1.2: نطاق وحجم الفيزياء

Last updated
Save as PDF

Page ID: 199955

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

وصف نطاق الفيزياء.
احسب ترتيب مقدار الكمية.
قارن الطول والكتلة والجداول الزمنية القابلة للقياس كميًا.
وصف العلاقات بين النماذج والنظريات والقوانين.

الفيزياء مكرسة لفهم جميع الظواهر الطبيعية. في الفيزياء، نحاول فهم الظواهر الفيزيائية على جميع المستويات - من عالم الجسيمات دون الذرية إلى الكون بأكمله. على الرغم من اتساع الموضوع، تشترك الحقول الفرعية المختلفة للفيزياء في جوهر مشترك. سوف يعدك نفس التدريب الأساسي في الفيزياء للعمل في أي مجال من مجالات الفيزياء والمجالات ذات الصلة بالعلوم والهندسة. في هذا القسم، نبحث في نطاق الفيزياء؛ ومقاييس الطول والكتلة والوقت التي ثبت أن قوانين الفيزياء قابلة للتطبيق فيها؛ والعملية التي تعمل بها العلوم بشكل عام والفيزياء بشكل خاص.

نطاق الفيزياء

ألق نظرة أخرى على الصورة المصغرة. يحتوي Whirlpool Galaxy على مليارات النجوم الفردية بالإضافة إلى سحب ضخمة من الغاز والغبار. المجرة المصاحبة لها مرئية أيضًا على اليمين. يقع هذا الزوج من المجرات على بعد مليار تريليون ميل (1.4 × 10 ²¹ ميل) من مجرتنا (التي تسمى درب التبانة). قد تبدو النجوم والكواكب التي تشكل مجرة ويرلبول أبعد شيء عن الحياة اليومية لمعظم الناس، لكن الدوامة هي نقطة انطلاق رائعة للتفكير في القوى التي تربط الكون معًا. يُعتقد أن القوى التي تجعل Whirlpool Galaxy تعمل كما هي هي نفس القوى التي نتعامل معها هنا على الأرض، سواء كنا نخطط لإرسال صاروخ إلى الفضاء أو نخطط ببساطة لرفع الجدران لمنزل جديد. يُعتقد أن الجاذبية التي تتسبب في دوران نجوم مجرة ويرلبول هي نفسها التي تسبب تدفق المياه فوق السدود الكهرومائية هنا على الأرض. عندما تنظر إلى النجوم، تدرك أن القوى الموجودة هناك هي نفس القوى الموجودة هنا على الأرض. من خلال دراسة الفيزياء، قد تكتسب فهمًا أكبر للترابط بين كل ما يمكننا رؤيته ومعرفته في هذا الكون.

فكر الآن في جميع الأجهزة التكنولوجية التي تستخدمها بشكل منتظم. قد تتبادر إلى الذهن أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية وأنظمة تحديد المواقع العالمية (GPSs) ومشغلات MP3 وراديو الأقمار الصناعية. ثم فكر في التقنيات الحديثة الأكثر إثارة التي سمعت عنها في الأخبار، مثل القطارات التي تحلق فوق المسارات، و «العباءات الخفية» التي تثني الضوء حولها، والروبوتات المجهرية التي تحارب الخلايا السرطانية في أجسامنا. كل هذه التطورات الرائدة، الشائعة أو التي لا تصدق، تعتمد على مبادئ الفيزياء. بالإضافة إلى لعب دور مهم في التكنولوجيا، يقوم المحترفون مثل المهندسين والطيارين والأطباء والمعالجين الفيزيائيين والكهربائيين ومبرمجي الكمبيوتر بتطبيق مفاهيم الفيزياء في عملهم اليومي. على سبيل المثال، يجب أن يفهم الطيار كيف تؤثر قوى الرياح على مسار الطيران؛ يجب أن يفهم المعالج الطبيعي كيف تتعرض عضلات الجسم للقوى أثناء تحركها وانحنائها. كما ستتعلم في هذا النص، فإن مبادئ الفيزياء تدفع التقنيات الجديدة والمثيرة، ويتم تطبيق هذه المبادئ في مجموعة واسعة من المهن.

