فیزیک

فیزیک علم پایه است. تا سال‌ها پیش، فیزیک و فلسفه طبیعی به جای هم برای علمی استفاده می‌شدند که هدف آن کشف و تدوین قوانین اساسی طبیعت بود. همانطور که علوم مدرن توسعه یافتند و به طور فزاینده‌ای تخصصی شدند، فیزیک به آن بخشی از علوم فیزیکی اشاره می‌کند که شامل نجوم، شیمی، زمین شناسی و مهندسی نمی‌شوند. فیزیک در همه علوم طبیعی نقش  دارد، اما همه این رشته‌ها دارای شاخه‌هایی هستند که قوانین و اندازه‌گیری‌های فیزیکی در آن‌ها نقش اساسی را دارند و نام‌هایی مانند اخترفیزیک، ژئوفیزیک، بیوفیزیک و حتی روان‌فیزیک دارند. فیزیک را می‌توان در پایه به عنوان علم ماده، حرکت و انرژی تعریف کرد. قوانین فیزیک به طور معمول با زبان ریاضیات بیان می‌شوند.

 

فیزیک علم طبیعی ماده است که شامل مطالعه ماده، اجزای اساسی آن، حرکت و رفتار آن در فضا و زمان، و موجودات مربوط به انرژی و نیرو است. فیزیک یکی از اساسی ترین رشته‌های علمی است که هدف اصلی آن درک چگونگی رفتار جهان است. دانشمندی که در زمینه فیزیک متخصص باشد، فیزیکدان نامیده می‌شود.

فیزیک یکی از قدیمی‌ترین رشته‌های دانشگاهی است و به واسطه وابستگی به نجوم، شاید قدیمی‌ترین رشته باشد. در دو هزار سال گذشته، فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و شاخه‌های خاصی از ریاضیات بخشی از فلسفه طبیعی بودند، اما در طول انقلاب علمی در قرن هفدهم، این علوم طبیعی به‌عنوان تلاش‌های تحقیقاتی منحصربه‌فرد ظاهر شدند. فیزیک با بسیاری از حوزه‌های تحقیقاتی میان‌رشته‌ای، مانند بیوفیزیک و شیمی کوانتومی، تلاقی دارد، و مرزهای فیزیک به طور دقیق مشخص نیستند. ایده‌های جدید در فیزیک اغلب مکانیسم‌های بنیادی مورد مطالعه سایر علوم را توضیح می‌دهند و راه‌های جدیدی برای تحقیق در این رشته‌ها و سایر رشته‌های دانشگاهی مانند ریاضیات و فلسفه پیشنهاد می‌کنند.

 

پیشرفت‌های فیزیک اغلب فناوری‌های جدید را ممکن می‌سازد. به عنوان مثال، پیشرفت در درک الکترومغناطیس، فیزیک حالت جامد، و فیزیک هسته‌ای مستقیماً به توسعه محصولات جدیدی منجر شد که جامعه امروزی را به طرز چشمگیری متحول کرده است، مانند تلویزیون، رایانه، لوازم خانگی و سلاح‌های هسته‌ای. پیشرفت در ترمودینامیک منجر به توسعه صنعتی شد. و پیشرفت در مکانیک باعث توسعه حساب دیفرانسیل و انتگرال شد. کلمه فیزیک از لاتین physica (مطالعه طبیعت) گرفته شده است، که خود وام گرفته شده از یونانی φυσική  phusikḗ علم طبیعی اصطلاحی مشتق شده از φύσις phúsis منشاء، طبیعت است.

 

نجوم

نجوم مصر باستان در بناهایی مانند سقف مقبره Senemut از سلسله هجدهم مصر مشهود است. نجوم یکی از قدیمی ترین علوم طبیعی است. تمدن‌های اولیه که قدمت آنها به 3000 سال قبل از میلاد می‌رسد، مانند سومری‌ها، مصریان باستان، و تمدن دره سند، دانش پیشگویی و آگاهی اولیه از حرکات خورشید، ماه و ستارگان داشتند. ستارگان و سیارات، که اعتقاد بر این است که نشان دهنده خدایان هستند، اغلب مورد پرستش قرار می‌گرفتند. در حالی که توضیحات مربوط به موقعیت‌های مشاهده شده ستارگان اغلب غیرعلمی و فاقد شواهد بود، این مشاهدات اولیه پایه و اساس نجوم بعدی را ایجاد کرد، زیرا ستاره‌ها در دایره‌های بزرگی در سراسر آسمان می‌پیمایند، که نمی‌تواند موقعیت‌ها را توضیح دهد. از سیارات.

