فيزيك

فيزيك (از يونان باستان: φυσική (ἐπιστήμη) ، به رومانيايي: fizikḗ (epistḗmē) ، روشن. "دانش طبيعت" ، از φύσις phýsis "طبيعت") [1] [2] [3] علم طبيعي است كه ماده را مطالعه مي كند ، [a] حركت و رفتار آن از طريق مكان و زمان و موجودات مربوط به انرژي و نيرو. [5] فيزيك يكي از اساسي ترين رشته هاي علمي است و هدف اصلي آن درك نحوه رفتار جهان است. [b] [6] [7] [8]

فيزيك يكي از قديمي ترين رشته هاي دانشگاهي است و از طريق گنجاندن نجوم ، شايد قديمي ترين. [9] در بيشتر دو هزاره گذشته ، فيزيك ، شيمي ، زيست شناسي و شاخه هاي خاصي از رياضيات بخشي از فلسفه طبيعي بودند ، اما در طول انقلاب علمي در قرن هفدهم اين علوم طبيعي به عنوان تلاش هاي تحقيقاتي منحصر به فرد در نوع خود ظاهر شدند. [c ] فيزيك با بسياري از زمينه هاي تحقيقاتي ميان رشته اي مانند بيوفيزيك و شيمي كوانتوم تلاقي مي كند و مرزهاي فيزيك به سختي مشخص نشده اند. ايده هاي جديد در فيزيك اغلب سازوكارهاي بنيادي مورد مطالعه ساير علوم را توضيح مي دهند [6] و راه هاي جديد تحقيق در رشته هاي دانشگاهي مانند رياضيات و فلسفه را پيشنهاد مي كنند.

پيشرفت در فيزيك اغلب پيشرفت در فن آوري هاي جديد را امكان پذير مي كند. به عنوان مثال ، پيشرفت در درك الكترومغناطيس ، فيزيك حالت جامد و فيزيك هسته اي مستقيماً منجر به توليد محصولات جديدي شد كه جامعه امروزي را به طرز چشمگيري متحول كرده است ، مانند تلويزيون ، كامپيوتر ، لوازم خانگي و سلاح هسته اي ؛ [6 ] پيشرفت در ترموديناميك منجر به توسعه صنعتي شد. و پيشرفت در مكانيك الهام بخش توسعه حساب است.

تاريخ
مقاله اصلي: تاريخ فيزيك
نجوم باستان
مقاله اصلي: تاريخ نجوم
نجوم مصر باستان در بناهايي مانند سقف مقبره Senemut از سلسله هجدهم مصر مشهود است.

نجوم يكي از قديمي ترين علوم طبيعي است. تمدن هاي اوليه مربوط به قبل از 3000 سال قبل از ميلاد مسيح ، مانند سومري ها ، مصريان باستان و تمدن دره سند ، داراي دانش پيش بيني و درك اساسي از حركت خورشيد ، ماه و ستارگان بودند. ستارگان و سيارات كه گمان مي رود نماينده خدايان هستند ، اغلب مورد پرستش قرار مي گرفتند. در حالي كه توضيحات مربوط به موقعيتهاي مشاهده شده ستارگان غالباً غير علمي و فاقد مدارك و شواهد بودند ، اما اين مشاهدات اوليه زمينه را براي نجوم بعدي فراهم آورد ، زيرا ستاره ها از گردهاي بزرگ آسمان عبور مي كردند ، [9] كه البته توضيحي در مورد موقعيت سيارات

طبق گفته هاي Asger Aaboe ، منشأ نجوم غربي را مي توان در بين النهرين يافت ، و همه تلاش هاي غرب در علوم دقيق ، ناشي از نجوم اواخر بابل است. [11] منجمان مصري بناهايي از خود برجاي گذاشتند كه دانش آنها را در مورد صورت هاي فلكي و حركات اجرام آسماني نشان مي داد ، [12] در حالي كه هومر شاعر يوناني در الياد و اديسه خود از انواع اجرام آسماني مي نوشت ؛ ستاره شناسان بعدي يونان اسامي را ارائه دادند ، كه امروزه نيز مورد استفاده قرار مي گيرند ، براي بيشتر صورتهاي فلكي كه از نيمكره شمالي قابل مشاهده هستند. [13]
فلسفه طبيعي
مقاله اصلي: فلسفه طبيعي

