الفيزياء الحديثة: تاريخها، وأهم مبادئها، وأهم التجارب المقدمة من براكسيلابس

لقد كان ظهور الفيزياء الحديثة أحد أهم الأحداث فى تاريخ البشر، حيث أن نظريات الفيزياء الحديثة قد غيرت وأعادت تشكيل نظرتنا للكون من حولنا، محدثة بذلك ثورة علمية هائلة.

ما هي الفيزياء الحديثة

الفيزياء الحديثة هى أحد فروع الفيزياء والتى تهتم بدراسة المفاهيم الفيزيائية التى ظهرت بعد نيوتن، وتقوم فى الأساس على أهم نظريتين فيزيائيتين فى القرن العشرين هما: النسبية والفيزياء الكمية. كما تشمل جميع الافكار الجديدة التى ظهرت بعد قوانين نيوتن ومعادلات ماكسويل وقوانين الديناميكا الحرارية والتى تصنف تحت مسمى الفيزياء الكلاسيكية. 

ابدا تجربتك الان فى معامل براكسيلابس ثلاثيه الابعاد!

 

وبذلك يمكننا أن نعتبر الفيزياء الحديثة هى أحدث المحطات الرئيسية في تاريخ الفيزياء، ذلك التاريخ الذي تمتد جذوره إلى الحضارة الإغريقية وحضارة الهند القديمة والحضارة الصينية ثم ما قدمته الحضارة الاسلامية، وانتهاءاً بالثورة العلمية التى قامت على افكار كوبرنيكوس وجاليليو وديكارت ونيوتن وآخرين.

فى هذه المقالة سوف نلقى نظرة على تاريخ الفيزياء وتطورها خلال العصور المختلفة، وكذلك سنناقش تطور النظريات الرئيسية فى الفيزياء الحديثة مثل النسبية العامة والخاصة وفيزياء الكم ولماذا ظهرت الفيزياء الحديثه؟، كما سنلقي نظرة على تجارب المعمل الافتراضى التى تتناول قواعد الفيزياء الحديثة، والتي تقدمها شركة براكسيلابس لمعامل العلوم الإفتراضية.

الفرق بين الفيزياء الحديثة والكلاسيكية

الفيزياء الكلاسيكية وما قبلها

يمكننا تعريف الفيزياء على انها احد فروع العلوم التي تهتم بدراسة المادة والطاقة بشكل تفصيلي، وتنقسم فى وقتنا هذا إلى فرعين أساسيين هما: الفيزياء الكلاسيكية والفيزياء الحديثة.

لكن كيف بدأت دراسة هذا العلم؟ لننتقل معاً إلى أحد أعرق وأعظم الحضارات التي عرفها التاريخ البشري وهي الحضارة اليونانية القديمة.

الفيزياء فى عهد الإغريق

كان لشعب اليونان فى العصور القديمة محاولات لتفسير الظواهر الطبيعية المختلفة، ولكن دائماً ما كانت تتمحور تلك التفسيرات حول القوى الخارقة والتفسيرات الدينية أو الاسطورية وذلك فى الفترة التي سبقت بداية اليونان العتيقة وظهور الفيلسوف الشهير طاليس.

كان طاليس فيلسوف إغريقي وعالم رياضيات وفلكي شهير وهو أول من نادى بوجود سبب طبيعي خلف حدوث كل ظاهرة من الظواهر الطبيعية، ولذلك تم تلقيبه بـ “أبو العلم”. وقد أقترح طاليس أن الماء هو المادة التى خلق منها الكون بأسره، وخالفه في ذلك الفيلسوف أناكسيماندر والذى أقترح أن مادة تسمى الأبيرون هي العنصر الأساسي الذي تتكون منه المواد.

ثم جاء بعدهم مجموعة من الفلاسفة العظماء مثل هرقليطس وبارمنيدس وأمبادوقليس وزينون الإيلي وديموقريطس، وهؤلاء هم من وضعوا فلسفة ما قبل سقراط وهى فلسفة يونانية قديمة سبقت سقراط ولم تتأثر بأفكاره.

ويعد أهم إنجازات تلك الفترة هو ظهور المذهب الذري والذي قام باقتراحه ليوكيبوس وتلميذه ديموقريطس، وقد قاما باقتراح فكرة وجود عنصر أساسي خالد وغير مرأى ويمثل البنية الأساسية لهذا الكون، ألا وهو الذرة.

وفى خلال الحقبة الكلاسيكية من التاريخ اليوناني ظهر فيلسوف عظيم ترك بصمته فى تاريخ البشرية جمعاء، ألا وهو أرسطو.