إن الترتيب الأساسي للطبيعة يجعل العلم بشكل عام، والفيزياء بشكل خاص، ممتعًا وممتعًا للدراسة. على سبيل المثال، ما الذي تشترك فيه حقيبة الرقائق وبطارية السيارة؟ يحتوي كلاهما على طاقة يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى. يربط قانون الحفاظ على الطاقة (الذي ينص على أن الطاقة يمكن أن تتغير شكلها ولكنها لا تضيع أبدًا) موضوعات مثل السعرات الحرارية الغذائية والبطاريات والحرارة والضوء والينابيع. إن فهم هذا القانون يجعل من السهل التعرف على الأشكال المختلفة التي تتخذها الطاقة وكيفية ارتباطها ببعضها البعض. يبدو أن الموضوعات غير ذات الصلة مرتبطة من خلال قوانين فيزيائية قابلة للتطبيق على نطاق واسع، مما يسمح بفهم يتجاوز مجرد حفظ قوائم الحقائق.

يتكون العلم من النظريات والقوانين التي تمثل الحقائق العامة للطبيعة، بالإضافة إلى مجموعة المعرفة التي تتضمنها. يحاول العلماء باستمرار توسيع مجموعة المعرفة هذه وإتقان التعبير عن القوانين التي تصفها. تهتم الفيزياء، التي تأتي من الكلمة اليونانية phúsis، والتي تعني «الطبيعة»، بوصف تفاعلات الطاقة والمادة والفضاء والوقت للكشف عن الآليات الأساسية التي تكمن وراء كل ظاهرة. هذا الاهتمام بوصف الظواهر الأساسية في الطبيعة يحدد بشكل أساسي نطاق الفيزياء.

تهدف الفيزياء إلى فهم العالم من حولنا على المستوى الأساسي. ويؤكد على استخدام عدد صغير من القوانين الكمية للقيام بذلك، والتي يمكن أن تكون مفيدة لمجالات أخرى تدفع حدود أداء التقنيات الحالية. فكر في هاتف ذكي (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تصف الفيزياء كيفية تفاعل الكهرباء مع الدوائر المختلفة داخل الجهاز. تساعد هذه المعرفة المهندسين على اختيار المواد المناسبة وتخطيط الدوائر عند إنشاء هاتف ذكي. المعرفة بالفيزياء الكامنة وراء هذه الأجهزة مطلوبة لتقليص حجمها أو زيادة سرعة معالجتها. أو فكر في نظام تحديد المواقع العالمي. تصف الفيزياء العلاقة بين سرعة الجسم والمسافة التي ينتقل خلالها والوقت الذي يستغرقه قطع تلك المسافة. عند استخدام GPS في مركبة، فإنه يعتمد على المعادلات الفيزيائية لتحديد وقت السفر من موقع إلى آخر.

صورة لجهاز Apple iPhone تعرض الاتجاهات على الخريطة. — الشكل\(\PageIndex{1}\): Apple iPhone هو هاتف ذكي شائع مع وظيفة GPS. تصف الفيزياء الطريقة التي تتدفق بها الكهرباء عبر دوائر هذا الجهاز. يستخدم المهندسون معرفتهم بالفيزياء لإنشاء جهاز iPhone بميزات سيستمتع بها المستهلكون. إحدى الميزات المحددة لجهاز iPhone هي وظيفة GPS. يستخدم GPS معادلات فيزيائية لتحديد وقت القيادة بين موقعين على الخريطة.