به گفته Asger Aaboe، خاستگاه نجوم غربی را می‌توان در بین النهرین یافت و تمام تلاش‌های غرب در علوم دقیق از نجوم بابلی متأخر نشأت می‌گیرد. اخترشناسان مصری یادبودهایی از خود بر جای گذاشتند که نشان دهنده آگاهی از صورت‌های فلکی و حرکات اجرام آسمانی بود، در حالی که هومر شاعر یونانی در ایلیاد و ادیسه‌اش درباره اجرام آسمانی مختلف نوشت. اخترشناسان یونانی بعدی نام‌هایی را ارائه کردند که امروزه هنوز برای اکثر صورت‌های فلکی قابل مشاهده از نیمکره شمالی استفاده می‌شود.

 

ریشه فلسفه طبیعی در یونان در دوره باستانی (650 قبل از میلاد تا 480 ق. م) برمی‌گردد، زمانی که فیلسوفان پیش از سقراط مانند تالس تبیین‌های غیر طبیعی برای پدیده‌های طبیعی را رد کردند و اعلام کردند که هر رویدادی یک علت طبیعی دارد. آن‌ها ایده‌هایی را پیشنهاد کردند که با دلیل و مشاهده تأیید می‌شدند، و بسیاری از فرضیه‌های آنها در آزمایش موفق بودند. به عنوان مثال، اتمیسم تقریباً 2000 سال پس از ارائه آن توسط لوسیپوس و شاگردش دموکریتوس، درست است.

امپراتوری روم غربی در قرن پنجم سقوط کرد و این منجر به کاهش فعالیت‌های فکری در بخش غربی اروپا شد. در مقابل، امپراتوری روم شرقی (همچنین به عنوان امپراتوری بیزانس شناخته می‌شود ) در برابر حملات بربرها مقاومت کرد و به پیشرفت در زمینه‌های مختلف یادگیری از جمله فیزیک ادامه داد.

 

در قرن ششم، ایزیدور از میلتوس مجموعه مهمی از آثار ارشمیدس را ایجاد کرد که در پالیمپسست ارشمیدس کپی شده است. ابن هیثم (حدود  965  – حدود  1040) در مورد آزمایشات مبهم دوربین خود در کتاب اپتیک نوشت. در قرن ششم اروپا، جان فیلوپونوس، محقق بیزانسی، آموزه فیزیک ارسطو را زیر سوال برد و به اشکالات آن اشاره کرد. او نظریه انگیزه را معرفی کرد. فیزیک ارسطو تا زمان ظهور فیلوپونوس مورد بررسی قرار نگرفت. بر خلاف ارسطو که فیزیک خود را بر استدلال کلامی استوار کرد، فیلوپونوس بر مشاهده تکیه کرد. فیلوپونوس درباره فیزیک ارسطو نوشت: اما این کاملاً اشتباه است و دیدگاه ما ممکن است با مشاهده واقعی به طور مؤثرتر از هر نوع استدلال کلامی تأیید شود. زیرا اگر دو وزنه را که یکی از آنها چند برابر وزن دیگری است از یک ارتفاع به زمین بیفتید، خواهید دید که نسبت زمان‌های لازم برای حرکت به نسبت وزن‌ها بستگی ندارد، بلکه تفاوت در زمان بسیار کوچک است. و بنابراین، اگر اختلاف اوزان زیاد نباشد، یعنی یکی دوبرابر دیگری باشد، اختلاف زمانی وجود نخواهد داشت، یا اختلاف نامحسوسی در زمان وجود دارد، هر چند اختلاف وزن به نسبت به هیچ وجه قابل چشم پوشی نیست، با وزن یک بدن دو برابر بدن دیگر. دانش اسلامی فیزیک ارسطویی را از یونانیان به ارث برد و در دوران طلایی اسلامی آن را بیشتر توسعه داد، به ویژه با تأکید بر مشاهده و استدلال پیشینی، اشکال اولیه روش علمی را توسعه داد.

 