وقد كان أرسطو أول من أكد على أن الملاحظة والرصد هي أولى خطوات فهم الظواهر الطبيعية والقوانين التي تحكمها. وقد كتب أرسطو أول مؤلفاته فى علوم الطبيعة فى القرن الرابع قبل الميلاد، والتي وضع فيها نظرية العناصر الأربعة الأساسية وحاول شرح قوانين الحركة والجاذبية.

العالم الإسلامي

فى خلال العصور الوسطى ما بين القرن السابع والخامس عشر بعد الميلاد كان العالم الإسلامي يشهد ثورة علمية عظيمة، حيث ساعدت حركة الترجمة الكبرى على توفير العلوم الإغريقية والهندية باللغة العربية مما سمح للعظماء من علماء العرب والمسلمين على ترك بصمتهم في تاريخ الحضارة الإنسانية.

وكان أحد أعظم علماء المسلمين فى هذه الفترة هو ابن الهيثم، والذي ساهمت أعماله فى تطور العلوم بشكل ملحوظ، ولذلك يعد أبو المنهج العلمي التجريبي الحديث. حيث كان يقوم باستخدام التجارب القابلة للتكرار فى وضع نظرياته العلمية.

انضم الى معامل براكسيلابس الافتراضيه الان

 

أما بخصوص إسهاماته فى الفيزياء فهو مؤسس علم البصريات، حيث كان أول من أثبت أن الرؤية تحدث نتيجة انعكاس الضوء الساقط على الاجسام ووصوله إلى العين.

وعند ذكر علماء المسلمين فلا بد من التوقف عند أحد أعظم عقول العالم الإسلامي في هذا الوقت، ألا وهو النابغة ابن سينا. فقد ناقش ابن سيناء قوانين الحركة، وقد اقترح ان المقذوفات التى تتحرك فى الفراغ لن تتوقف ما لم تؤثر عليها قوة معاكسة، وهو ما يتوافق مع قانون نيوتن الأول والذى ينص على أن الجسم المتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم يبقى على هذه الحالة ما لم تؤثر عليه قوة خارجية فتغير الحالة الحركية له.

وأخيراً وليس آخراً نجد العالم العظيم ابن ملكا البغدادي والذى ناقش تسارع الاجسام الساقطة نتيجة زيادة قوة الدفع، كما اقترح ان لكل قوة قوة مضادة لها ولكن لم يقترح ان تلك القوتين متساويتين فى المقدار وهو ما اكمله قانون نيوتن الثالث والذى نص على أن لكل فعل رد فعل، يساويه في الشدة، ويعاكسه في الاتجاه.

الثورة العلمية

كانت بداية الثورة العلمية مع ظهور كوبرنيكوس ومعارضته الشديدة لفكرة مركزية الأرض، حيث قدم نموذج لمركزية الشمس ودوران الكواكب حولها، وقد أيد كيبلر فى القرن التالى هذا النموذج وشرح النظام الشمسي بشكل أكثر دقة، ودعمه جاليليو بأرصاده الفلكية عن طريق التليسكوب.

وقد قاد جاليليو الجولة الثانية من تلك الثورة ضد الكنيسة. وكان جاليليو عالم فلك ورياضيات وفيلسوف ايطالى قدم العديد من الإسهامات العلمية فى مجال الفيزياء، وساعد فى تطوير المنهج العلمي التجريبي. وقد استطاع جاليليو رصد الأقمار الاربعة للمشترى، ووضع قانون الذي يحكم حركة المقذوفات فى مسار منحني.

ثم جاء من بعدهم نيوتن، والذى وضع قوانينه الثلاثة لحركة الأجسام، كما وضع قانون الجذب العام الذي ساعدنا على فهم حركة الكواكب بشكل أكثر دقة. وقد أدت محاولاته لفهم ودراسة مسارات الكواكب إلى تأسيس فرع جديد من فروع الرياضيات وهو علم التفاضل والتكامل، حيث كان تأسيس علم التفاضل والتكامل أحد أعظم إنجازات نيوتن.

كما قام نيوتن بوضع نظرية الألوان إعتماداً على تحلل الضوء الأبيض عند مروره داخل منشور زجاجي، كما قام بالعديد من التجارب لدراسة سرعة الموجات الصوتية. وبعد هذه الإسهامات لنيوتن وغيره من علماء عصره أصبح المجتمع العلمي مستعد لاستقبال عهد جديد فى الفيزياء وهو عصر الفيزياء الحديثة.

