مقدمة، القياس والتقدير
تعد الفيزياء العلم الأساسي بين العلوم جميعها، وهو علم يتناول سلوك المادة وتركيبها. ويقسم مجال الفيزياء عادة إلى الفيزياء الكلاسيكية التي تتضمن الحركة، والسوائل، والحرارة والصوت والضوء، والكهرباء، والمغناطيسية، أما القسم الآخر فهو الفيزياء الحديثة، وتتضمن موضوعات النسبية والتركيب الذري، والمادة المكثفة والفيزياء النووية والجسيمات الأولية والكونيات وفيزياء الفلك وقبل البدء بدراسة الفيزياء نفسها دعنا تنظر بإيجاز كيف أن هذا النشاط الشامل الذي يسمى (علما) ومن ضمنه الفيزياء يمارس في الحقيقية.
1-1 طبيعة العلم
إن الهدف الرئيس للعلوم جميعها بما فيها الفيزياء هو البحث عن ترتيب ما المشاهداتنا للعالم من حولنا. يعتقد كثير من الناس أن العلم عملية ميكانيكية لجمع الحقائق وابتكار النظريات ولكنه في الحقيقة ليس بهذه السهولة فالعلم عمل مبدع يشبه من نواح عديدة الأعمال الإبداعية للعقل البشري.
من أهم ميزات العلم مشاهدة الأحداث وملاحظتها، ويتضمن ذلك تصميم التجارب وإجراءها. وتتطلب المشاهدة خيالا واسعا حيث لا يمكن للعلماء أبداً تضمين كل شيء في وصف مشاهداتهم. ولذلك يجب على العلماء وضع أحكام حول طبيعة الأشياء التي لها علاقة بمشاهداتهم وتجاربهم. فعلى سبيل المثال، كيف استطاع عالمان عظيمان مثل )17-2( أرسطو (384-322 قبل الميلاد - الشكل (1-1) وغاليليو (1642-1564 الشكل تفسير الحركة على سطح أفقي. لقد لاحظ أرسطو أن الأجسام التي على سطح الأرض أو على سطح طاولة)، تتأثر بداية بقوة دفع، ومن ثم تتباطأ دائماء وأخيرا تقف. وهكذا استنتج أرسطو أن الحالة الطبيعية للأجسام هي السكون أعاد غاليليو دراسة الحركة الأفقية في بداية العام 16008، وتخيل أنه إذا أهمل الاحتكاك بين الجسم الذي تؤثر فيه القوة والسطح الأفقي الذي يتحرك عليه الجسم فإن الجسم يستمر في حركته على نحو غير محمد من غير أن يتوقف. واستنتج من ثم أن الحالة الحركية للجسم هي حالة طبيعية مثل تلك التي يمتلكها في حالة السكون وبهذا التصور أوجد غاليليو مفهومنا الحديث للحركة (الفصول (4.3.2) بالرغم من أن غاليليو توصل إليه نظريا من غير أن يتخلص من الاحتكاك في أثناء التجربة.
إن المشاهدة والتجريب الدقيق والقياس هي جانب من العملية العلمية، أما الجانب الآخر فهو الاختراع أو إيجاد النظريات التي تفسر المشاهدات وترتبها. فلا يمكن أن تشتق النظريات مباشرة من المشاهدات، ولكن المشاهدات قد توحي بنظرية، ويتم قبول النظريات أو رفضها على أساس التجربة والمشاهدة.
وتعد النظرية إلهاما من العقل البشري، فعلى سبيل المثال، إن الفكرة التي تقول بأن المادة مكونة من ذرات (النظرية الذرية لم يتم التوصل إليها من خلال المشاهدة المباشرة للذرات فلا يمكن رؤية الذرات مباشرة، ولكنها نبعث من عقول مبدعة. وكذلك الحال، فإن نظرية النسبية والنظرية الكهرومغناطيسية للضوء وقانون نيوتن في الجذب العام كلها نتائج للخيال البشري.