المعرفة بالفيزياء مفيدة في مواقف الحياة اليومية وكذلك في المهن غير العلمية. يمكن أن تساعدك على فهم كيفية عمل أفران الميكروويف، ولماذا لا يجب وضع المعادن فيها، ولماذا قد تؤثر على أجهزة تنظيم ضربات القلب. تسمح لك الفيزياء بفهم مخاطر الإشعاع وتقييم هذه المخاطر بعقلانية وسهولة أكبر. تشرح الفيزياء أيضًا سبب مساعدة رادياتير السيارة السوداء على إزالة الحرارة في محرك السيارة، وتشرح لماذا يساعد السقف الأبيض في الحفاظ على برودة المنزل من الداخل. وبالمثل، فإن تشغيل نظام إشعال السيارة وكذلك نقل الإشارات الكهربائية في جميع أنحاء الجهاز العصبي لجسمنا أسهل بكثير عندما تفكر فيها من حيث الفيزياء الأساسية.

تعد الفيزياء عنصرًا أساسيًا في العديد من التخصصات المهمة وتساهم بشكل مباشر في الآخرين. الكيمياء، على سبيل المثال - لأنها تتعامل مع تفاعلات الذرات والجزيئات - لها روابط وثيقة بالفيزياء الذرية والجزيئية. تهتم معظم فروع الهندسة بتصميم تقنيات أو عمليات أو هياكل جديدة ضمن القيود التي وضعتها قوانين الفيزياء. في الهندسة المعمارية، تعد الفيزياء في صميم الاستقرار الهيكلي وتشارك في الصوتيات والتدفئة والإضاءة وتبريد المباني. تعتمد أجزاء من الجيولوجيا بشكل كبير على الفيزياء، مثل التأريخ الإشعاعي للصخور، وتحليل الزلازل، ونقل الحرارة داخل الأرض. بعض التخصصات، مثل الفيزياء الحيوية والجيوفيزياء، هي أنواع هجينة من الفيزياء والتخصصات الأخرى.

للفيزياء العديد من التطبيقات في العلوم البيولوجية. على المستوى المجهري، يساعد في وصف خصائص الخلايا وبيئاتها. على المستوى المجهري، يشرح الحرارة والعمل والقوة المرتبطة بجسم الإنسان وأنظمة أعضائه المختلفة. تشارك الفيزياء في التشخيص الطبي، مثل الصور الشعاعية والتصوير بالرنين المغناطيسي وقياسات تدفق الدم بالموجات فوق الصوتية. يشمل العلاج الطبي أحيانًا الفيزياء بشكل مباشر؛ على سبيل المثال، يستخدم العلاج الإشعاعي للسرطان الإشعاع المؤين. تشرح الفيزياء أيضًا الظواهر الحسية، مثل كيفية إصدار الآلات الموسيقية للصوت، وكيف تكتشف العين اللون، وكيف ينقل الليزر المعلومات.

ليس من الضروري دراسة جميع تطبيقات الفيزياء رسميًا. الأمر الأكثر فائدة هو معرفة القوانين الأساسية للفيزياء وتطوير المهارات في الأساليب التحليلية لتطبيقها. يمكن لدراسة الفيزياء أيضًا تحسين مهاراتك في حل المشكلات. علاوة على ذلك، تحتفظ الفيزياء بأبسط جوانب العلوم، لذلك يتم استخدامها في جميع العلوم، كما أن دراسة الفيزياء تجعل العلوم الأخرى أسهل في الفهم.

مقياس الفيزياء

من المناقشة حتى الآن، يجب أن يكون واضحًا أنه لتحقيق أهدافك في أي من المجالات المختلفة في العلوم الطبيعية والهندسة، من الضروري وجود أساس شامل لقوانين الفيزياء. والسبب في ذلك ببساطة هو أن قوانين الفيزياء تحكم كل شيء في الكون الذي يمكن ملاحظته على جميع مقاييس الطول والكتلة والوقت القابلة للقياس. الآن، من السهل قول ذلك، ولكن لفهم ما يعنيه ذلك حقًا، نحتاج إلى القليل من القياس الكمي. لذلك، قبل مسح المقاييس المختلفة التي تسمح لنا الفيزياء باستكشافها، دعونا ننظر أولاً إلى مفهوم «ترتيب الحجم»، الذي نستخدمه للتصالح مع النطاقات الواسعة للطول والكتلة والوقت التي نأخذها في الاعتبار في هذا النص (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

