الفيزياء

يُعدّ علم الفلك من أقدم العلوم الطبيعية . فقد امتلكت حضارات قديمة تعود إلى ما قبل 3000 قبل الميلاد ،  كالسومريين والمصريين القدماء وحضارة وادي السند ، معرفة تنبؤية وفهمًا أساسيًا لحركة الشمس والقمر والنجوم. وكان يُعتقد أن النجوم والكواكب تُمثل آلهة، ولذا كانت تُعبد في كثير من الأحيان. ورغم أن تفسيرات المواقع المرصودة للنجوم كانت غالبًا غير علمية وتفتقر إلى الأدلة، إلا أن هذه الملاحظات المبكرة أرست الأساس لعلم الفلك اللاحق، إذ وُجد أن النجوم تقطع دوائر عظيمة في السماء، ^{[ 7 ]} وهو ما لم يكن يُفسر مواقع الكواكب .

بحسب أسجر آبو ، تعود أصول علم الفلك الغربي إلى بلاد ما بين النهرين ، وتنحدر جميع الجهود الغربية في العلوم الدقيقة من علم الفلك البابلي المتأخر . ^{[ 11 ]} ترك علماء الفلك المصريون آثارًا تُظهر معرفتهم بالأبراج وحركات الأجرام السماوية، ^{[ 12 ]} بينما كتب الشاعر اليوناني هوميروس عن أجرام سماوية مختلفة في ملحمتيه الإلياذة والأوديسة ؛ وقد أطلق علماء الفلك اليونانيون اللاحقون أسماءً، لا تزال مستخدمة حتى اليوم، على معظم الأبراج المرئية من نصف الكرة الشمالي . ^{[ 13 ]}

تعود جذور الفلسفة الطبيعية إلى اليونان خلال العصر العتيق (650 ق.م. - 480 ق.م.)، حين رفض فلاسفة ما قبل سقراط، مثل طاليس، التفسيرات غير الطبيعية للظواهر الطبيعية، وأعلنوا أن لكل حدث سببًا طبيعيًا. ^{[ 14 ]} وقد طرحوا أفكارًا تم التحقق منها بالعقل والملاحظة، وثبت نجاح العديد من فرضياتهم تجريبيًا؛ ^{[ 15 ]} فعلى سبيل المثال، وُجد أن نظرية الذرية صحيحة بعد حوالي 2000 عام من طرحها من قِبل ليوكيبوس وتلميذه ديموقريطس . ^{[ 16 ]}

خلال العصر الكلاسيكي في اليونان (القرون السادس والخامس والرابع قبل الميلاد) وفي العصر الهلنستي ، تطورت الفلسفة الطبيعية عبر مسارات بحثية متعددة. كتب أرسطو ( باليونانية : Ἀριστοτέλης ، أريستوتيليس ) (384-322 قبل الميلاد)، تلميذ أفلاطون ، في مواضيع شتى، من بينها رسالة مطولة في " الطبيعة "  في القرن الرابع قبل الميلاد. كان لعلم الفيزياء الأرسطي تأثير بالغ على مدى ألفي عام تقريبًا. جمع منهجه بين الملاحظة المحدودة والاستدلال المنطقي، دون الاعتماد على التحقق التجريبي من الاستنتاجات. وعلى الرغم من أن عمل أرسطو التأسيسي في الطبيعة لم يكن كاملًا، إلا أنه شكّل إطارًا بنى عليه المفكرون اللاحقون هذا المجال. وقد تجاوز منهجه اليوم كل ما هو سائد.

شرح أرسطو مفاهيم مثل الحركة ( والجاذبية ) بنظرية العناصر الأربعة . اعتقد أن لكل عنصر من العناصر الكلاسيكية الأربعة (الهواء، النار، الماء، الأرض) مكانه الطبيعي. ^{[ 17 ]} وبسبب اختلاف كثافتها، يعود كل عنصر إلى مكانه المحدد في الغلاف الجوي. ^{[ 18 ]} لذا، وبحسب أوزانها، تكون النار في الأعلى، والهواء أسفلها، ثم الماء، وأخيرًا الأرض. كما ذكر أنه عندما تدخل كمية صغيرة من عنصر ما إلى المكان الطبيعي لعنصر آخر، فإن العنصر الأقل وفرة سيعود تلقائيًا إلى مكانه الطبيعي. على سبيل المثال، إذا اشتعلت نار على الأرض، فإن ألسنة اللهب تصعد إلى الهواء في محاولة للعودة إلى مكانها الطبيعي. ومن قوانينه للحركة: أن الأجسام الأثقل تسقط أسرع، وأن السرعة تتناسب طرديًا مع الوزن، وأن سرعة الجسم الساقط تتناسب عكسيًا مع كثافة الجسم الذي يسقط فيه (مثل كثافة الهواء). ^{[ 19 ]} وذكر أيضًا أنه عندما يتعلق الأمر بالحركة العنيفة (حركة جسم ما عند تعرضه لقوة من جسم آخر)، فإن سرعة حركة هذا الجسم لن تتجاوز مقدار القوة المؤثرة عليه. ^{[ 19 ]} وقد دُرست مسألة الحركة وأسبابها بعناية، مما أدى إلى المفهوم الفلسفي لـ " المحرك الأول " باعتباره المصدر النهائي لكل حركة في العالم (الكتاب الثامن من كتابه " الفيزياء ").