اگرچه اصول فیزیک ارسطو مورد انتقاد قرار گرفت، مهم است که شواهدی را شناسایی کنیم که او دیدگاه‌های خود را بر اساس آن‌ها قرار داده است. هنگامی که به تاریخ علم و ریاضی فکر می‌کنیم، قدردانی از کمک‌های دانشمندان قدیمی تر قابل توجه است. علم ارسطو ستون فقرات علمی بود که امروزه در مدارس تدریس می‌شود. ارسطو بسیاری از آثار بیولوژیکی از جمله قسمت‌های حیوانات را منتشر کرد که در آنها هم علم زیست شناسی و هم علوم طبیعی را مورد بحث قرار می‌دهد. همچنین ذکر نقش ارسطو در پیشرفت فیزیک و متافیزیک و اینکه چگونه عقاید و یافته‌های او هنوز در کلاس‌های علوم امروزی تدریس می‌شود، ضروری است. توضیحاتی که ارسطو برای یافته‌های خود می‌دهد نیز ساده است. ارسطو هنگام اندیشیدن به عناصر معتقد بود که هر عنصر (زمین، آتش، آب، هوا) مکان طبیعی خود را دارد. به این معنی که به دلیل تراکم این عناصر، آنها به مکان خاص خود در جو باز می‌گردند. بنابراین، به دلیل وزن آنها، آتش در بالا، هوا در زیر آتش، سپس آب و در آخر خاک. وی همچنین بیان کرد که وقتی مقدار کمی از یک عنصر وارد مکان طبیعی عنصر دیگر می‌شود، عنصر کمتر به طور خودکار به مکان طبیعی خود می‌رود. به عنوان مثال، اگر روی زمین آتشی وجود داشته باشد، اگر دقت کنید، شعله‌های آتش به هوا می‌رود تا تلاشی برای بازگشت به مکان طبیعی خود که به آن تعلق دارد. ارسطو متافیزیک خود را «فلسفه اول» نامید و آن را مطالعه «هستی به مثابه هستی» توصیف کرد. ارسطو پارادایم حرکت را به عنوان یک موجود یا موجودی که نواحی مختلف را در یک جسم در بر می‌گیرد تعریف کرد. به این معنی که اگر شخصی در یک مکان (A) باشد، می‌تواند به مکان جدید (B) نقل مکان کند و همچنان همان مقدار فضا را اشغال کند. این با اعتقاد ارسطو که حرکت یک پیوستار است درگیر است. ارسطو از نظر ماده معتقد بود که تغییر مقوله (مثلاً مکان) و کیفیت (مثلاً رنگ) یک شی به عنوان «تغییر» تعریف می‌شود. اما، تغییر در جوهر، تغییر در ماده است. این نیز شبیه تصور ماده امروزی است.

 

او همچنین قوانین حرکت خود را ابداع کرد که شامل 1) اجسام سنگین‌تر سریع‌تر سقوط می‌کنند، سرعت آن متناسب با وزن است و 2) سرعت جسمی که در حال سقوط است به طور معکوس به چگالی جسمی که در حال سقوط است بستگی دارد (مثلاً چگالی هوا). او همچنین اظهار داشت که وقتی صحبت از حرکت شدید (حرکت یک جسم زمانی که نیرویی توسط جسم دوم به آن وارد می‌شود) به میان می‌آید، سرعت حرکت جسم تنها به اندازه‌ی اندازه‌گیری نیرو سریع یا قوی خواهد بود. به آن اعمال شود. این امر در قوانین سرعت و نیرو که امروزه در کلاس‌های فیزیک تدریس می‌شود نیز دیده می‌شود. این قوانین لزوماً آن چیزی نیستند که امروزه در فیزیک توصیف می‌شود، اما اکثراً مشابه هستند. بدیهی است که این قوانین ستون فقرات دانشمندان دیگر برای تجدید نظر و ویرایش عقاید او بود.

شاخه‌های فیزیک و طرح کلی فیزیک

فیزیک با طیف گسترده‌ای از سیستم‌ها سر و کار دارد، اگرچه تئوری‌های خاصی توسط همه فیزیکدانان استفاده می‌شود. هر یک از این نظریه‌ها بارها به صورت تجربی مورد آزمایش قرار گرفت و مشخص شد که تقریب مناسبی از طبیعت است. به عنوان مثال، تئوری مکانیک کلاسیک به طور دقیق حرکت اجسام را توصیف می‌کند، مشروط بر اینکه آنها بسیار بزرگتر از اتم باشند و با سرعتی بسیار کمتر از سرعت نور حرکت کنند. این نظریه‌ها امروزه همچنان حوزه‌های تحقیقاتی فعال هستند. نظریه آشوب، جنبه‌ای از مکانیک کلاسیک، در قرن بیستم، سه قرن پس از فرمول بندی اولیه مکانیک کلاسیک توسط نیوتن (1642-1727) کشف شد.

 

این نظریه‌های مرکزی ابزار مهمی برای تحقیق در موضوعات تخصصی تر هستند و از هر فیزیکدانی صرف نظر از تخصص خود انتظار می‌رود در آنها سواد داشته باشد. اینها شامل مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتومی، ترمودینامیک و مکانیک آماری، الکترومغناطیس و نسبیت خاص است.