فلسفه طبيعي ريشه در يونان در دوره باستان (650 پ.م. - 480 ق.م.) دارد ، وقتي فيلسوفان پيش سقراطي مانند تالس توضيحات غير طبيعي گرايانه درباره پديده هاي طبيعي را رد مي كردند و اعلام مي كردند كه هر واقعه علت طبيعي دارد. [14] آنها ايده هايي را تأييد كردند كه با عقل و مشاهده تأييد شده و بسياري از فرضيه هاي آنها در آزمايش موفقيت آميز بود. [15] به عنوان مثال ، اتميسم تقريباً 2000 سال پس از طرح توسط لوسيپوس و شاگردش دموكريتوس درست تشخيص داده شد. [16]
فيزيك در جهان قرون وسطايي اروپا و اسلام

امپراتوري روم غربي در قرن پنجم سقوط كرد ، و اين منجر به كاهش فعاليتهاي فكري در قسمت غربي اروپا شد. در مقابل ، امپراتوري روم شرقي (معروف به امپراتوري بيزانس) در برابر حملات بربرها مقاومت كرد و به پيشرفت در زمينه هاي مختلف يادگيري ، از جمله فيزيك ادامه داد. [17]

در قرن ششم ، ايزيدور مايلتوس مجموعه مهمي از آثار ارشميدس را كه در Archimedes Palimpsest كپي شده است ، ايجاد كرد.

در قرن ششم اروپا جان فيلوپونوس ، يك دانشمند بيزانسي ، تعاليم فيزيك ارسطو را زير سال برد و اشكالات آن را متذكر شد. وي نظريه انگيزه را مطرح كرد. تا زمان ظهور فيلوپونوس ، فيزيك ارسطو مورد موشكافي قرار نگرفت. بر خلاف ارسطو ، كه فيزيك خود را بر اساس استدلال كلامي بنا نهاد ، فيلوپونوس به مشاهده متكي بود. درباره فيزيك ارسطو ، فيلوپونوس نوشت:

    اما اين كاملاً اشتباه است و ديدگاه ما ممكن است با مشاهده واقعي م moreثرتر از هر نوع بحث لفظي تأييد شود. اگر بگذاريد از همان ارتفاع دو وزنه كه يكي از آنها چندين برابر وزن ديگر است سقوط كنيد ، مي بينيد كه نسبت زمان هاي مورد نياز براي حركت به نسبت وزنها بستگي ندارد ، بلكه تفاوت آنها در زمان بسيار كوچك است. و بنابراين ، اگر تفاوت وزنها قابل توجه نباشد ، يعني يكي از اينها ، بگذاريد بگوييم دو برابر ديگر ، هيچ تفاوتي وجود نخواهد داشت ، وگرنه يك تفاوت نامحسوس ، در زمان وجود خواهد داشت ، اگرچه تفاوت وزن با به هيچ وجه قابل اغماض نيست ، وزن يك بدن دو برابر بدن ديگر است [18]

انتقاد فيلوپونوس از اصول فيزيك ارسطويي ده سال بعد ، [19] در طول انقلاب علمي ، الهام بخشي براي گاليله گاليله بود. گاليله وقتي استدلال مي كرد كه فيزيك ارسطويي داراي نقص است ، در آثار خود به طور اساسي فيلوپونوس را ذكر كرد. [20] [21] در دهه 1300 ژان بوريدان ، معلم دانشكده هنر در دانشگاه پاريس ، مفهوم انگيزه را توسعه داد. اين گامي به سوي ايده هاي مدرن اينرسي و حركت بود. [22]

بورس اسلامي فيزيك ارسطويي را از يونانيان به ارث برده و در دوران طلاي اسلامي آن را بيشتر توسعه داد ، به ويژه با تأكيد بر مشاهده و استدلال پيشيني ، و شكل هاي اوليه روش علمي را توسعه داد.