سقطت الإمبراطورية الرومانية الغربية في يد الغزاة والانحلال الداخلي في القرن الخامس، مما أدى إلى تراجع المساعي الفكرية في أوروبا الغربية. في المقابل، قاومت الإمبراطورية الرومانية الشرقية (المعروفة عادةً بالإمبراطورية البيزنطية ) هجمات الغزاة وواصلت تطوير مختلف مجالات المعرفة، بما في ذلك الفيزياء. ^{[ 21 ]} في القرن السادس، تحدّى يوحنا فيلوبونوس المنهج الأرسطي السائد في العلوم، على الرغم من أن جزءًا كبيرًا من أعماله كان يركز على اللاهوت المسيحي. ^{[ 22 ]}

في القرن السادس الميلادي، قام إيسيدور الميليتي بتجميع أعمال أرخميدس بشكل هام ، وهي الأعمال المنسوخة في مخطوطة أرخميدس . وقد ورثت العلوم الإسلامية الفيزياء الأرسطية من الإغريق، وطورتها بشكل أكبر خلال العصر الذهبي الإسلامي .

كانت أبرز الابتكارات في العلوم الإسلامية في مجال البصريات والرؤية، ^{[ 23 ]} والتي انبثقت من أعمال العديد من العلماء مثل ابن سهل ، والكندي ، وابن الهيثم ، والفارسي ، وابن سينا . في كتابه "المناظر"، طرح ابن الهيثم فكرة أشعة الضوء كبديل للمفهوم اليوناني القديم عن الأشعة المرئية. وكما فعل بطليموس، أجرى ابن الهيثم تجارب مضبوطة، مُثبتًا قوانين الانكسار والانعكاس باستخدام المفهوم الجديد لأشعة الضوء، إلا أنه ظل يفتقر إلى مفهوم تكوين الصورة. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

أصبح علم الفيزياء علماً مستقلاً عندما استخدم الأوروبيون في أوائل العصر الحديث الأساليب التجريبية والكمية لاكتشاف ما يعتبر الآن قوانين الفيزياء . ^{[ 27 ]}

تشمل التطورات الرئيسية في هذه الفترة استبدال النموذج الجيومركزي للنظام الشمسي بالنموذج الكوبرنيكي الهيليومركزي ، وقوانين حركة الأجرام السماوية (التي حددها يوهانس كيبلر بين عامي 1609 و1619)، وأعمال غاليليو الرائدة في مجال التلسكوبات وعلم الفلك الرصدي في القرنين السادس عشر والسابع عشر، واكتشاف إسحاق نيوتن وتوحيده لقوانين الحركة والجاذبية الكونية (التي سُميت باسمه). ^{[ 28 ]} وقد طور نيوتن، بشكل منفصل عن غوتفريد فيلهلم لايبنتز ، علم التفاضل والتكامل ، ^{[ 29 ]} وهو الدراسة الرياضية للتغير المستمر، وطبقه نيوتن لحل المشكلات الفيزيائية. ^{[ 30 ]}

• 
  ربط غاليليو غاليلي (1564-1642) بين الرياضيات والفيزياء النظرية والفيزياء التجريبية
• 
  قام يوهانس كيبلر (1571-1630) بتفسير حركات الكواكب ، وصاغ أول "قوانين طبيعية" بالمعنى الحديث ^{[ 31 ].}
• 
  اكتشف إسحاق نيوتن قوانين الحركة والجاذبية الكونية

نتج اكتشاف قوانين الديناميكا الحرارية والكيمياء والكهرومغناطيسية عن جهود بحثية خلال الثورة الصناعية مع ازدياد الحاجة إلى الطاقة. ^{[ 32 ]} وبحلول نهاية القرن التاسع عشر، توافقت نظريات الديناميكا الحرارية والميكانيكا والكهرومغناطيسية مع مجموعة واسعة من الملاحظات. وشكّلت هذه النظريات مجتمعةً أساس ما سيُعرف لاحقًا بالفيزياء الكلاسيكية . ^{[ 33 ] : 2}

بقيت بعض النتائج التجريبية غير قابلة للتفسير. افترضت الكهرومغناطيسية الكلاسيكية وجود وسط، وهو الأثير المضيء، لدعم انتشار الموجات، لكن لم يكن بالإمكان رصد هذا الوسط. لم تتطابق شدة الضوء المنبعث من الأجسام السوداء المتوهجة الساخنة مع تنبؤات الديناميكا الحرارية والكهرومغناطيسية. كما اختلفت طبيعة انبعاث الإلكترونات من المعادن المضاءة عن التنبؤات. هذه الإخفاقات، التي تبدو غير ذات أهمية في الصورة الكلية، ستُحدث اضطرابًا في عالم الفيزياء خلال العقدين الأولين من القرن العشرين. ^{[ 33 ]}

بدأ علم الفيزياء الحديث في أوائل القرن العشرين مع أعمال ماكس بلانك في نظرية الكم ونظرية النسبية لألبرت أينشتاين . وقد نشأت كلتا النظريتين نتيجةً لعدم دقة الميكانيكا الكلاسيكية في بعض الحالات. تنبأت الميكانيكا الكلاسيكية بأن سرعة الضوء تعتمد على حركة الراصد، وهو ما لم يكن بالإمكان تفسيره بالسرعة الثابتة التي تنبأت بها معادلات ماكسويل للكهرومغناطيسية. وقد تم تصحيح هذا التناقض بنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين ، التي حلت محل الميكانيكا الكلاسيكية للأجسام سريعة الحركة، وسمحت بسرعة ثابتة للضوء. ^{[ 37 ]} شكل إشعاع الجسم الأسود مشكلة أخرى للفيزياء الكلاسيكية، والتي تم حلها عندما اقترح بلانك أن إثارة المذبذبات المادية لا تكون ممكنة إلا على مراحل منفصلة تتناسب مع ترددها . هذا، إلى جانب التأثير الكهروضوئي ونظرية كاملة تتنبأ بمستويات طاقة منفصلة لمدارات الإلكترون ، أدى إلى تحسين نظرية ميكانيكا الكم للفيزياء الكلاسيكية على نطاقات صغيرة جدًا. ^{[ 38 ]}