فیزیک کلاسیک

فیزیک کلاسیک شامل شاخه‌ها و موضوعات سنتی است که قبل از آغاز قرن بیستم شناخته شده و به خوبی توسعه یافته بودند – مکانیک کلاسیک، آکوستیک، اپتیک، ترمودینامیک، و الکترومغناطیس. مکانیک کلاسیک مربوط به اجسامی است که توسط نیروها و اجسام در حال حرکت بر روی آنها وارد می‌شود و ممکن است به استاتیک (مطالعه نیروهای وارد بر جسم یا اجسامی که در معرض شتاب نیستند)، سینماتیک (مطالعه حرکت بدون توجه به علل آن) و دینامیک (مطالعه حرکت و نیروهای مؤثر بر آن)؛ مکانیک را می‌توان به مکانیک جامدات و مکانیک سیالات (که با هم به عنوان مکانیک پیوسته شناخته می‌شوند) تقسیم کرد که این دومی شامل شاخه‌هایی مانند هیدرواستاتیک، هیدرودینامیک، آیرودینامیک و پنوماتیک است. آکوستیک مطالعه چگونگی تولید، کنترل، انتقال و دریافت صدا است. شاخه‌های مهم مدرن آکوستیک شامل اولتراسونیک، مطالعه امواج صوتی با فرکانس بسیار بالا فراتر از محدوده شنوایی انسان است. آکوستیک زیستی، فیزیک صداها و شنوایی حیوانات، و الکتروآکوستیک، دستکاری امواج صوتی قابل شنیدن با استفاده از الکترونیک

اپتیک نه تنها به نور مرئی بلکه به تابش مادون قرمز و فرابنفش نیز می‌پردازد، که همه پدیده‌های نور مرئی را نشان می‌دهد به جز دید، مانند بازتاب، شکست، تداخل، پراش، پراکندگی و قطبش نور. . گرما شکلی از انرژی است، انرژی درونی که ذرات آن از یک ماده تشکیل شده است. ترمودینامیک به روابط بین گرما و سایر اشکال انرژی می‌پردازد. الکتریسیته و مغناطیس از زمانی که ارتباط نزدیک بین آنها در اوایل قرن نوزدهم کشف شد، به عنوان یک شاخه واحد از فیزیک مورد مطالعه قرار گرفته است. یک جریان الکتریکی باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی می‌شود و یک میدان مغناطیسی در حال تغییر باعث القای جریان الکتریکی می‌شود. الکترواستاتیک با بارهای الکتریکی در حالت سکون، الکترودینامیک با بارهای متحرک و مغناطیس استاتیک با قطب‌های مغناطیسی در حالت سکون سروکار دارد.

فیزیک کلاسیک به طور کلی به ماده و انرژی در مقیاس معمولی مشاهده می‌پردازد، در حالی که بیشتر فیزیک مدرن با رفتار ماده و انرژی در شرایط شدید یا در مقیاس بسیار بزرگ یا بسیار کوچک سروکار دارد. به عنوان مثال، فیزیک اتمی و هسته‌ای مواد را در کوچکترین مقیاسی که بتوان عناصر شیمیایی را در آن شناسایی کرد، مطالعه می‌کند. فیزیک ذرات بنیادی در مقیاس کوچکتر است زیرا با اساسی ترین واحدهای ماده مرتبط است. این شاخه از فیزیک به دلیل انرژی بسیار بالایی که برای تولید بسیاری از ذرات در شتاب دهنده‌های ذرات ضروری است به فیزیک پرانرژی نیز معروف است. در این مقیاس، مفاهیم عادی و عقلانی مشترک فضا، زمان، ماده و انرژی دیگر معتبر نیستند.

دو نظریه اصلی فیزیک مدرن تصویری متفاوت از مفاهیم فضا، زمان و ماده ارائه می‌دهند که توسط فیزیک کلاسیک ارائه شده است. مکانیک کلاسیک طبیعت را به صورت پیوسته تقریب می‌زند، در حالی که نظریه کوانتومی به طبیعت گسسته بسیاری از پدیده‌ها در سطح اتمی و زیراتمی و جنبه‌های مکمل ذرات و امواج در توصیف چنین پدیده‌هایی می‌پردازد. نظریه نسبیت به توصیف پدیده‌هایی می‌پردازد که در چارچوب مرجعی که نسبت به ناظر در حال حرکت است رخ می‌دهد. نظریه نسبیت خاص به حرکت در غیاب میدان گرانشی و نظریه نسبیت عام با حرکت و ارتباط آن با گرانش مربوط می‌شود. هم نظریه کوانتومی و هم نظریه نسبیت در بسیاری از زمینه‌های فیزیک مدرن کاربرد دارند.

