معرفی رشته فیزیک

فیزیک (به زبان یونانی طبیعت و φυσικῆ، دانش طبیعت) (به فرانسوی: physique) علوم طبیعی مطالعهٔ ماده، حرکت و رفتار آن در فضا-زمان، و هستارهای مرتبط انرژی و نیرو است. در کل، فیزیک، علم قوانین حاکم بر طبیعت است. فیزیک از مفاهیمی مانند انرژی، نیرو، جرم، بار الکتریکی (چارچ الکتریکی)، جریان الکتریکی، میدان الکتریکی، الکترومغناطیس، فضا، زمان، فضا-زمان، اتم و نورشناسی استفاده می‌کند.

فیزیک؛ یکی از قدیمی‌ترین علوم طبیعی است و شاید قدیمی‌ترین مبحث آن را بتوان نجوم و اخترشناسی نامید. مدارکی وجود دارد که نشان می‌دهد هزاران سال پیش از میلاد مسیح، اقوامی همچون سومری‌ها و همچنین اقوامی در مصر باستان و اطراف سند تحقیقات و درک پیشگویانه‌ای (گمانه‌زنی‌هایی) از حرکت خورشید، ماه و ستارگان داشته‌اند.

دوران باستان
از دوران باستان، انسان‌ها سعی می‌کردند که رفتار طبیعت را درک و پیش‌بینی کنند. در ابتدا، این‌گونه پرسش‌ها در مورد طبیعت و رفتار آن، در قلمرو فلسفه دسته‌بندی می‌شد. به همین دلیل است که در نوشته‌های فیلسوفان باستان همچون ارسطو، افلاطون و بطلمیوس و… نوشته‌های بسیاری در مورد رفتارهای طبیعت، مخصوصاً حرکت ستارگان و خورشید می‌بینیم. در بعضی از این نوشته‌ها، مواردی وجود داشت که بررسی پدیده‌های آسمانی را با افسانه‌ها و اعتقادات مردمان آن دوره از تاریخ می‌آمیختند و علی‌رغم پیش‌بینی‌های درست، نمی‌توانست باعث متقاعد شدن آیندگان شود.

فلسفهٔ طبیعی
البته در این دوران فیلسوفانی همچون تالِس هم بودند که تمامی تلاش خود را برای دور ماندن از دلایل ماوراءالطبیعه می‌کردند. به خاطر همین تلاش‌ها در بسیاری از منابع تاریخی به تالس لقب نخستین چهرهٔ علم را داده‌اند. یکی از کارهای مهم وی در حوزه ستاره‌شناسی، پیش‌بینی خورشیدگرفتگی در سال ۵۸۵ قبل از میلاد مسیح است.

فیزیک کلاسیک

آیزاک نیوتن (۱۶۴۳–۱۷۲۷)
از همین دوره بود که شاخه‌ای از فلسفه جدا شد که نام آن را فلسفه طبیعی نهادند و سالیان طولانی ادامه یافت. تا حدوداً در قرن هفدهم میلادی که دوباره با حضور چهره‌های بزرگ و برجسته‌ای همچون آیزاک نیوتن و گوتفرید لایبنیتس می‌رفت که دوباره تحولی عظیم در علم و نحوه نگرش به آن مخصوصاً در ریاضیات و فیزیک ایجاد شود. با چاپ شدن کتاب نیوتن در سال ۱۶۸۷ با نام اصول ریاضی فلسفه طبیعی (همان‌طور که پیداست همچنان از عبارت فلسفهٔ طبیعی در عنوان آن استفاده شده) تقریباً این نوع نگرش به فیزیک و ریاضیات به پایان راه خود رسید و نیوتن و همکاران وی در قرن هفدهم میلادی، نحوهٔ نگرشی نو به طبیعت را بنیان‌گذاری کردند که امروزه به فیزیک کلاسیک معروف است. البته ذکر این نکته الزامی است که این جنبش، قبل از قرن هفدهم، با تلاش دانشمندانی چون گالیلئو گالیله، نیکلاس کوپرنیک و یوهان کپلر آغاز شده بود و در زمان نیوتن به اوج خود رسید.
پس از قرن هفدهم، فیزیک و ریاضیات با سرعت قابل توجهی توسعه یافتند و دانشمندان زیادی در شاخه‌های مختلف این دو علم، توانستند پاسخ بسیاری از پرسش‌های خود را بیابند. این روند تا قرن نوزدهم ادامه داشت. جامعهٔ فیزیکدانان در قرن نوزدهم، عموماً گمان می‌کردند که با کشفیات جیمز کلرک ماکسول در حوزهٔ الکترومغناطیس و معادله‌بندی چگونگی ایجاد شدن میدان الکتریکی و مغناطیسی، توسط بارها و جریان‌های الکتریکی، فیزیک به نقطهٔ تکامل خود رسیده‌است و دیگر هیچ پدیدهٔ طبیعی وجود ندارد که نتوانند آن را توجیه و پیش‌بینی کنند.