كان فيرنر هايزنبرغ وإرفين شرودنغر وبول ديراك روادًا في ميكانيكا الكم . ^{[ 38 ]} ومن هذا العمل المبكر، ومن أعمال في مجالات ذات صلة، تم اشتقاق النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات . ^{[ 39 ]} بعد اكتشاف جسيم بخصائص تتوافق مع بوزون هيغز في سيرن عام 2012، ^{[ 40 ]} يبدو أن جميع الجسيمات الأساسية التي تنبأ بها النموذج القياسي، دون غيرها، موجودة؛ ومع ذلك، فإن الفيزياء ما وراء النموذج القياسي ، بنظريات مثل التناظر الفائق ، تُعد مجالًا بحثيًا نشطًا. ^{[ 41 ]} وتُعد فروع الرياضيات عمومًا مهمة لهذا المجال، مثل دراسة الاحتمالات والمجموعات .

في العقود الأولى من القرن العشرين، شهدت الفيزياء ثورةً بفضل اكتشافات ميكانيكا الكم والنسبية. كانت هذه التغييرات جوهرية لدرجة أن هذه المفاهيم الجديدة أصبحت أساس "الفيزياء الحديثة"، بينما أصبحت مواضيع أخرى تُعرف باسم "الفيزياء الكلاسيكية". معظم تطبيقات الفيزياء كلاسيكية في جوهرها. ^{[ 42 ] : xxxi} تصف قوانين الفيزياء الكلاسيكية بدقة الأنظمة التي تتجاوز أطوالها المهمة المقياس الذري، والتي تكون حركاتها أبطأ بكثير من سرعة الضوء. ^{[ 42 ] : xxxii} خارج هذا النطاق، لا تتطابق الملاحظات مع التنبؤات التي تقدمها الميكانيكا الكلاسيكية. ^{[ 33 ] : 6}

يشمل علم الفيزياء الكلاسيكية الفروع والمواضيع التقليدية التي كانت معروفة ومتطورة قبل بداية القرن العشرين، وهي: الميكانيكا الكلاسيكية، والديناميكا الحرارية، والكهرومغناطيسية. ^{[ 33 ] : 2} تهتم الميكانيكا الكلاسيكية بالأجسام المتأثرة بالقوى والأجسام المتحركة ، ويمكن تقسيمها إلى علم السكون (دراسة القوى المؤثرة على جسم أو أجسام غير خاضعة للتسارع)، وعلم الحركة (دراسة الحركة دون النظر إلى أسبابها)، وعلم الديناميكا (دراسة الحركة والقوى المؤثرة عليها). كما يمكن تقسيم الميكانيكا إلى ميكانيكا المواد الصلبة وميكانيكا الموائع (المعروفة معًا باسم ميكانيكا الأوساط المتصلة )، وتشمل الأخيرة فروعًا مثل الهيدروستاتيكا ، والديناميكا المائية ، وعلم الهواء المضغوط . أما علم الصوتيات فهو دراسة كيفية إنتاج الصوت والتحكم فيه ونقله واستقباله. ^{[ 43 ]} ومن الفروع الحديثة المهمة لعلم الصوتيات: الموجات فوق الصوتية ، وهي دراسة الموجات الصوتية ذات الترددات العالية جدًا التي تتجاوز نطاق السمع البشري؛ وعلم الصوتيات الحيوية ، وهو فيزياء أصوات الحيوانات والسمع. ^{[ 44 ]} والإلكترونيات الصوتية ، وهي معالجة الموجات الصوتية المسموعة باستخدام الإلكترونيات. ^{[ 45 ]}

علم البصريات، وهو دراسة الضوء، لا يقتصر على الضوء المرئي فحسب ، بل يشمل أيضًا الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ، التي تُظهر جميع ظواهر الضوء المرئي باستثناء الرؤية، مثل الانعكاس والانكسار والتداخل والحيود والتشتت والاستقطاب. الحرارة شكل من أشكال الطاقة، وهي الطاقة الداخلية التي تمتلكها الجسيمات المكونة للمادة؛ ويتناول علم الديناميكا الحرارية العلاقات بين الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى. دُرست الكهرباء والمغناطيسية كفرع واحد من الفيزياء منذ اكتشاف الصلة الوثيقة بينهما في أوائل القرن التاسع عشر؛ إذ يُولد التيار الكهربائي مجالًا مغناطيسيًا ، ويُحفز المجال المغناطيسي المتغير تيارًا كهربائيًا. يهتم علم الكهرباء الساكنة بالشحنات الكهربائية الساكنة، وعلم الديناميكا الكهربائية بالشحنات المتحركة، وعلم المغناطيسية الساكنة بالأقطاب المغناطيسية الساكنة.

