة توازن
• الميكانيكا التطبيقية (المعروفة أيضًا باسم الميكانيكا الهندسية)
• الميكانيكا الحيوية : المواد الصلبة، والسوائل، وما إلى ذلك في علم الأحياء
• الفيزياء الحيوية : العمليات الفيزيائية في الكائنات الحية
• الميكانيكا النسبية أو ميكانيكا أينشتاين

تُصنف الأمور التالية على أنها جزء من ميكانيكا الكم:

• ميكانيكا الموجة لشرودنغر : تستخدم لوصف حركات الدالة الموجية لجسيم واحد.
• ميكانيكا المصفوفات هي صياغة بديلة تسمح بدراسة الأنظمة ذات فضاء الحالة المحدود الأبعاد.
• تعمم الميكانيكا الإحصائية الكمومية الميكانيكا الكمومية العادية للنظر في الأنظمة في حالة غير معروفة؛ وغالبًا ما تستخدم لاستنتاج الخصائص الديناميكية الحرارية .
• فيزياء الجسيمات : حركة الجسيمات الأساسية وبنيتها وسلوكها
• الفيزياء النووية : حركة النوى وبنيتها وتفاعلاتها
• فيزياء المادة المكثفة : الغازات الكمومية، والمواد الصلبة، والسوائل، وما إلى ذلك.

تاريخيًا، كانت الميكانيكا الكلاسيكية موجودة منذ ما يقارب ربع ألفية قبل ظهور ميكانيكا الكم. نشأت الميكانيكا الكلاسيكية مع قوانين الحركة لإسحاق نيوتن في كتابه "الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" ، والتي تطورت خلال القرن السابع عشر. أما ميكانيكا الكم، فقد تطورت لاحقًا خلال القرن التاسع عشر، مدفوعةً بفرضية بلانك وتفسير ألبرت أينشتاين للتأثير الكهروضوئي . ويُعتقد عمومًا أن كلا المجالين يُشكلان المعرفة الأكثر يقينًا حول الطبيعة الفيزيائية.

لطالما نُظر إلى الميكانيكا الكلاسيكية، على وجه الخصوص، كنموذج للعلوم الدقيقة الأخرى . ومن الأمور الأساسية في هذا الصدد الاستخدام المكثف للرياضيات في النظريات، فضلاً عن الدور الحاسم الذي تلعبه التجربة في توليدها واختبارها.

تتميز ميكانيكا الكم بنطاق أوسع، إذ تشمل الميكانيكا الكلاسيكية كفرعٍ منها، وتُطبَّق في ظروفٍ مُحدَّدة. ووفقًا لمبدأ التوافق ، لا يوجد تناقض أو تعارض بين هذين المجالين، فكلٌّ منهما يُعنى بحالاتٍ مُحدَّدة. ينصُّ مبدأ التوافق على أنَّ سلوك الأنظمة التي تصفها نظريات الكم يُحاكي سلوك الفيزياء الكلاسيكية في حالة الأعداد الكمومية الكبيرة ، أي إذا طُبِّقت ميكانيكا الكم على أنظمةٍ كبيرة (مثل كرة البيسبول)، فستكون النتيجة مُطابقةً تقريبًا للنتيجة التي تُحَدَّث عند تطبيق الميكانيكا الكلاسيكية. لقد تفوَّقت ميكانيكا الكم على الميكانيكا الكلاسيكية على المستوى التأسيسي، وهي ضروريةٌ لتفسير العمليات والتنبؤ بها على المستويات الجزيئية والذرية ودون الذرية. مع ذلك، بالنسبة للعمليات العيانية، تستطيع الميكانيكا الكلاسيكية حلّ مشاكل بالغة الصعوبة (وذلك أساسًا بسبب القيود الحسابية) في ميكانيكا الكم، ولذا تبقى مفيدةً وشائعة الاستخدام. تبدأ الأوصاف الحديثة لهذا السلوك بتعريف دقيق لكميات مثل الإزاحة (المسافة المقطوعة)، والزمن، والسرعة، والتسارع، والكتلة، والقوة. إلا أنه حتى حوالي 400 عام مضت، كان يُفسَّر الحركة من منظور مختلف تمامًا. فعلى سبيل المثال، استنادًا إلى أفكار الفيلسوف والعالم اليوناني أرسطو، استنتج العلماء أن قذيفة المدفع تسقط لأن موقعها الطبيعي في الأرض؛ وأن الشمس والقمر والنجوم تدور في دوائر حول الأرض لأن طبيعة الأجرام السماوية هي الدوران في دوائر كاملة.

يُعتبر غاليليو، الذي يُشار إليه غالبًا بأنه أبو العلم الحديث، قد جمع أفكارًا من عقول عظيمة أخرى في عصره، وبدأ بحساب الحركة بدلالة المسافة المقطوعة من نقطة بداية والزمن المستغرق. وقد بيّن أن سرعة الأجسام الساقطة تزداد باطراد خلال سقوطها. هذا التسارع متساوٍ للأجسام الثقيلة والخفيفة على حد سواء، بشرط إهمال مقاومة الهواء. قام عالم الرياضيات والفيزياء الإنجليزي إسحاق نيوتن بتطوير هذا التحليل بتعريف القوة والكتلة وربطهما بالتسارع. بالنسبة للأجسام التي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء، حلت نظرية النسبية لألبرت أينشتاين محل قوانين نيوتن . [جملة توضح التعقيد الحسابي لنظرية النسبية لأينشتاين]. أما بالنسبة للجسيمات الذرية ودون الذرية، فقد حلت نظرية الكم محل قوانين نيوتن . ومع ذلك، بالنسبة للظواهر اليومية، تبقى قوانين نيوتن الثلاثة للحركة حجر الزاوية في علم الديناميكا، وهو علم دراسة أسباب الحركة.

على غرار التمييز بين الميكانيكا الكمية والميكانيكا الكلاسيكية، وسّعت نظريتا النسبية العامة والخاصة لألبرت أينشتاين نطاق صياغة نيوتن وغاليليو للميكانيكا. وتبرز الاختلافات بين الميكانيكا النسبية والنيوتونية بشكلٍ كبير، بل وتصبح مهيمنة، عندما تقترب سرعة الجسم من سرعة الضوء . فعلى سبيل المثال، في الميكانيكا النيوتونية ، تُعطى الطاقة الحركية للجسيم الحر بالعلاقة E = ½ mv² ^{، بينما في الميكانيكا النسبية} ، تُعطى بالعلاقة E = ( γ - 1) mc² ⁽ حيث γ هو عامل لورنتز ؛ وتُختزل هذه الصيغة إلى الصيغة النيوتونية في حالة الطاقة المنخفضة ⁾ . ^{[ 17} ]

بالنسبة للعمليات عالية الطاقة، يجب تعديل ميكانيكا الكم لمراعاة النسبية الخاصة؛ وقد أدى ذلك إلى تطوير نظرية المجال الكمومي . ^{[ 18 ]}