ميلاد الفيزياء الحديثة

على الرغم من الانجازات العديدة والمهمة للفيزياء الكلاسيكية في تلك الحقبة، لكنها عجزت عن تفسير بعض الظواهر التى شكلت مشاكل حقيقية فى هذا الوقت نتيجة الحدود الضيقة التي تعمل فيها قوانين الفيزياء الكلاسيكية. وتعد من أبرز تلك المشاكل مشكلة إشعاع الجسم الأسود والتأثير الكهروضوئي.

تجارب الإشعاع

فى خلال القرن التاسع عشر استطاع الفيزيائيين تحديد بعض الإشعاعات التى كانت مجهولة قبل ذلك، مثل اشعة اكس والتى اكتشفها الفيزيائي فيلهلم رونتغن، واستطاعت ماري كوري وزوجها بيار كوري ان يكتشفو العناصر المشعة، وفى نفس الفترة تمكن طومسون من اكتشاف الإلكترون.

وكنتيجة لهذه الاكتشافات بدأ العلماء فى مراجعة مفهومهم للذرة على أنها أصغر وحدة بناء للمادة وأنها مصمتة وغير قابلة للتجزئة، فأعادوا النظر في فهمهم لبنية المواد في الكون.

أينشتين والنسبية

وصلنا الآن إلى عام 1905م حيث تم نشر واحدة من أهم الورقات البحثية فى تاريخ الفيزياء ألا وهى الورقة البحثية التي نشرها أينشتين معلناً ميلاد النسبية الخاصة. ويُعد أينشتين أحد أهم وأشهر علماء الفيزياء في التاريخ إن لم يكن أشهرهم، وهو ألماني المولد وكان عمره حين نشر تلك الورقة البحثية 26 عام فقط! حيث ناقش فيها فكرته حول تأثُر الوقت والمكان بحركة الراصد والشئ المرصود.

كما ناقش فكرة ثبات سرعة الضوء فى الفراغ وانها ثابتة بالنسبة للراصدين فى كل مكان، كما قدم معادلته الشهيرة  E = mc2 والتى توضح العلاقة بين الكتلة والطاقة.

النسبية الخاصة

وضح أينشتين فى نظرية النسبية الخاصة فكرة ثبات سرعة الضوء فى كل الأوساط، وان قوانين الكهرومغناطيسية كذلك تسري على مختلف الأوساط. وشرحت النسبية الخاصة العلاقة بين عمليات الرصد ومفهوم الزمان والمكان، وكان كان تطور هذه النظرية نابعاً من التناقضات بين قوانين نيوتن وقوانين الكهرومغناطيسية وقد ساهمت فى تطوير كلا الفرعين.

كما حاولت النسبية الخاصة إجابة السؤال الغامض “ما هو الوقت؟” حيث كان أجابت فيزياء نيوتن هذا السؤال وعرفت الوقت على أنه “الزمن المطلق، والصحيح، والرياضي، من نفسه، ومن طبيعته يتدفق بشكل متساو دون النظر إلى أي شيء خارجي، أما المدة فهى القيمة النسبية، الظاهرة، والوقت المشترك، قياس المدة بوسائل الحركة، والتي تستخدم عادة بدلاً من الوقت الحقيقي؛ مثل ساعة، يوم، شهر، سنة.”

ولكن أينشتين كان يرى أن هذا التعريف غير مكتمل فأضاف وجهة نظره بنسبية الوقت والتى تختلف من مكان إلى مكان. فكل مراقب يستخدم مقياس خاص به لتحديد الزمن، وعند وجود مراقبين لنفس الحدث في ظروف مختلفة، فإن هذا المقياس سيختلف بالتأكيد، ليكون قياس الحركة نسبي لكل منهما. الأمر الذي دفع إلى التساؤل عن ما هي النسبية؟ وإلى أن يصبح كلا من الزمان والمكان مفهومان متشابكين، يعتمد كلا منهما على المراقب. الذي يعتمد في نتائجة على إطار الزمكان أو نظام الإحداثيات التابع له. لا يوجد أي إطار مرجعي مطلق، فكل مراقب يعطي نتائج خاصة به تعتمد صحتها على مدى جودة أساليب قياسه.