يمكننا مقارنة نظريات العلم الرائعة كإنجازات إبداعية بالأعمال المهمة في الفن والأدب. ولكن كيف يختلف العلم عن الأعمال الإبداعية الأخرى؟ إن أحد أهم هذه الاختلافات هو أن العلم يشترط اختيار الأفكار والنظريات بالتجربة للتأكد من تنبؤاتها. ولكن النظريات لا تثبت بالاختبار، والسبب في ذلك عدم وجود جهاز قياس مثالي أي أنه لا يمكن التأكد من صحة النظرية بالضبط. وعلاوة على ذلك لا يمكن اختبار النظرية لكل مجموعة من الظروف المحتملة، وعليه فإنه لا يمكن إثبات أي نظرية على نحو مطلق. وفي الحقيقة فإن تاريخ العلم يخبرنا بأن هناك نظريات دامت أزمنة طويلة ثم حلت مكانها نظريات أخرى جديدة.
يقبل العلماء النظرية الجديدة في بعض الحالات لأن تنبؤاتها تنفق كميا مع التجربة على نحو أفضل من تلك التي للنظرية القديمة.
وتقبل النظرية الجديدة في حالات عديدة إذا قدمت تفسيرًا لعدد كبير من الظواهر أكثر ما قدمته النظرية القديمة فعلى سبيل المثال، لم تكن نظرية كوبرنيكوس التي تعد الشمس مركز الكون الشكل 1-2 (ب) أكثر دقة من نظرية بطليموس التي ترى أن الأرض مركز الكون (الشكل (1-12) من حيث التنبؤ بحركة الأجرام السماوية (الشمس القمر الكواكب). وقد كان لنظرية كوبرنيكوس نتائج لم تكن لنظرية بطليموس، مثل التنبؤ بمراحل ظهور كوكب الزهرة التي تشبه تلك التي للقمر. إن النظرية البسيطة والقيمة التي توحد العديد من الظواهر المتنوعة ونفسرها تكون أكثر فائدة بالنسبة للعالم. وهذه الميزة بالإضافة إلى الاتفاق الكمي لها أثر كبير في قبول النظرية. إن الميزة المهمة لأي نظرية هي كيف يمكن أن تتنبأ بالظواهر كميا وبفاعلية. ومن وجهة النظر هذه، فإن النظرية الجديدة تبدو في أغلب الأحيان تطويرا بسيطًا للنظرية القديمة. وعلى سبيل المثال، تقدم نظرية أينشتاين النسبية تنبؤات تختلف قليلا عن النظريات القديمة الغاليليو ونيوتن وخصوصا في مواقف الحياة اليومية. ولكن تنبؤاتها أفضل في حالة السرعات العالية التي تقترب من سرعة الضوء. وليس التنبؤ الكمي فقط هو النتيجة المهمة للنظرية، وإنما تغير نظرتنا إلى العالم الذي يحيط بنا أيضا، فقد تغيرت مفاهيمنا تماما عن الفضاء والزمن نتيجة لنظرية النسبية، فأصبحنا نرى الكتلة. والطاقة كيانا واحدًا من خلال المعادلة المشهورة E=mc2 ).
2-1 الفيزياء وعلاقتها مع المجالات
الأخرى لقد كان العلم لوقت طويل وحدة متكاملة تقريبا ويعرف بالفلسفة الطبيعية ولكن قبل قرن أو اثنين أصبحت الفروق بين الفيزياء والكيمياء وحتى علوم الحياة واضحة. وأما الفرق الواضح الذي تراه. اليوم بين الفنون والعلوم فهو الفرق نفسه الذي كان سائدا بينهما إلى قرون عدة خلت. ولا عجب في ذلك، إذ إن تطور الفيزياء أثر في المجالات الأخرى وتأثر بها. لقد وجد على سبيل المثال أن دفاتر ملاحظات (الشكل (1-3) ليوناردو دفنشي - وهو باحث ومهندس، وأعظم فنان في عصر النهضة - تحتوي على أول مراجع للقوى التي تؤثر في البناء على الرغم من رؤيتنا بأن هذا الموضوع يقع حاليا ضمن الفيزياء بالإضافة إلى علاقته بالعمارة وفن البناء.