فیزیک مدرن
اما در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بود که پدیده‌هایی توسط برخی از فیزیک‌دانان مشاهده شد که با علم فیزیک آن زمان قابل توضیح نبود یا اگر توضیحی ارائه می‌شد، در آن تناقض‌هایی وجود داشت. در این زمان بود که فیزیک‌دانان تقریباً به دو دسته تقسیم شدند. دسته‌ای سردمدار پایه‌گذاری فیزیکی جدید، که در آن اشکالات و کاستی‌های فیزیک کلاسیک جبران شده باشد، بودند و دسته‌ای سر سرسختانه در مقابل هر گونه تغییر مقاومت می‌کردند و می‌کوشیدند که پدیده‌های جدید را با همان فیزیک کلاسیک (یا نیوتنی) توضیح دهند. سرانجام ماکس پلانک بر پایه تلاش‌های دانشمندان قبل از خود همچون رابرت هوک، کریستیان هویگنس، توماس یانگ و لئونارد اویلر توانست نظریه مکانیک کوانتومی را ارائه دهد و همین‌طور آلبرت اینشتین توانست نظریهٔ نسبیت را ارائه و با موفقیت از آن دفاع کند. در همین سال‌ها بود که فیزیک‌دانان پذیرفتند، با وجود اینکه فیزیک کلاسیک در حوزه مورد بحث خود (که عموماً پدیده‌هایی آزمایش پذیر بودند) خالی از هرگونه خطا است، اما نیاز به ایجاد شاخه‌ای جدید در علم فیزیک با نام فیزیک نوین است. پس از آلبرت اینشتین، تئوری مکانیک کوانتومی و همچنین فیزیک اتمی با تلاش دانشمندان بزرگی چون ورنر کارل هایزنبرگ، آروین شرودینگر، ولفگانگ پائولی و پل دیراک هر روز کامل تر شد و این تکامل روزافزون علم فیزیک، تا به امروز در ده‌ها گرایش و شاخه ادامه دارد.

نظریه‌های اصلی
در علم فیزیک، ما با سامانه‌های بسیار متفاوتی رو به رو هستیم، اما نظریه‌های اصلی که در هسته علم فیزیک قرار دارند، توسط همهٔ فیزیک‌دانان مورد استفاده قرار می‌گیرند. در فیزیک کلاسیک، ما با نظریه‌هایی سروکار داریم که حرکت اشیاء که ابعاد و سرعت‌هایی که قابل تصور و عموماً آزمایش پذیرند را، پیش‌بینی و تحلیل می‌کنند. زمانی که صحبت از ابعاد قابل تصور برای عموم مردم می‌شود، منظور از ابعادی فرااتمی و فرامولکولی شروع می‌شود و تا ابعاد سیارات را در بر می‌گیرد و سرعت قابل تصور، عموماً سرعتی کمتر از سرعت نور است. اما هنگامی که سیستم‌های مورد بررسی ما، ابعادی فراتر از حد تصور ما به خود می‌گیرند، مثل منظومه‌ها، کهکشان‌ها و دیگر سیستم‌های عظیم ستاره‌ای و آسمانی یا ابعادی بسیار کوچک، مثل ابعادی زیر اتمی و حتی کوچکتر، فیزیک و مکانیک کلاسیک از خود ضعف نشان می‌دهد و دیگر قدرت پیش‌بینی و درک صحیح واقعیات را ندارد. به همین دلیل تئوری‌هایی که اینگونه سیستم‌ها را تحلیل می‌کنند، در حوزهٔ فیزیک جدید صورت‌بندی می‌شود.
البته کاملاً بدیهی است، این تعاریفی که در اینجا ارائه می‌شود کاملاً شکلی عمومی دارند و در علم فیزیک، مرز واضحی میان فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید به هیج وجه وجود ندارد. به صورتی که برخی از فیزیک دانان، فیزیک جدید را شکل تکامل یافته و تصحیح شده فیزیک کلاسیک می‌دانند، اما برخی از فیزیک‌دانان که مهم‌ترین آن‌ها ورنر کارل هایزنبرگ بوده‌است، همان‌طور که در کتاب خود جز و کل می‌گوید، فیزیک کلاسیک یک مقوله کاملاً جدا، فرمول‌بندی‌شده، بدون ایراد و کامل است اما در حوزهٔ سیستم‌های مورد بررسی خودش و نمی‌توان فیزیک جدید را شکل تکامل‌یافتهٔ فیزیک کلاسیک دانست.

هدف اصلی علم فیزیک توصیف تمام پدیده‌های طبیعی قابل مشاهده و غیرقابل مشاهده برای بشر، توسط مدل‌های ریاضی (به اصطلاح کمی‌کردن طبیعت) است. تا قبل از قرن بیستم، با دسته‌بندی پدیده‌های قابل مشاهده تا آن روز، فرض بر این بود که طبیعت از ذرات مادی تشکیل شده‌است و تمام پدیده‌ها به واسطهٔ دو نوع برهمکنش بین ذرات (برهمکنش‌های گرانشی و الکترومغناطیسی) رخ می‌دهند. برای توصیف این پدیده‌ها نظریه‌های زیر به‌تدریج شکل گرفته و تکامل یافتند:

مکانیک کلاسیک (توصیف رفتار اجسامی که اندازه‌ای معمولی دارند و با سرعتی معمولی در حال حرکت‌اند)
الکترومغناطیس (توصیف رفتار مواد و اجسام دارای بار الکتریکی)
ترمودینامیک و مکانیک آماری (توصیف پدیده‌های مرتبط با گرما بر حسب کمیت‌های ماکروسکوپی یا میکروسکوپی)
به مجموع این نظریه‌ها فیزیک کلاسیک گفته می‌شود.