النسبية العامة

فى عام 1916 تعمق أينشتين بشكل اكبر فى فهم الحركة فى كوننا، وقد قدم للعالم مفهوم انحناء الزمكان لأول مرة فى نظريته النسبية العامة، والذي يصف تأثير الجاذبية عند كل نقطة في الفضاء. استبدل هذا المفهوم قانون الجاذبية العام لنيوتن. وطبقاً لأينشتاين فإن الجاذبية ما هى إلا صورة من صور هندسة الفضاء.

ابدا تجاربك مع براكسيلابس الان مجانا!

 

حيث تسبب كتلة الاجسام المختلفة انحناء فى نسيج الزمكان مكوناً مسار تتبعه الاجسام، وقد وضح هذا الجانب من النظرية ظاهرة انحناء الضوء حول الشمس، والثقوب السوداء خصائص الأشعة الكونية.

الفيزياء الكمية

وعلى جانب آخر كان هناك عالم مجهول تماماً بالنسبة للبشر قبل عصر الفيزياء الحديثة وهو عالم الأجسام دون الذرية.

حيث ظهرت مشكلة جديدة لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية حلها وهى مشكلة توزيع الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الجسم الأسود، فقد أظهرت تجربة الجسم الأسود أنه عند الأطوال الموجية القصيرة، القريبة من طول الأشعة فوق البنفسجية، تكون الطاقة قريبة من الصفر، على الرغم من قول الفيزياء الكلاسيكية أن الطاقة يجب أن تكون مالانهاية وليست صفرا. وقد تم حل هذه المشكلة من قبل النظرية الجديدة لميكانيكا الكم. 

وهكذا تم إعلان ثورة علمية جديدة فى عصر الفيزياء الحديثة وهى ثورة فيزياء الكم. فقد نشر ماكس بلانك في عام 1900 كتابه المبادئ الأساسية لنظرية الكم، وتفسير الإشعاع الحراري للجسم الأسود. واستخدم اينشتاين نظرية الكم في شرح التأثير الكهروضوئي، كما استخدمها نيلز بور في تفسير سبب استقرار ذرة رذرفورد والترددات المنبعثة من غاز الهيدروجين. هؤلاء العلماء هم من أهم وأشهر علماء الفيزياء الحديثة.

وبهذا أصبحت ميكانيكا الكم أداة لا غنى عنها في تفسير الظواهر المختلفة على المستوى الذري.

ما هي انواع الفيزياء الحديثة؟

علم الكونيات
هو دراسة هياكل وديناميكيات الكون على نطاق أوسع. والتحقق من أصلها وهيكلها وتطورها ووجهتها النهائية.

نشأ علم الكونيات ، كعلم مع مبدأ كوبرنيكوس – تخضع الأجرام السماوية لقوانين فيزيائية مطابقة لتلك الخاصة بميكانيكا الأرض – وميكانيكا نيوتن ، مما سمح بفهم هذه القوانين الفيزيائية.

بدأ علم الكونيات الفيزيائي في عام 1915 مع تطور النظرية النسبية العامة من أينشتاين ، تلتها اكتشافات رصدية كبيرة في عشرينيات القرن الماضي. و أدت التطورات الدراماتيكية في علم الكونيات المرصود منذ التسعينيات إلى تطوير النموذج المعياري لعلم الكونيات.

ميكانيكا الكم
فرع من فروع الفيزياء يدرس سلوك المادة والضوء على المقياس الذري ودون الذري. والغرض منه هو وصف وشرح خصائص الجزيئات والذرات ومكوناتها: الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات وغيرها من الجسيمات مثل الكواركات والغلوونات.

تتضمن هذه الخصائص تفاعلات الجسيمات مع بعضها البعض ومع الإشعاع الكهرومغناطيسي (الضوء والأشعة السينية وأشعة جاما) و ساهم العديد من العلماء في إنشاء ثلاثة مبادئ ثورية اكتسبت تدريجياً القبول والتحقق التجريبي بين عامي 1900 و 1930.

النسبية
كما اوضحنا من قبل، تتبنى هذه النظرية نظريتين لألبرت أينشتاين: النسبية الخاصة ، والتي تنطبق على الجسيمات الأولية وتفاعلاتها – تصف جميع الظواهر الفيزيائية باستثناء الجاذبية – والنسبية العامة التي تشرح قانون الجاذبية وعلاقته بطبيعة القوى الأخرى.

إنه ينطبق على العالم الكوني والفيزياء الفلكية وعلم الفلك. غيرت النسبية افتراضات الفيزياء وعلم الفلك في القرن العشرين، وألغت 200 عام من النظرية النيوتونية.