إن البداية المبكرة للبحث في الكهرباء - التي أدت إلى اكتشاف البطارية الكهربائية والتيار الكهربائي - بدأ بها عالم بوظائف أعضاء الجسم يدعى لويجي جلفاني في القرن الثامن عشر. لاحظ جلفاني ارتعاش أرجل الضفادع استجابة الشرارة كهربائية تعرضت لها، ثم لاحظ أن العضلات تنقيض عندما تلامس معدنين مختلفين (الفصل 18). وقد سميت هذه الظاهرة في البداية كهرباء الحيوان، وبعد ذلك بقليل أصبح واضحاً أن التيار الكهربائي يمكن أن ينشأ بغياب الحيوان.
تستخدم الفيزياء في العديد من المجالات فعلى سبيل المثال، قد يجد عالم الحيوان أن الفيزياء مفيدة في فهم كيف تتمكن بعض أنواع الكلاب والحيوانات الأخرى من العيش تحت الأرض من غير أن تختنق. كما أن المعالج الطبيعي يؤدي عمله بفاعلية أكبر إذا كان على اطلاع بمبادئ تأثير القوى داخل الجسم البشري ومركز ثقله كما أن معرفة مبادئ تشغيل المعدات البصرية والإلكترونية مفيدة للغاية في مجالات عديدة ويهتم علماء الحياة ومصممو العمارة على حد سواء بطبيعة الحرارة التي تفقدها الكائنات الحية أو تكسبها، حيث تنعكس سلبا أو إيجابا على راحتها. ربما ليس من الضروري أن يقوم مصمم بناء ما يحساب أبعاد الأنابيب المستخدمة في نظام التدفئة أو حتى حساب القوى التي يشتمل عليها البناء ومعرفة مدى تحمله ليبقى فائقا (الشكل (1-4) ولكن عليه أن يعرف المبادئ الأساسية لهذه التحليلات حتى يتمكن من عمل تصميم واقعي كي يتواصل على نحو فاعل مع المهندس الاستشاري والاختصاصيين الآخرين، ومن وجهة نظر نفسية أو جمالية أيضًا، فإن مصمم البناء يجب أن يكون مدركا للقوى التي يشتمل عليها البناء لأن عدم استقراره قد يسبب الإزعاج لأولئك الذين يجب أن يعيشوا أو يعملوا فيه، كما وترتبط الفيزياء على نحو واسع مع مجالات أخرى. وفي الفصول القادمة ستناقش العديد من مثل هذه التطبيقات في أثناء قيامنا بالهدف الرئيس، وهو شرح الفيزياء الأساسية.
1-3 النماذج والنظريات والقوانين
عندما يحاول العلماء فهم مجموعة معينة من الظواهر، فإنهم يستعملون نموذجا ما. ومن الناحية العلمية يمثل النموذج تناظراً أو تخيلاً عقلياً للظواهر بدلالة شيء آخر مألوف لدينا. ومن الأمثلة على ذلك النموذج الموجي للضوء، فلا يمكن أن نرى أمواج الضوء كما نرى أمواج الماء ومن ثم فإنه من الضروري اعتبار الضوء مكوناً من أمواج لأن التجارب تدل على أن الضوء يسلك في جوانب عديدة سلوك أمواج الماء.
إن الغاية من النموذج هي تزويدنا بصورة بصرية أو عقلية تقريبية شيء نعتمد عليه عندما لا نستطيع فهم أو رؤية حقيقة ما يحدث. وفي أغلب الأحيان تمكننا النماذج من فهم الظواهر بعمق فقد يؤدي التناظر مع نظام مألوف ( على سبيل المثال موجات الماء في المثال السابق) إلى إجراء تجارب جديدة وقد يزودنا أيضًا ببعض الأفكار حول ظواهر أخرى ذات علاقة من الممكن أن تحدث.
وفي الحقيقة، هناك اختلاف بين النظرية والنموذج فالنموذج يكون عادة بسيطا نسبيا، ويعطي تركيبا مشابها للظواهر التي تدرسها. أما النظرية فهي أكثر شمولاً وتفصيلاً من النموذج، وتعطي تنبؤات كمية ذات دقة عالية وقابلة للاختبار أيضًا. وعلى أي حال، يجب عدم الخلط بين النموذج أو النظرية والنظام الحقيقي أو الظواهر نفسها.