أحدث اكتشاف النسبية وميكانيكا الكم في العقود الأولى من القرن العشرين تحولًا جذريًا في الأسس المفاهيمية للفيزياء، دون أن يُقلل من القيمة العملية لمعظم النظريات الفيزيائية التي طُورت حتى ذلك الحين. ونتيجةً لذلك، انقسمت مواضيع الفيزياء إلى "الفيزياء الكلاسيكية" و"الفيزياء الحديثة"، وتشمل الأخيرة التأثيرات المتعلقة بميكانيكا الكم والنسبية. ^{[ 33 ] : 2} تهتم الفيزياء الكلاسيكية عمومًا بالمادة والطاقة على النطاق المعتاد للملاحظة، بينما يهتم جزء كبير من الفيزياء الحديثة بسلوك المادة والطاقة في ظل ظروف قاسية أو على نطاق واسع جدًا أو ضيق جدًا. فعلى سبيل المثال، تدرس الفيزياء الذرية والنووية المادة على أصغر نطاق يمكن عنده تحديد العناصر الكيميائية . أما فيزياء الجسيمات الأولية فتدرس على نطاق أصغر، إذ تهتم بأبسط وحدات المادة؛ ويُعرف هذا الفرع من الفيزياء أيضًا بفيزياء الطاقة العالية نظرًا للطاقات العالية للغاية اللازمة لإنتاج أنواع عديدة من الجسيمات في مسرعات الجسيمات . على هذا النطاق، لم تعد المفاهيم العادية والمنطقية للمكان والزمان والمادة والطاقة صالحة. ^{[ 46 ]}

تقدم النظريتان الرئيسيتان في الفيزياء الحديثة صورة مختلفة لمفاهيم المكان والزمان والمادة عن تلك التي تقدمها الفيزياء الكلاسيكية. فالميكانيكا الكلاسيكية تُقارب الطبيعة باعتبارها متصلة، بينما تهتم نظرية الكم بالطبيعة المنفصلة للعديد من الظواهر على المستوى الذري ودون الذري، وبالجوانب التكميلية للجسيمات والموجات في وصف هذه الظواهر. وتهتم نظرية النسبية بوصف الظواهر التي تحدث في إطار مرجعي متحرك بالنسبة لمراقب؛ إذ تهتم النظرية النسبية الخاصة بالحركة في غياب حقول الجاذبية، بينما تهتم النظرية النسبية العامة بالحركة وعلاقتها بالجاذبية . وتجد كل من نظرية الكم ونظرية النسبية تطبيقات في العديد من مجالات الفيزياء الحديثة. ^{[ 47 ]}

تشمل المفاهيم الأساسية في الفيزياء الحديثة ما يلي:

• فعل
• السببية
• التغاير
• جسيم
• المجال الفيزيائي
• التفاعل الجسدي
• الكم
• المجموعة الإحصائية
• التناظر
• موجة

يستخدم الفيزيائيون المنهج العلمي لاختبار صحة النظريات الفيزيائية . فمن خلال اتباع نهج منهجي لمقارنة دلالات النظرية بالنتائج المستخلصة من التجارب والملاحظات ذات الصلة، يتمكن الفيزيائيون من اختبار صحة النظرية بطريقة منطقية وموضوعية وقابلة للتكرار. ولتحقيق هذه الغاية، تُجرى التجارب وتُسجل الملاحظات لتحديد صحة النظرية أو عدم صحتها . ^{[ 48 ]}

القانون العلمي هو عبارة موجزة لفظية أو رياضية عن علاقة تعبر عن مبدأ أساسي لنظرية ما، مثل قانون نيوتن للجاذبية الكونية. ^{[ 49 ]}

يسعى علماء الفيزياء النظرية إلى تطوير نماذج رياضية تتوافق مع التجارب القائمة وتتنبأ بنجاح بنتائج التجارب المستقبلية، بينما يصمم علماء الفيزياء التجريبية ويجرون تجارب لاختبار التنبؤات النظرية واستكشاف ظواهر جديدة. ورغم أن النظرية والتجربة تُطوَّران بشكل منفصل، إلا أنهما يؤثران في بعضهما البعض ويعتمدان على بعضهما البعض بشكل كبير. غالبًا ما يتحقق التقدم في الفيزياء عندما تتحدى النتائج التجريبية تفسير النظريات القائمة، مما يدفع إلى تركيز مكثف على النمذجة القابلة للتطبيق، وعندما تُنتج النظريات الجديدة تنبؤات قابلة للاختبار تجريبيًا ، مما يُلهم تطوير تجارب جديدة (ومعدات ذات صلة في كثير من الأحيان). ^{[ 50 ]}

يُطلق على الفيزيائيين الذين يعملون على التفاعل بين النظرية والتجربة اسم علماء الظواهر ، وهم يدرسون الظواهر المعقدة التي تُلاحظ في التجربة ويعملون على ربطها بنظرية أساسية . ^{[ 51 ]}

استلهمت الفيزياء النظرية تاريخيًا من الفلسفة؛ وهكذا توحدت الكهرومغناطيسية. ^{[ ب ]} وإلى جانب الكون المعروف، يتناول مجال الفيزياء النظرية أيضًا قضايا افتراضية، ^{[ ج ]} مثل الأكوان المتوازية ، والأكوان المتعددة ، والأبعاد العليا . يستحضر المنظرون هذه الأفكار على أمل حل مشكلات محددة في النظريات القائمة؛ ثم يستكشفون تبعات هذه الأفكار ويعملون على وضع تنبؤات قابلة للاختبار.