مهمترين نوآوريها در زمينه بينايي و بينايي بود كه از آثار بسياري از دانشمندان مانند ابن سهل ، الكندي ، ابن الحيثم ، الفاريسي و ابن سينا حاصل مي شد. برجسته ترين اثر كتاب بينايي (كه به آن كتاب المنير نيز گفته مي شود) ، نوشته ابن الحيثم بود ، كه در آن او به طور قاطع ايده يونان باستان در مورد بينايي را رد كرد ، اما همچنين به نظريه جديدي نيز رسيد. وي در اين كتاب ، مطالعه اي درباره پديده camera obscura (نسخه هزار ساله او از دوربين سوراخ سوراخ) را ارائه داد و بيشتر به نحوه كار خود چشم پرداخت. وي با استفاده از تشريح و دانش دانشمندان قبلي ، توانست توضيح دهد كه چگونه نور به چشم وارد مي شود. او ادعا كرد كه پرتو نور متمركز است ، اما توضيح واقعي چگونگي تابش نور به پشت چشم بايد تا سال 1604 منتظر بماند. رساله او درباره نور ، تاريكي دوربين را صدها سال قبل از پيشرفت مدرن عكاسي توضيح داد. [23] ]
نقاشي ابن الحيثم (الحازن)
ابن الحيثم (حدود 965 – حدود 1040) ، كتاب اپتيك كتاب اول ، [6.85] ، [6.86]. كتاب دوم ، [3.80] آزمايشات تاريكي دوربين وي را شرح مي دهد. [24]

كتاب بينايي و هفت جلدي (كتاب المناطير) بيش از 600 سال بر تفكر در رشته هاي مختلف از نظريه ادراك بصري تا ماهيت چشم انداز در هنر قرون وسطايي ، هم در شرق و هم در غرب تأثير زيادي گذاشت. بسياري از محققان اروپايي و هم رديفان ديگر ، از رابرت گروستسته و لئوناردو داوينچي گرفته تا رنه دكارت ، يوهانس كپلر و آيزاك نيوتون ، بدهكار وي بودند. در واقع ، تأثير اپتيك هاي ابن هيثم در كنار همان اثر نيوتن با همين عنوان ، كه 700 سال بعد منتشر شد ، قرار دارد.

ترجمه كتاب بينايي تأثير زيادي در اروپا داشت. از آن ، بعداً دانشمندان اروپايي توانستند دستگاههايي بسازند كه همان مواردي را كه ابن الحيثام ساخته بود تكرار كنند و نحوه كار نور را درك كنند. از اين رو موارد مهمي مانند عينك ، ذره بين ، تلسكوپ و دوربين توليد شد.
فيزيك كلاسيك

هنگامي كه اروپاييان اوليه مدرن از روشهاي كمي و تجربي براي كشف آنچه كه امروزه به عنوان قوانين فيزيك در نظر گرفته شده است ، فيزيك به يك علم جداگانه تبديل شد. [25]

تحولات عمده در اين دوره شامل جايگزيني مدل ژئوسنتريك منظومه شمسي با مدل heliocentric Copernican ، قوانين حاكم بر حركت اجرام سياره اي است كه توسط يوهانس كپلر بين سالهاي 1609 و 1619 تعيين شده است ، كار پيشگامانه تلسكوپ ها و نجوم رصدي توسط گاليله گاليله در قرن هاي شانزدهم و هفدهم و كشف و يكسان سازي قوانين حركت و جاذبه جهاني توسط آيزاك نيوتن كه نام او را بر دوش مي كشد. [26] نيوتن همچنين حساب ايجاد كرد ، [d] مطالعه رياضي تغيير ، كه روشهاي جديد رياضي را براي حل مسائل فيزيكي فراهم مي كرد. [27]