 

حوزه‌های اساسی فیزیک

در حالی که هدف فیزیک کشف قوانین جهانی است، نظریه‌های آن در حوزه‌های صریح کاربرد نهفته هستند. به زبان ساده، قوانین فیزیک کلاسیک به طور دقیق سیستم‌هایی را توصیف می‌کنند که مقیاس‌های طول مهم آن‌ها بزرگ‌تر از مقیاس اتمی است و حرکات آن‌ها بسیار کندتر از سرعت نور است. خارج از این حوزه، مشاهدات با پیش بینی‌های ارائه شده توسط مکانیک کلاسیک مطابقت ندارند. اینشتین چارچوب نسبیت خاص را ارائه کرد، که مفاهیم زمان و مکان مطلق را با فضازمان جایگزین کرد و امکان توصیف دقیق سیستم‌هایی را که اجزای آن‌ها سرعتی نزدیک به سرعت نور دارند را فراهم کرد. پلانک، شرودینگر و دیگران مکانیک کوانتومی را معرفی کردند، مفهومی احتمالی از ذرات و برهمکنش‌ها که امکان توصیف دقیق مقیاس‌های اتمی و زیراتمی را فراهم می‌کرد. بعدها، نظریه میدان کوانتومی مکانیک کوانتومی و نسبیت خاص را متحد کرد. نسبیت عام امکان ایجاد یک فضازمان منحنی پویا را فراهم می‌کند که با آن می‌توان سیستم‌های بسیار پرجرم و ساختار مقیاس بزرگ جهان را به خوبی توصیف کرد. نسبیت عام هنوز با سایر توصیفات بنیادی یکی نشده است. چندین نظریه نامزد گرانش کوانتومی در حال توسعه هستند.

 

ارتباط با سایر رشته‌ها ریاضیات زبان فشرده و دقیقی را ارائه می‌دهد که برای توصیف نظم در طبیعت استفاده می‌شود. فیثاغورث، افلاطون، گالیله و نیوتن به این نکته توجه و حمایت کردند. برخی از نظریه پردازان، مانند هیلاری پاتنم و پنه لوپه مدی، معتقدند که حقایق منطقی، و بنابراین استدلال ریاضی، به دنیای تجربی بستگی دارد. این معمولاً با این ادعا ترکیب می‌شود که قوانین منطق، نظم‌های جهانی موجود در ویژگی‌های ساختاری جهان را بیان می‌کنند، که ممکن است رابطه عجیب بین این حوزه‌ها را توضیح دهد.

فیزیک از ریاضیات برای سازماندهی و فرمول بندی نتایج تجربی استفاده می‌کند. از این نتایج، راه‌حل‌های دقیق یا تخمینی یا نتایج کمی به دست می‌آیند که می‌توان از آن‌ها پیش‌بینی‌های جدیدی انجام داد و به‌طور تجربی تأیید یا نفی کرد. نتایج آزمایش‌های فیزیک، داده‌های عددی، با واحدهای اندازه‌گیری و تخمین‌های خطاهای اندازه‌گیری هستند. فن آوری‌های مبتنی بر ریاضیات، مانند محاسبات، فیزیک محاسباتی را به یک حوزه فعال تحقیقاتی تبدیل کرده است.

هستی شناسی پیش نیاز فیزیک است، اما برای ریاضیات نه. این بدان معناست که فیزیک در نهایت به توصیف دنیای واقعی می‌پردازد، در حالی که ریاضیات با الگوهای انتزاعی، حتی فراتر از دنیای واقعی، سروکار دارد. بنابراین گزاره‌های فیزیک ترکیبی هستند، در حالی که گزاره‌های ریاضی تحلیلی هستند. ریاضیات حاوی فرضیه‌ها است، در حالی که فیزیک حاوی نظریه‌ها است. گزاره‌های ریاضی باید فقط از نظر منطقی درست باشند، در حالی که پیش بینی گزاره‌های فیزیک باید با داده‌های مشاهده شده و تجربی مطابقت داشته باشد.

 

تمایز همیشه واضح نیست. مثلاً فیزیک ریاضی کاربرد ریاضیات در فیزیک است. روش‌های آن ریاضی است، اما موضوع آن فیزیکی است. مشکلات در این زمینه با یک ” مدل ریاضی یک وضعیت فیزیکی ” (سیستم) و “توضیح ریاضی یک قانون فیزیکی” شروع می‌شود که در آن سیستم اعمال خواهد شد. هر عبارت ریاضی که برای حل استفاده می‌شود، معنای فیزیکی دشواری دارد. حل نهایی ریاضی معنای ساده‌تری دارد، زیرا حل‌کننده به دنبال آن است.

فیزیک محض شاخه‌ای از علوم بنیادی است (که علم پایه نیز نامیده می‌شود). فیزیک را “علم بنیادی” نیز می‌نامند، زیرا تمام شاخه‌های علوم طبیعی مانند شیمی، نجوم، زمین شناسی و زیست شناسی توسط قوانین فیزیک محدود شده‌اند. به طور مشابه، شیمی اغلب به دلیل نقش آن در پیوند علوم فیزیکی، علم مرکزی نامیده می‌شود. برای مثال، شیمی خواص، ساختارها و واکنش‌های ماده را مطالعه می‌کند (تمرکز شیمی بر مقیاس مولکولی و اتمی آن را از فیزیک متمایز می‌کند ). ساختارها به این دلیل شکل می‌گیرند که ذرات نیروهای الکتریکی بر یکدیگر اعمال می‌کنند، خواص شامل ویژگی‌های فیزیکی مواد داده شده است، و واکنش‌ها توسط قوانین فیزیک مانند بقای انرژی، جرم و بار محدود می‌شوند. فیزیک در صنایعی مانند مهندسی و پزشکی کاربرد دارد.