يتوسع علم الفيزياء التجريبية، ويتوسع بدوره، بفضل الهندسة والتكنولوجيا. يصمم الفيزيائيون التجريبيون المنخرطون في البحوث الأساسية تجارب ويجرونها باستخدام معدات مثل مسرعات الجسيمات والليزر ، بينما يعمل أولئك المنخرطون في البحوث التطبيقية غالبًا في الصناعة، حيث يطورون تقنيات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والترانزستورات . وقد لاحظ فاينمان أن التجريبيين قد يبحثون في مجالات لم يستكشفها النظريون بشكل كافٍ. ^{[ 52 ]}

يشمل علم الفيزياء نطاقًا واسعًا من الظواهر ، بدءًا من الجسيمات الأولية (مثل الكواركات والنيوترينوات والإلكترونات ) وصولًا إلى أكبر التجمعات المجرية. وتشمل هذه الظواهر أبسط الأجسام التي تُكوّن كل شيء آخر. ولذلك، يُطلق على الفيزياء أحيانًا اسم "العلم الأساسي". ^{[ 53 ]} يهدف علم الفيزياء إلى وصف مختلف الظواهر التي تحدث في الطبيعة من خلال ظواهر أبسط. وبالتالي، يسعى علم الفيزياء إلى ربط الأشياء التي يمكن للبشر ملاحظتها بأسبابها الجذرية، ثم ربط هذه الأسباب ببعضها.

على سبيل المثال، لاحظ الصينيون القدماء أن بعض الصخور ( مثل حجر المغناطيس والمغنيتيت ) تنجذب إلى بعضها البعض بقوة غير مرئية. سُمّي هذا التأثير لاحقًا بالمغناطيسية، والتي دُرست بدقة لأول مرة في القرن السابع عشر. ولكن حتى قبل اكتشاف الصينيين للمغناطيسية، عرف الإغريق القدماء أجسامًا أخرى مثل الكهرمان ، التي عند فركها بالفراء تُحدث انجذابًا غير مرئي مماثلًا بينهما. ^{[ 54 ]} دُرست هذه الظاهرة أيضًا بدقة لأول مرة في القرن السابع عشر، وأُطلق عليها اسم الكهرباء. وهكذا، فهم علم الفيزياء ملاحظتين من الطبيعة من حيث وجود سبب جذري (الكهرباء والمغناطيسية). ومع ذلك، كشفت دراسات لاحقة في القرن التاسع عشر أن هاتين القوتين ليستا سوى جانبين مختلفين لقوة واحدة هي الكهرومغناطيسية . تستمر عملية "توحيد" القوى هذه حتى اليوم، وتُعتبر الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة الآن جانبين من التفاعل الكهروضعيف . يأمل علم الفيزياء في إيجاد سبب نهائي (نظرية كل شيء) لوجود الطبيعة على ما هي عليه (انظر قسم الأبحاث الحالية أدناه لمزيد من المعلومات). ^{[ 55 ]}

يشهد البحث في الفيزياء تقدماً مستمراً على عدد كبير من الجبهات.

في فيزياء المادة المكثفة، تُعدّ مشكلة الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية من أهم المشكلات النظرية التي لم تُحلّ بعد . ^{[ 56 ]} وتهدف العديد من تجارب المادة المكثفة إلى تصنيع أجهزة إلكترونية دورانية وحواسيب كمومية عملية . ^{[ 57 ] [ 58 ]}

في فيزياء الجسيمات، بدأت تظهر أولى الأدلة التجريبية على وجود فيزياء تتجاوز النموذج القياسي. ومن أبرز هذه الأدلة مؤشرات على أن للنيوترينوات كتلة غير صفرية . ويبدو أن هذه النتائج التجريبية قد حلت مشكلة النيوترينو الشمسي العالقة منذ زمن طويل ، ولا تزال فيزياء النيوترينوات ذات الكتلة مجالًا خصبًا للبحث النظري والتجريبي النشط. وقد اكتشف مصادم الهادرونات الكبير بالفعل بوزون هيغز، لكن الأبحاث المستقبلية تهدف إلى إثبات أو دحض التناظر الفائق ، الذي يوسع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. كما يجري حاليًا البحث في طبيعة الألغاز الرئيسية للمادة المظلمة والطاقة المظلمة . ^{[ 59 ]}

على الرغم من التقدم الكبير الذي أُحرز في فيزياء الطاقة العالية، والفيزياء الكمية ، والفيزياء الفلكية، لا تزال العديد من الظواهر اليومية التي تنطوي على التعقيد ^{[ 60 ]} ، أو الفوضى ^{[ 61 ]} ، أو الاضطراب ^{[ 62 ]} غير مفهومة بشكل كافٍ. فالمشاكل المعقدة التي تبدو قابلة للحل بتطبيق ذكي للديناميكا والميكانيكا لا تزال دون حل؛ ومن الأمثلة على ذلك: تكوّن أكوام الرمل، والعُقد في المياه المتدفقة، وشكل قطرات الماء، وآليات كوارث التوتر السطحي ، والفرز الذاتي في التجمعات غير المتجانسة المهتزة. ^{[ د ] [ 63 ]}

حظيت هذه الظواهر المعقدة باهتمام متزايد منذ سبعينيات القرن الماضي لعدة أسباب، منها توفر الأساليب الرياضية الحديثة والحواسيب، مما مكّن من نمذجة الأنظمة المعقدة بطرق جديدة. وقد أصبح علم الفيزياء المعقدة جزءًا من أبحاث متعددة التخصصات بشكل متزايد، كما يتضح من دراسة الاضطراب في الديناميكا الهوائية وملاحظة تشكل الأنماط في الأنظمة البيولوجية. وفي المراجعة السنوية لميكانيكا الموائع لعام 1932 ، قال هوراس لامب : ^{[ 64 ]}

أنا رجلٌ طاعنٌ في السن الآن، وعندما أموت وأذهب إلى الجنة، هناك أمران أرجو أن أستنير بهما. الأول هو الديناميكا الكهربائية الكمومية، والآخر هو الحركة المضطربة للسوائل. وأنا متفائلٌ إلى حدٍ ما بشأن الأول.