يقدم العلماء القانون على نحو مختصر ومفيد ولكن بعبارات عامة عن كيفية سلوك الظواهر الطبيعية (على سبيل المثال قانون حفظ الطاقة وأحيانا يتم عرض العبارة من خلال معادلة أو علاقة رياضية تربط بين كميات مثل قانون نيوتن الثاني 0 - ) وحتى تسمى العبارة قانوناً، يجب أن يتم إثباتها تجريبيا، وعلى مجال واسع من الظواهر التي نشاهدها. أما العبارات غير العامة، فيستخدم مصطلح قاعدة لوصفها (مثل قاعدة أرخميدس). تختلف القوانين العلمية التي تتصف بالطابع الوصفي عن القوانين السياسية التي تتسم بالطابع التصويري. فالقوانين السياسية تبين كيف يجب أن يكون سلوكناء في حين أن القوانين العلمية تصف لنا سلوك الطبيعية كما هو وليس كيف يجب أن يكون وكما هو الحال بالنسبة للنظريات، لا يمكن اختبار القوانين لعدد غير محدد من الحالات المتنوعة والمحتملة ولذلك لا يمكن التأكد من صحة أي قانون على نحو مطلق. وتستخدم مصطلح (قانون) عندما تختبر صحنه على مجال واسع من الحالات، وكذلك عندما يتم فهم الحالات الاستثنائية وحدود تطبيقه على نحو واضح. ويفترض العلماء عادة صحة القوانين والنظريات كأساس لعملهم على أن يكونوا يقظين في حال اكتشاف معلومات جديدة قد تغير صحة أي قانون أو نظرية.
1-4 القياس وعدم اليقين (مبدأ الريبة) والأرقام المعنوية
يبذل العلماء قصارى جهودهم لفهم العالم الذي يحيط بنا من خلال إيجاد علاقات رياضية تربط بين كميات فيزيائية يمكن قياسها.
5-1 الوحدات والمعايير والنظام الدولي للوحدات
تقاس أي كمية بالنسبة إلى معيار أو وحدة معينة، ويجب تحديد هذه الوحدة بجانب القيمة العددية للكمية المقيسة؛ فعلى سبيل المثال: يمكننا قياس الطول بوحدات مثل البوصات، أو الأقدام، أو الأميال، أو في النظام المتري بالسنتيمترات أو الأمتار، أو الكيلومترات. إن تحديد طول جسم معين بالعدد 18.6 يكون بلا معنى؛ حيث يجب ذكر وحدة القياس التي تتبع العدد، لأن 18.6 مترا تختلف تماما عن 18.6 بوصة أو عن 18.6 میلمترا. إن أي وحدة قياس نستعملها مثل المتر للمسافة أو الثانية للزمن، نحتاج إلى تعريفها بواسطة معيار معين يُعرف بالضبط ما هو المتر أو الثانية ومن المهم أن تكون المعايير التي تم اختيارها في متناول اليد، بحيث يمكن لأي شخص يحتاج إلى إجراء قياس دقيق جدا الرجوع إلى المعيار الذي في المختبر.
1-7 رتبة المقدار : تقدير سريع
أحيانًا، نهتم فقط بالقيمة التقريبية لكمية ماء والسبب في ذلك أن حساب القيمة الصحيحة قد يحتاج إلى وقت أكثر ما يجب، أو أننا نحتاج إلى معلومات إضافية غير متوافرة. وفي حالات أخرى ربما تريد عمل تقدير تقريبي فقط للتأكد من حساب صحيح حصلنا عليه من آلة حاسبة، وأننا لم ترتكب أخطاء عندما أدخلنا الأعداد.
ويمكن عمل تقدير تقريبي من خلال تقريب الأعداد جميعها، إلى رقم معنوي واحد مع قوته للعدد 10، وبعد إجراء عملية الحساب احتفظ برقم معنوي واحد فقط. يسمى مثل هذا التقدير بـ تقدير رتبة المقدار)، ويمكن أن يكون صحيحاً ضمن قوة من العدد 10 وفي أغلب الأحيان أفضل من ذلك. وفي الحقيقة فإن مصطلح رتبة المقدار يسمى أحيانا قوة العدد 10.