فیزیک کاربردی

فیزیک کلاسیک در یک مدل مهندسی آکوستیک از بازتاب صدا از یک پخش کننده آکوستیک پیاده سازی شده است. فیزیک کاربردی یک اصطلاح کلی برای تحقیقات فیزیک است که برای کاربرد خاصی در نظر گرفته شده است. برنامه درسی فیزیک کاربردی معمولاً شامل چند کلاس در یک رشته کاربردی مانند زمین شناسی یا مهندسی برق است. معمولاً از این جهت با مهندسی متفاوت است که یک فیزیکدان کاربردی ممکن است چیزی خاص را طراحی نکند، بلکه از فیزیک استفاده می‌کند یا تحقیقات فیزیک را با هدف توسعه فناوری‌های جدید یا حل یک مشکل انجام می‌دهد.

این رویکرد شبیه به روش ریاضیات کاربردی است. فیزیکدانان کاربردی از فیزیک در تحقیقات علمی استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، افرادی که روی فیزیک شتاب دهنده کار می‌کنند ممکن است به دنبال ساخت آشکارسازهای ذرات بهتر برای تحقیق در فیزیک نظری باشند.

فیزیک کاربردی در مهندسی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، استاتیک، زیر شاخه‌ای از مکانیک، در ساخت پل‌ها و سایر سازه‌های ساکن استفاده می‌شود. درک و استفاده از آکوستیک منجر به کنترل صدا و سالن‌های کنسرت بهتر می‌شود. به طور مشابه، استفاده از اپتیک باعث ایجاد دستگاه‌های نوری بهتری می‌شود. درک فیزیک شبیه‌سازهای پرواز، بازی‌های ویدیویی و فیلم‌ها را واقعی‌تر می‌سازد و اغلب در تحقیقات پزشکی قانونی بسیار مهم است.

 

با اجماع استاندارد که قوانین فیزیک جهانی هستند و با گذشت زمان تغییر نمی‌کنند، فیزیک می‌تواند برای مطالعه چیزهایی که معمولاً در عدم قطعیت فرو می‌روند استفاده شود. به عنوان مثال، در مطالعه منشا زمین، یک فیزیکدان می‌تواند جرم، دما و سرعت چرخش زمین را به طور منطقی مدل کند، به عنوان تابعی از زمان که امکان برون یابی به جلو یا عقب در زمان را فراهم می‌کند و بنابراین رویدادهای آینده یا قبلی را پیش بینی می‌کند. همچنین امکان شبیه سازی در مهندسی را فراهم می‌کند که توسعه یک فناوری جدید را سرعت می‌بخشد.

 

نظریه پردازان به دنبال توسعه مدل‌های ریاضی هستند که هم با آزمایش‌های موجود موافق باشند و هم نتایج تجربی آینده را با موفقیت پیش بینی کنند، در حالی که تجربی گرایان آزمایش‌هایی را برای آزمایش پیش بینی‌های نظری و کشف پدیده‌های جدید طراحی و انجام می‌دهند. اگرچه تئوری و آزمایش به طور جداگانه توسعه یافته‌اند، اما به شدت بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند و به یکدیگر وابسته هستند. پیشرفت در فیزیک اغلب زمانی اتفاق می‌افتد که نتایج تجربی با توضیح تئوری‌های موجود مخالفت می‌کنند، و باعث تمرکز شدید بر مدل‌سازی قابل اجرا می‌شوند، و زمانی که نظریه‌های جدید پیش‌بینی‌های آزمایش‌پذیر آزمایشی ایجاد می‌کنند. فیزیکدانانی که در تداخل نظریه و آزمایش کار می‌کنند، پدیدارشناس نامیده می‌شوند که پدیده‌های پیچیده مشاهده شده در آزمایش را مطالعه می‌کنند و تلاش می‌کنند تا آنها را به یک نظریه بنیادی مرتبط کنند.

فیزیک نظری در طول تاریخ از فلسفه الهام گرفته است. الکترومغناطیس از این طریق متحد شد. فراتر از جهان شناخته شده، حوزه فیزیک نظری نیز به مسائل فرضی، مانند جهان‌های موازی، چندجهانی و ابعاد بالاتر می‌پردازد. نظریه پردازان این ایده‌ها را به امید حل مشکلات خاص با نظریه‌های موجود استناد می‌کنند. آن‌ها سپس پیامدهای این ایده‌ها را بررسی می‌کنند و برای پیش‌بینی‌های قابل آزمایش تلاش می‌کنند.