يتم عرض المجالات الرئيسية للفيزياء، إلى جانب مجالاتها الفرعية والنظريات والمفاهيم التي تستخدمها، في الجدول التالي.

منذ القرن العشرين، أصبحت فروع الفيزياء أكثر تخصصًا، واليوم يعمل معظم الفيزيائيين في مجال واحد طوال حياتهم المهنية. أما "العالميون" مثل أينشتاين (1879-1955) ^وليف لانداو (1908-1968)، الذين عملوا في مجالات متعددة من الفيزياء ^، فهم نادرون جدًا الآن ^.

يمكن تقسيم الأبحاث المعاصرة في الفيزياء بشكل عام إلى الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات ؛ وفيزياء المادة المكثفة ؛ والفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية ؛ والفيزياء الفلكية ؛ والفيزياء التطبيقية. كما تدعم بعض أقسام الفيزياء أبحاث تعليم الفيزياء والتوعية بها . ^{[ 65 ]}

النووي والجسيمي

فيزياء الجسيمات هي دراسة المكونات الأولية للمادة والطاقة والتفاعلات بينها . ^{[ 66 ]} إضافةً إلى ذلك، يقوم علماء فيزياء الجسيمات بتصميم وتطوير مسرعات الطاقة العالية، ^{[ 67 ]} وأجهزة الكشف، ^{[ 68 ]} وبرامج الحاسوب ^{[ 69 ]} اللازمة لهذا البحث. يُطلق على هذا المجال أيضًا اسم "فيزياء الطاقة العالية" لأن العديد من الجسيمات الأولية لا توجد بشكل طبيعي، وإنما تتكون فقط أثناء تصادمات الطاقة العالية بين جسيمات أخرى. ^{[ 70 ]}

تُوصَف تفاعلات الجسيمات الأولية والمجالات حاليًا بالنموذج القياسي . ^{[ 71 ]} يُفسّر هذا النموذج الجسيمات الاثني عشر المعروفة للمادة ( الكواركات واللبتونات ) التي تتفاعل عبر القوى الأساسية القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية . ^{[ 71 ]} تُوصَف الديناميكيات من حيث تبادل جسيمات المادة للبوزونات المعيارية ( الغلوونات ، وبوزونات W وZ ، والفوتونات ، على التوالي). ^{[ 72 ]} يتنبأ النموذج القياسي أيضًا بجسيم يُعرف باسم بوزون هيغز. ^{[ 71 ]} في يوليو 2012، أعلن مركز سيرن، المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات، عن اكتشاف جسيم يتوافق مع بوزون هيغز، ^{[ 73 ]} وهو جزء لا يتجزأ من آلية هيغز .

الفيزياء النووية هي فرع من فروع الفيزياء يدرس مكونات وتفاعلات نوى الذرات . من أبرز تطبيقاتها توليد الطاقة النووية وتكنولوجيا الأسلحة النووية ، إلا أن أبحاثها امتدت لتشمل مجالات عديدة، منها الطب النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي، وزرع الأيونات في هندسة المواد ، والتأريخ بالكربون المشع في الجيولوجيا وعلم الآثار .

المادة المكثفة

فيزياء المادة المكثفة هي فرع من فروع الفيزياء يهتم بالخصائص الفيزيائية العيانية للمادة. ^{[ 77 ] [ 78 ]} وعلى وجه الخصوص، تهتم هذه الفيزياء بالأطوار "المكثفة" التي تظهر عندما يكون عدد الجسيمات في النظام كبيرًا للغاية وتكون التفاعلات بينها قوية. ^{[ 57 ]}

من أكثر الأمثلة شيوعًا على الأطوار المكثفة المواد الصلبة والسائلة، والتي تنشأ من الترابط بين الذرات عبر القوة الكهرومغناطيسية . ^{[ 79 ]} وتشمل الأطوار المكثفة الأكثر غرابة الميوعة الفائقة ^{[ 80 ]} ومكثف بوز-أينشتاين ^{[ 81 ]} الموجودين في بعض الأنظمة الذرية عند درجات حرارة منخفضة جدًا، والطور فائق التوصيل الذي تُظهره إلكترونات التوصيل في بعض المواد، ^{[ 82 ]} والأطوار ^{المغناطيسية} الحديدية والمغناطيسية المضادة للحديدية للدوران على الشبكات الذرية . [ ^{83 ]}

فيزياء المادة المكثفة هي أكبر فروع الفيزياء المعاصرة. تاريخيًا، نشأت فيزياء المادة المكثفة من فيزياء الحالة الصلبة، التي تُعتبر الآن أحد فروعها الرئيسية. ^{[ 84 ]} يبدو أن مصطلح "فيزياء المادة المكثفة" قد صاغه فيليب أندرسون عندما أعاد تسمية مجموعته البحثية - التي كانت تُعرف سابقًا بنظرية الحالة الصلبة - في عام 1967. ^{[ 85 ]} في عام 1978، أُعيد تسمية قسم فيزياء الحالة الصلبة التابع للجمعية الفيزيائية الأمريكية إلى قسم فيزياء المادة المكثفة. ^{[ 84 ]} تتداخل فيزياء المادة المكثفة بشكل كبير مع الكيمياء، وعلوم المواد ، وتكنولوجيا النانو، والهندسة. ^{[ 57 ]}