كشف قوانين جديد در ترموديناميك ، شيمي و مغناطيسي الكترومغناطيسي ناشي از تلاش هاي بيشتر تحقيقات در طول انقلاب صنعتي با افزايش نيازهاي انرژي بود. [28] قوانين متشكل از فيزيك كلاسيك براي اشيا on در مقياس هاي روزمره كه با سرعت غير نسبي حركت مي كنند بسيار مورد استفاده قرار مي گيرد ، زيرا در چنين شرايطي يك تقريب نزديك دارند و نظريه هايي مانند مكانيك كوانتوم و تئوري نسبيت در معادلات كلاسيك آنها ساده مي شوند مقياس با اين حال ، عدم دقت در مكانيك كلاسيك براي اجسام بسيار كوچك و سرعت بسيار بالا باعث پيشرفت فيزيك مدرن در قرن بيستم شد.
فيزيك مدرن

فيزيك مدرن در اوايل قرن 20 با كار ماكس پلانك در تئوري كوانتوم و نظريه نسبيت آلبرت انيشتين آغاز شد. هر دو اين نظريه ها به دليل عدم دقت در مكانيك كلاسيك در شرايط خاص بوجود آمده اند. مكانيك كلاسيك سرعت متغير نور را پيش بيني مي كند ، كه با سرعت ثابت پيش بيني شده توسط معادلات الكترومغناطيس ماكسول قابل حل نيست. اين اختلاف با نظريه نسبيت ويژه انيشتين ، كه مكانيك كلاسيك را براي اجسام داراي حركت سريع جايگزين مي كند و سرعت ثابت نور را مجاز مي سازد ، اصلاح شد. [29] تابش جسم سياه مشكل ديگري را براي فيزيك كلاسيك ايجاد كرد ، كه وقتي پلانك پيشنهاد كرد كه تحريك نوسانگرهاي ماده فقط در مراحل گسسته متناسب با فركانس آنها امكان پذير است ، اين مشكل اصلاح شد. اين ، همراه با اثر فوتوالكتريك و يك نظريه كامل پيش بيني سطح انرژي گسسته اوربيتال هاي الكتروني ، منجر به اين شد كه تئوري مكانيك كوانتوم از مقياس هاي بسيار كوچك از فيزيك كلاسيك استفاده كند. [30]

مكانيك كوانتوم توسط ورنر هايزنبرگ ، اروين شرودينگر و پل ديراك پيشگام مي شود. [30] از اين كارهاي اوليه و كار در زمينه هاي مرتبط ، الگوي استاندارد فيزيك ذرات بدست آمد. [31] به دنبال كشف ذره اي با خواص سازگار با بوزون هيگز در CERN در سال 2012 ، [32] به نظر مي رسد تمام ذرات بنيادي پيش بيني شده توسط مدل استاندارد ، و هيچ ماده ديگري وجود ندارد. با اين حال ، فيزيك فراتر از مدل استاندارد ، با نظريه هايي مانند فوق تقارن ، يك زمينه فعال تحقيق است. [33] زمينه هاي رياضيات به طور كلي براي اين رشته از جمله مطالعه احتمالات و گروه ها مهم است.
فلسفه

از بسياري جهات ، فيزيك از فلسفه يونان باستان ناشي مي شود. از اولين تلاش تالس براي توصيف ماده ، تا استنتاج دموكريتوس كه اين ماده بايد به يك وضعيت ثابت تبديل شود ، نجوم بطلميوسي يك مكان بلورين و كتاب ارسطو فيزيك (يك كتاب اوليه در مورد فيزيك ، كه سعي در تحليل و تعريف حركت از از نظر فلسفي) ، فلاسفه مختلف يوناني نظريه هاي خود را در مورد طبيعت ارائه دادند. فيزيك تا اواخر قرن هجدهم به عنوان فلسفه طبيعي شناخته مي شد. [e]