قدم مفاهيم مثل الزمكان ككيان موحد ، ونسبية التزامن ، والتمدد الحركي والجاذبي للوقت ، وتقلص الطول.و في مجال الفيزياء ، تحسن علم الجسيمات الأولية وتفاعلاتها الأساسية ، جنبًا إلى جنب مع بدء العصر النووي. وتنبأ علم الكونيات والفيزياء الفلكية بظواهر فلكية غير عادية مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء وموجات الجاذبية.

ابدا تجربتك المعمليه عبر الانترنت الان!

 

تطبيقات الفيزياء الحديثة

ظهرت العديد من التقنيات الطبية الرائعة وأدوات التشخيص وطرق العلاج نتيجة لاكتشافات الفيزياء الحديثة في القرن الماضي – بما في ذلك الأشعة السينية والعلاج الإشعاعي وجراحة الليزر والمسح بالموجات فوق الصوتية عالية الدقة والمسح المقطعي المحوسب و التصوير بالرنين المغناطيسي. 

بعض التجارب العملية التى يوفرها معمل الفيزياء الحديثة الافتراضي من بلاكسيلابس

تجربة اشعاع الجسم الاسود

تهدف التجربة إلى دراسة الاشعاع المنبثق من الجسم الاسود واثبات قانون فيين للإشعاع الحراري وقانون التربيع العكسي باستخدام Heated Filament Method.

حيث تختلف شدة الاشعاع الصادر من الجسم الاسود مع اختلاف الطول الموجي والذى يعتمد على درجة حرارة الجسم الاسود. كما أن هناك علاقة عكسية بين الشعاع الصادر عن الجسم الاسود ومربع المسافة من الجسم الاسود.

تجربة انحراف شعاع الليزر

تهدف التجربة الى دراسة خصائص شعاع الليزر باستخدام laser photodiode method. حيث أن مصادر اشعة الليزر الاقل فى الشدة يكون ليها gaussian distribution فى اتجاه معاكس طبقاً للقانون I(r)=Ioe – r2/z2، حيث أن z هي قيمة قطر شعاع الليزر التي تقل عندها شدة الشعاع إلى Io/e 2.

ونتيجة لخاصية التماسك التى يتميز بها شعاع الليزر فمن المفترض ان لا يخضع لقانون التربيع العكسي الذي يسري على الضوء العادي.

تجربة مقياس ميكلسون للتداخل

تهدف التجربة إلى تحديد معامل الانكسار لسطح رقيق ونصف شفاف شفاف باستخدام طريقة مقياس ميكلسون للتداخل. 

حيث يتم إسقاط شعاع ضوئي احادى اللون من مصدر ليزر على السطح النصف شفاف والذى ينقسم إلى شعاعين، وينعكس الشعاعان مرة اخرة عائدين من مرآتين حيث يمكن ملاحظة التداخل بينهما، وعند تحريك احدى المرآتين او كلتاهما فسوف يتم ملاحظة حدوث تغير فى الطور. 

وعن طريق قياس شدة الضوء للموجة الناتجة يمكن تعيين أقل تغير في المسافة التي تقطعها الموجتين ومن ثم تحديد الطول الموجي لشعاع الليزر ومعامل الانكسار الخاص بالسطح نصف الشفاف.

تجربة ال I-V Characteristics للخلايا الشمسية

تهدف التجربة إلى دراسة الـ  I-V characteristics للخلايا الشمسية فى الظلام وتحت الإضاءة باستخدام دائرة كهربية بسيطة ومصباح.

يتم تصنيع الخلايا الشمسة من اشباه الموصلات والتى تكون حساسة لعوامل التركيب والبيئة المحيطة مثل شدة الإضاءة.

فى التجربة تكون الخلية الشمسية داخل دائرة كهربائية تحوي مقاومة متغيرة وبطارية لتوليد تيار مستمر وأميتر وفولتميتر، ومع تغيير قيمة المقاومة المتغيرة بشكل مستمر يمكن دراسة الـ I-V characteristics تحت ظروف اضاءة مختلفة.

جرب معمل الفيزياء الحديثة الافتراضي من براكسيلابس مجاناً

يمكنك الآن إجراء تجارب الفيزياء الحديثة مجاناً عن طريق موقعنا على الانترنت.. سجل الآن!

تقدم براكسيلابس معامل العلوم الإفتراضية التى تمكنك من إجراء العديد من التجارب العلمية فى الكيمياء والفيزياء والبيولوجيا عبر الانترنت فى اى وقت ومكان.

 

قم بالتسجيل لبدء الإصدار التجريبي المجاني الخاص بك