الفيزياء الفلكية

علم الفيزياء الفلكية وعلم الفلك هما تطبيق نظريات وأساليب الفيزياء لدراسة بنية النجوم وتطورها ونشأة النظام الشمسي، بالإضافة إلى المشكلات ذات الصلة في علم الكونيات. ولأن الفيزياء الفلكية مجال واسع، فإن علماء الفيزياء الفلكية عادةً ما يطبقون العديد من فروع الفيزياء، بما في ذلك الميكانيكا، والكهرومغناطيسية، والميكانيكا الإحصائية، والديناميكا الحرارية، وميكانيكا الكم، والنسبية، والفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات، والفيزياء الذرية والجزيئية. ^{[ 86 ]}

أدى اكتشاف كارل يانسكي عام 1931 لانبعاث إشارات الراديو من الأجرام السماوية إلى نشأة علم الفلك الراديوي . ومؤخراً، اتسعت آفاق علم الفلك بفضل استكشاف الفضاء. وتجعل الاضطرابات والتداخلات الناتجة عن الغلاف الجوي للأرض عمليات الرصد الفضائية ضرورية لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء ، والأشعة فوق البنفسجية ، وأشعة غاما ، والأشعة السينية .

علم الكونيات الفيزيائي هو دراسة تكوين الكون وتطوره على أوسع نطاقاته. وتلعب نظرية النسبية لألبرت أينشتاين دورًا محوريًا في جميع النظريات الكونية الحديثة. في أوائل القرن العشرين، أدى اكتشاف هابل لتوسع الكون، كما هو موضح في مخطط هابل ، إلى ظهور تفسيرات منافسة تُعرف باسم الكون المستقر ونظرية الانفجار العظيم .

تأكدت نظرية الانفجار العظيم بنجاح عملية التخليق النووي واكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي عام ١٩٦٤. ويرتكز نموذج الانفجار العظيم على ركيزتين نظريتين: النسبية العامة لألبرت أينشتاين والمبدأ الكوني . وقد وضع علماء الكونيات مؤخرًا نموذج ΛCDM لتطور الكون، والذي يشمل التضخم الكوني والطاقة المظلمة والمادة المظلمة .

تعتمد الفيزياء، شأنها شأن بقية العلوم، على فلسفة العلم ومنهجها العلمي لتطوير معرفتنا بالعالم المادي. ^{[ 92 ]} يستخدم المنهج العلمي الاستدلال القبلي والبعدي، بالإضافة إلى الاستدلال البايزي، لقياس صحة أي نظرية. ^{[ 93 ]} تشمل دراسة القضايا الفلسفية المحيطة بالفيزياء، أي ^فلسفة الفيزياء ، مسائل مثل طبيعة المكان والزمان ، والحتمية ، ^{والمنظورات} الميتافيزيقية كالتجريبية والطبيعية والواقعية . [ ⁹⁴ ]

كتب العديد من الفيزيائيين عن الآثار الفلسفية لأعمالهم، على سبيل المثال لابلاس ، الذي دافع عن الحتمية السببية ، ^{[ 95 ]} وإرفين شرودنغر ، الذي كتب عن ميكانيكا الكم. ^{[ 96 ] [ 97 ]} وقد وصف ستيفن هوكينغ الفيزيائي الرياضي روجر بنروز بأنه أفلاطوني ، ^{[ 98 ]} وهو رأي يناقشه بنروز في كتابه " الطريق إلى الواقع" . ^{[ 99 ]} وقد وصف هوكينغ نفسه بأنه "اختزالي صريح" واختلف مع آراء بنروز. ^{[ 100 ]}

تُقدّم الرياضيات لغةً موجزةً ودقيقةً لوصف النظام في الطبيعة. وقد لاحظ ذلك ودعا إليه كلٌّ من فيثاغورس ^{[ 101 ]} ، وأفلاطون ^{[ 102 ]} ، وغاليليو ^{[ 103 ]} ، ونيوتن. ويرى بعض المنظرين، مثل هيلاري بوتنام وبينيلوبي مادي ، أن الحقائق المنطقية، وبالتالي الاستدلال الرياضي، تعتمد على العالم التجريبي . وعادةً ما يُقرن هذا الرأي بادعاء أن قوانين المنطق تُعبّر عن انتظامٍ كونيٍّ موجودٍ في السمات البنيوية للعالم، وهو ما قد يُفسّر العلاقة الفريدة بين هذين المجالين.

يستخدم علم الفيزياء الرياضيات ^{[ 104 ]} لتنظيم وصياغة نتائج التجارب. ومن هذه النتائج، تُستخلص حلول دقيقة أو تقديرية ، أو نتائج كمية، يمكن من خلالها وضع تنبؤات جديدة وتأكيدها أو دحضها تجريبياً. وتُعد نتائج التجارب الفيزيائية بيانات رقمية، بوحدات قياسها وتقديرات الأخطاء في القياسات. وقد جعلت التقنيات القائمة على الرياضيات، كالحوسبة، الفيزياء الحاسوبية مجالاً بحثياً نشطاً.