در قرن نوزدهم ، فيزيك به عنوان يك رشته متمايز از فلسفه و ساير علوم تحقق يافت. فيزيك ، مانند ساير علوم ، براي پيشرفت دانش ما از جهان فيزيك ، به فلسفه علم و "روش علمي" آن متكي است. [35] روش علمي از استدلال پيشيني و همچنين استدلال پسيني و استفاده از استنباط بيزي براي اندازه گيري اعتبار نظريه معين استفاده مي كند. [36]

پيشرفت فيزيك به بسياري از س ofالات فلاسفه اوليه پاسخ داده است ، اما س questionsالات جديدي را نيز به وجود آورده است. مطالعه مباحث فلسفي پيرامون فيزيك ، فلسفه فيزيك ، شامل مسائلي مانند ماهيت مكان و زمان ، جبرگرايي و چشم اندازهاي متافيزيكي مانند تجربه گرايي ، طبيعت گرايي و واقع گرايي است. [37]

بسياري از فيزيكدانان درباره پيامدهاي فلسفي كار خود ، مثلاً لاپلاس ، كه طرفدار جبرگرايي علي بود ، [38] و اروين شرودينگر ، كه درباره مكانيك كوانتوم نوشتند ، مطالبي را نوشتند. [39] [40] راجر پنروز ، فيزيكدان رياضي ، توسط استيون هاوكينگ افلاطوني خوانده شد [41] ، ديدگاهي كه پنروز در كتاب خود به نام "راه رسيدن به واقعيت" مورد بحث قرار مي دهد. [42] هاوكينگ از خود به عنوان "تقليل گراي بدون شرم" ياد مي كرد و نظرات پنروز را زير سوال مي برد. [43]
نظريه هاي اصلي

اگرچه فيزيك با طيف گسترده اي از سيستم ها سروكار دارد ، اما نظريه هاي خاصي توسط همه فيزيكدانان استفاده مي شود. هر يك از اين نظريه ها بارها مورد آزمايش قرار گرفتند و مشخص شد كه تقريب كافي از طبيعت است. به عنوان مثال ، تئوري مكانيك كلاسيك به طور دقيق حركت اجسام را توصيف مي كند ، به شرطي كه آنها بسيار بزرگتر از اتم ها باشند و با سرعت بسيار كمتري از سرعت نور حركت كنند. اين نظريه ها امروزه همچنان حوزه تحقيق فعال هستند. نظريه هرج و مرج ، جنبه قابل توجهي از مكانيك كلاسيك در قرن بيستم ، سه قرن پس از فرمول بندي اصلي مكانيك كلاسيك توسط آيزاك نيوتن (1642-1727) كشف شد.

اين نظريه هاي اصلي ابزار مهمي براي تحقيق در موضوعات تخصصي تر هستند و انتظار مي رود كه هر فيزيكدان فارغ از تخصص ، در آنها سواد داشته باشد. اينها شامل مكانيك كلاسيك ، مكانيك كوانتوم ، ترموديناميك و مكانيك آماري ، الكترومغناطيس و نسبيت خاص است.
فيزيك كلاسيك
مقاله اصلي: فيزيك كلاسيك