فیزیک تجربی توسط مهندسی و فناوری گسترش می‌یابد و گسترش می‌یابد. فیزیکدانان تجربی که در تحقیقات پایه شرکت دارند، با تجهیزاتی مانند شتاب دهنده‌های ذرات و لیزرها آزمایش می‌کنند، در حالی که کسانی که در تحقیقات کاربردی شرکت دارند، اغلب در صنعت کار می‌کنند و فناوری‌هایی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) و ترانزیستورها را توسعه می‌دهند. فاینمن اشاره کرده است که تجربی گرایان ممکن است به دنبال حوزه‌هایی باشند که توسط نظریه پردازان به خوبی کاوش نشده است.

فیزیک طیف گسترده‌ای از پدیده‌ها، از ذرات بنیادی (مانند کوارک‌ها، نوترینوها و الکترون‌ها ) تا بزرگترین ابرخوشه‌های کهکشانی را پوشش می‌دهد. در این پدیده‌ها ابتدایی ترین اشیایی هستند که همه چیزهای دیگر را تشکیل می‌دهند. از این رو گاهی فیزیک را «علم بنیادی» می‌نامند. هدف فیزیک توصیف پدیده‌های مختلفی است که در طبیعت رخ می‌دهد از نظر پدیده‌های ساده تر. بنابراین، هدف فیزیک این است که هم چیزهای قابل مشاهده برای انسان را به علل ریشه‌ای وصل کند و هم این علل را به یکدیگر متصل کند.

 

کاربرد فیزیک در زندگی

فیزیک به عنوان یکی از علوم پایه، در زندگی روزمره ما تأثیرات بسیاری دارد. در زیر به برخی از کاربردهای فیزیک در زندگی اشاره خواهیم کرد:

1. تکنولوژی و مهندسی: فیزیک اساسی‌ترین علم در توسعه تکنولوژی و مهندسی است. اصول فیزیکی به طراحی و ساخت انواع دستگاه‌ها، ماشین‌آلات، الکترونیک، رایانه‌ها و سایر فناوری‌ها کمک می‌کند. همچنین، فیزیک در توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی نیز نقش بسیار مهمی دارد.

2. برق و الکترونیک: فیزیک برای درک و توضیح رفتار الکترون‌ها و جریان برق استفاده می‌شود. اصول فیزیکی مانند قوانین آمپر و فارادی در طراحی و عملکرد مدارها، تراشه‌ها، تلفن همراه، کامپیوترها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی بکار می‌روند.

3. پزشکی: فیزیک در پزشکی نقش بسیار مهمی دارد. تصویربرداری پزشکی مانند رادیوگرافی، سونوگرافی، توموگرافی کامپیوتری (CT) و رزونانس مغناطیسی (MRI) بر اصول فیزیکی مبتنی است. همچنین، دستگاه‌های پزشکی مانند لیزرها و رادیوتراپی نیز بر پایه اصول فیزیکی کار می‌کنند.

4. اپتیک: فیزیک نور و اپتیک در زندگی روزمره ما نقش بسیار مهمی دارد. فهم اصول اپتیکی می‌تواند در طراحی دوربین‌ها، تلویزیون‌ها، لنزها، عینک‌ها و سایر وسایل بصری کمک کند. همچنین، فیزیک نور در زمینه انتقال اطلاعات در فیبر نوری و ارتباطات نوری نقش اساسی دارد.

5. انرژی: فیزیک در زمینه تولید، انتقال و مصرف انرژی نقش مهمی دارد. درک اصول فیزیکی مربوط به انرژی های مختلف مانند انرژی هسته‌ای، انرژی حرارتی و انرژی جریان آب بهینه‌سازی فرآیندهای تولید و استفاده انرژی را ممکن می‌سازد.

6. حرکت و دینامیک: فیزیک نقش مهمی در بررسی حرکت و دینامیک اشیاء در طبیعت و زندگی روزمره دارد. اصول فیزیکی مانند قوانین نیوتن، قانون حفظ جرم و قانون حفظ انرژی برای توصیف و پیش‌بینی حرکت اشیاء استفاده می‌شوند. این اصول در زمینه‌های مختلفی از جمله حرکت خودروها، پرواز هواپیماها، طراحی سازه‌ها و سیستم‌های مکانیکی، ورزش و تولید انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همچنین، فیزیک در زمینه‌های دیگری نیز نقش مهمی دارد. به عنوان مثال، فهم اصول فیزیکی درباره قوانین گرانش منجر به درک بهتری از رفتار سیارات و ستارگان می‌شود. در حوزه فیزیک هسته‌ای، اصول فیزیکی برای توصیف ترکیب و تفکیک هسته‌ها و کاربردهایی مانند انرژی هسته‌ای و رادیوتراپی استفاده می‌شود.