يُعدّ علم الوجود شرطًا أساسيًا للفيزياء، ولكنه ليس كذلك للرياضيات. وهذا يعني أن الفيزياء تُعنى في جوهرها بوصف العالم الحقيقي، بينما تُعنى الرياضيات بالأنماط المجردة، حتى تلك التي تتجاوز العالم الحقيقي. لذا، فإن عبارات الفيزياء تركيبية، بينما عبارات الرياضيات تحليلية. تحتوي الرياضيات على فرضيات، بينما تحتوي الفيزياء على نظريات. يجب أن تكون عبارات الرياضيات صحيحة منطقيًا فقط، بينما يجب أن تتطابق تنبؤات عبارات الفيزياء مع البيانات المرصودة والتجريبية.

التمييز واضح، ولكنه ليس بديهيًا دائمًا. على سبيل المثال، الفيزياء الرياضية هي تطبيق الرياضيات في الفيزياء. أساليبها رياضية، لكن موضوعها فيزيائي. ^{[ 105 ]} تبدأ المسائل في هذا المجال بـ " نموذج رياضي لحالة فيزيائية " (نظام) و"وصف رياضي لقانون فيزيائي" يُطبق على ذلك النظام. كل عبارة رياضية تُستخدم للحل تحمل معنى فيزيائيًا يصعب إيجاده. أما الحل الرياضي النهائي فيسهل إيجاد معناه، لأنه ما يبحث عنه الباحث.

الفيزياء فرع من فروع العلوم الأساسية . ويُطلق عليها أيضًا اسم " العلوم الأساسية" لأن جميع فروع العلوم الطبيعية، بما فيها الكيمياء والفلك والجيولوجيا والأحياء، تخضع لقوانين الفيزياء. ^{[ 53 ]} وبالمثل، تُسمى الكيمياء غالبًا بالعلم المركزي لدورها في ربط العلوم الفيزيائية. فعلى سبيل المثال، تدرس الكيمياء خصائص المادة وبنيتها وتفاعلاتها (ويُميز تركيز الكيمياء على المستوى الجزيئي والذري عن الفيزياء ). تتشكل البنى نتيجة تأثير الجسيمات بقوى كهربائية على بعضها البعض، وتشمل الخصائص السمات الفيزيائية للمواد، وتخضع التفاعلات لقوانين الفيزياء، مثل حفظ الطاقة والكتلة والشحنة . تسعى الفيزياء الأساسية إلى شرح الظواهر وفهمها بشكل أفضل في جميع المجالات، دون أن يكون لها تطبيق عملي محدد كهدف، باستثناء التعمق في فهم الظواهر نفسها.

الفيزياء التطبيقية مصطلح عام يشمل البحث والتطوير في الفيزياء بهدف تحقيق استخدام محدد. يتضمن منهج الفيزياء التطبيقية عادةً بعض المقررات في تخصص تطبيقي، مثل الجيولوجيا أو الهندسة الكهربائية. ويختلف هذا النوع من الفيزياء عن الهندسة في أن الفيزيائي التطبيقي قد لا يصمم شيئًا محددًا، بل يستخدم الفيزياء أو يجري أبحاثًا فيزيائية بهدف تطوير تقنيات جديدة أو حل مشكلة ما.

يشبه هذا النهج نهج الرياضيات التطبيقية . يستخدم الفيزيائيون التطبيقيون الفيزياء في البحث العلمي. على سبيل المثال، قد يسعى الباحثون في فيزياء المسرعات إلى بناء كاشفات جسيمات أفضل لأبحاث الفيزياء النظرية.

يُستخدم علم الفيزياء على نطاق واسع في الهندسة. فعلى سبيل المثال، يُستخدم علم السكون، وهو فرع من فروع الميكانيكا ، في بناء الجسور وغيرها من المنشآت الثابتة. كما أن فهم علم الصوتيات واستخدامه يُسهم في التحكم بالصوت وتحسين قاعات الحفلات الموسيقية؛ وبالمثل، يُسهم استخدام علم البصريات في تطوير أجهزة بصرية أفضل. ويُساعد فهم الفيزياء في تطوير محاكيات طيران وألعاب فيديو وأفلام أكثر واقعية، وغالبًا ما يكون حاسمًا في التحقيقات الجنائية .

انطلاقًا من الإجماع السائد بأن قوانين الفيزياء عالمية ولا تتغير بمرور الزمن، يُمكن استخدام الفيزياء لدراسة أمورٍ كانت تُحيط بها عادةً حالةٌ من عدم اليقين . فعلى سبيل المثال، في دراسة نشأة الأرض، يستطيع الفيزيائي وضع نموذجٍ معقولٍ لكتلة الأرض ودرجة حرارتها وسرعة دورانها، كدالةٍ للزمن، مما يسمح بالاستقراء إلى الأمام أو الخلف زمنيًا، وبالتالي التنبؤ بالأحداث المستقبلية أو السابقة. كما يُتيح ذلك إجراء عمليات محاكاة في الهندسة تُسرّع من تطوير التقنيات الجديدة.

كما يوجد تداخل كبير بين التخصصات ، لذلك تتأثر العديد من المجالات المهمة الأخرى بالفيزياء (على سبيل المثال، مجالات الفيزياء الاقتصادية والفيزياء الاجتماعية ).

• قائمة بأهم المنشورات في الفيزياء
• قائمة الفيزيائيين
• قوائم المعادلات الفيزيائية