فيزيك كلاسيك شامل شاخه ها و موضوعات سنتي است كه قبل از آغاز قرن بيستم شناخته و توسعه يافته بودند - مكانيك كلاسيك ، آكوستيك ، اپتيك ، ترموديناميك و الكترومغناطيس. مكانيك كلاسيك مربوط به اجسامي است كه توسط نيروها و اجسام در حال حركت بر روي آنها اعمال مي شود و ممكن است به استاتيك (مطالعه نيروهاي روي يك بدن يا اجسامي كه تحت شتاب نيستند) ، سينماتيك (مطالعه حركت بدون توجه به علل آن) و پويايي (مطالعه حركت و نيروهاي م itثر بر آن) ؛ مكانيك همچنين ممكن است به مكانيك جامد و مكانيك سيالات تقسيم شود (كه به عنوان مكانيك پيوستار شناخته مي شوند) ، اين شاخه هاي ديگر شامل شاخه هايي مانند هيدرواستاتيك ، هيدروديناميك ، آيروديناميك و پنوماتيك است. آكوستيك مطالعه نحوه توليد ، كنترل ، انتقال و دريافت صدا است. [44] شاخه هاي مهم مدرن صوتي شامل سونوگرافي ، مطالعه امواج صوتي با فركانس بسيار بالا فراتر از محدوده شنوايي انسان است. آكوستيك زيستي ، فيزيك تماس و شنيدن حيوانات ، [45] و الكتروآكوستيك ، دستكاري امواج صوتي قابل شنيدن با استفاده از الكترونيك. [46]

اپتيك ، مطالعه نور ، نه تنها مربوط به نور مرئي بلكه اشعه مادون قرمز و ماوراlet بنفش است كه تمام پديده هاي نور مرئي را به غير از ديد ، مانند بازتاب ، شكست ، تداخل ، پراش ، پراكندگي و قطبش نور از خود نشان مي دهد. . گرما نوعي انرژي است ، انرژي دروني كه ذرات آن ماده تشكيل مي دهد. ترموديناميك با روابط بين گرما و ساير اشكال انرژي سروكار دارد. از زمان كشف ارتباط صميمانه بين آنها در اوايل قرن نوزدهم ، الكتريسيته و مغناطيس مورد مطالعه قرار گرفته است. يك جريان الكتريكي باعث ايجاد يك ميدان مغناطيسي مي شود و يك ميدان مغناطيسي متغير باعث القاي جريان الكتريكي مي شود. الكترواستاتيك با بارهاي الكتريكي در حالت استراحت ، الكتروديناميك با بارهاي متحرك و مغناطيسي با قطب هاي مغناطيسي در حالت استراحت سروكار دارد.
فيزيك مدرن

فيزيك كلاسيك عموماً در مقياس طبيعي مشاهده به ماده و انرژي مربوط مي شود ، در حالي كه بيشتر فيزيك مدرن مربوط به رفتار ماده و انرژي در شرايط شديد يا در مقياس بسيار بزرگ يا بسيار كوچك است. به عنوان مثال ، فيزيك اتمي و هسته اي در كوچكترين مقياسي كه مي توان عناصر شيميايي را در آن شناسايي كرد ، مطالعه مي كند. فيزيك ذرات بنيادي در مقياس كوچكتر است زيرا مربوط به اساسي ترين واحدهاي ماده است. اين شاخه از فيزيك به دليل داشتن انرژي بسيار زياد لازم براي توليد انواع مختلف ذرات در شتاب دهنده هاي ذرات ، به عنوان فيزيك پرانرژي نيز شناخته مي شود. در اين مقياس ، تصورات عادي و متعارف از فضا ، زمان ، ماده و انرژي ديگر معتبر نيستند. [47]

دو نظريه اصلي فيزيك مدرن تصويري متفاوت از مفاهيم فضا ، زمان و ماده با آنچه در فيزيك كلاسيك ارائه شده ارائه مي دهند. مكانيك كلاسيك طبيعت را به صورت پيوسته تقريب مي زند ، در حالي كه نظريه كوانتوم مربوط به ماهيت گسسته بسياري از پديده ها در سطح اتمي و زير اتمي و جنبه هاي مكمل ذرات و امواج در توصيف چنين پديده هايي است. نظريه نسبيت مربوط به توصيف پديده هايي است كه در چارچوب مرجعي اتفاق مي افتد كه نسبت به يك ناظر در حركت است. نظريه خاص نسبيت مربوط به حركت در غياب ميدان هاي گرانشي و نظريه عمومي نسبيت با حركت و ارتباط آن با گرانش است. نظريه كوانتوم و نظريه نسبيت در همه زمينه هاي فيزيك مدرن كاربردهايي دارند. [48]