در کل، فیزیک به عنوان یک علم پایه در توسعه علم و فناوری و درک بهتر از جهان طبیعی اهمیت زیادی دارد. کاربردهای فیزیک در زندگی روزمره به صورت گسترده‌ای در اطرافمان دیده می‌شوند و بهبود کیفیت زندگی و پیشرفت انسان‌ها را ممکن می‌سازند.

کاربرد فیزیک در فناوری

فیزیک به عنوان علم اساسی، نقش بسیار مهمی در توسعه و پیشرفت فناوری ایفا می‌کند. اصول و مبانی فیزیکی در زمینه‌های مختلف فناوری بکار می‌روند. در زیر به برخی از کاربردهای فیزیک در فناوری اشاره خواهم کرد:

1. الکترونیک و اطلاعات: فیزیک الکترونیک و مغناطیسی به طراحی و عملکرد سیستم‌های الکترونیکی و ارتباطات بی سیم کمک می‌کند. اصول فیزیکی مانند سوئیچینگ الکترونیکی، ترانزیستورها و مدارهای مجتمع (ICs) در تولید رایانه‌ها، تلفن همراه، تلویزیون‌ها، رادیوها و دستگاه‌های ارتباطات بکار می‌روند.

2. تصویربرداری و نوری: فیزیک نور و اپتیک در تکنولوژی تصویربرداری نقش اساسی دارد. دوربین‌ها، دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی (مانند رادیوگرافی و MRI)، تلویزیون‌ها، دیسک‌های نوری و دستگاه‌های نوری دیگر بر اصول فیزیکی اپتیک مبتنی هستند.

3. سنسورها و دستگاه‌های اندازه‌گیری: فیزیک در طراحی و عملکرد سنسورها و دستگاه‌های اندازه‌گیری مانند سنسورهای دما، فشار، شتاب، چشم‌داشتی (مانند دوربین‌های دیجیتال)، ژیروسکوپ و سایر سنسورهای الکترونیکی استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها بر اصول فیزیکی مانند تغییرات مقاومت الکتریکی، تغییرات نور و تغییرات میدان مغناطیسی کار می‌کنند.

4. فیزیک کوانتومی و نانوتکنولوژی: فیزیک کوانتومی در زمینه فناوری نانو و کامپیوترهای کوانتومی نقش بسیار مهمی دارد. فهم اصولی مانند ابرتابع موج، اندازه‌گیری کوانتومی و انتقال اطلاعات کوانتومی در طراحی و عملکرد کامپیوترهای کوانتومی و دیگر فناوری‌های نانو مورد استفاده قرار می‌گیرد.

5. انرژی تجدیدپذیر: فیزیک در زمینه توسعه و بهینه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، باد، آب و همچنین تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی انرژی نقش مهمی دارد. اصول فیزیکی مانند تبدیل‌های نوری، تبدیل‌های مکانیکی و تبدیل‌های الکتروشیمیایی در تولید برق از منابع تجدیدپذیر و انتقال و ذخیره آن بکار می‌روند.

6. فیزیک هسته‌ای و پلاسما: فیزیک هسته‌ای و پلاسما در زمینه تولید برق از انرژی هسته‌ای، تکنولوژی هسته‌ای پزشکی، تولید نور و حرارت با استفاده از پلاسما (مانند لیزرها) و سایر فناوری‌های مرتبط نقش دارند.

7. مواد و نانوتکنولوژی: فیزیک در تحقیقات و توسعه مواد جدید و نانومواد نقش بسیار مهمی دارد. اصول فیزیکی مانند ترازهای انرژی، رفتار الکترونی و مغناطیسی مواد در سطح نانو، و تاثیرات کوانتومی در خواص مواد در این زمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

8. مهندسی مکانیک و رباتیک: فیزیک در طراحی و عملکرد سیستم‌های مکانیکی و رباتیک نقش اساسی دارد. اصول مکانیکی مانند دینامیک، زمینه‌ها و سیستم‌های کنترل در طراحی و عملکرد ربات‌ها، خودروها، پرتاب‌های فضایی و سایر سیستم‌های مکانیکی استفاده می‌شوند.

این تنها چند نمونه از کاربردهای فیزیک در فناوری هستند. با توجه به تنوع و گستردگی فیزیک، این علم در بسیاری از زمینه‌های فناوری و علوم مهندسی کاربرد دارد و بسیاری از دستاوردهای فناورانه ما از اصول و مفاهیم فیزیکی نشات می‌گیرد.