يوضح الشكل أ صورة المجهر الإلكتروني عالية الدقة لفيلم ذهبي. يوضح الشكل (ب) صورة مكبرة للعوالق النباتية وبلورات الثلج. يُظهر الشكل c صورة لمجرتين. — الشكل\(\PageIndex{2}\): (أ) باستخدام مجهر المسح النفقي، يمكن للعلماء رؤية الذرات الفردية (بأقطار حوالي ^10-10 أمتار) التي تتكون منها ورقة الذهب هذه. (ب) تسبح العوالق النباتية الصغيرة بين بلورات الجليد في بحر أنتاركتيكا. وهي تتراوح من بضعة ميكرومترات (1 ميكرومتر هو 10 ^{- 6} م) إلى ما يصل إلى 2 مم (1 مم هو 10 ^{- 2} م) في الطول. (ج) يُطلق على هاتين المجرتين المتصادمتين، المعروفتين باسم NGC 4676A (على اليمين) و NGC 4676B (على اليسار)، لقب «الفئران» بسبب ذيل الغاز المنبعث من كل منهما. تقع على بعد 300 مليون سنة ضوئية من الأرض في كوكبة Coma Berenices. في النهاية، ستندمج هاتان المجرتان في واحدة. (المرجع: تعديل العمل من قبل إروينروسين؛ الائتمان ب: تعديل عمل البروفيسور غوردون تي تايلور، جامعة ستوني بروك؛ مجموعات فيلق الإدارة الوطنية لدراسة المحيطات والغلاف الجوي؛ الائتمان ج: تعديل العمل من قبل ناسا، إتش فورد (JHU)، جي إلينغورث (UCSC/LO)، السيد كلامبين (StSci)، جي هارتيغ (STSci)، فريق العلوم التابع لرابطة الدول الأمريكية (ACS)، ووكالة الفضاء الأوروبية)

ترتيب الحجم

ترتيب حجم العدد هو قوة 10 التي تقترب منه بشكل وثيق. وبالتالي، يشير ترتيب الحجم إلى مقياس (أو حجم) القيمة. تمثل كل قوة مقدارها 10 ترتيبًا مختلفًا للحجم. على سبيل المثال، يختلف ترتيب كل من 10 ¹ و10 ² و10 ³ وما إلى ذلك من حيث الحجم، كما هو الحال في 10 ⁰ = ^{1 و10 −1} و10 ⁻² و10 ⁻³. للعثور على ترتيب حجم العدد، خذ لوغاريتم الأساس 10 للرقم وقم بتقريبه إلى أقرب عدد صحيح، ثم يكون ترتيب حجم الرقم ببساطة هو القوة الناتجة 10. على سبيل المثال، ترتيب المقدار 800 هو 10 ^{3 لأن اللوغاريتم} ₁₀ 800 ≈ 2.903، والذي يقترب إلى 3. وبالمثل، فإن ترتيب المقدار ٤٥٠ يساوي ١٠ ^{٣ لأن اللوغاريتم} _١٠ ٤٥٠ ≈ ٢٦٥٣، والذي يقترب إلى ٣ أيضًا. وهكذا، نقول أن الرقمين 800 و 450 لهما نفس الترتيب من حيث الحجم: 10 ³. ومع ذلك، فإن ترتيب المقدار ٢٥٠ يساوي ١٠ ^{٢ لأن اللوغاريتم} _١٠ ٢٥٠ ≈ ٢٣٩٧، والذي يقترب إلى ٢.

هناك طريقة مكافئة ولكن أسرع للعثور على ترتيب حجم الرقم وهي أولاً كتابته بالتدوين العلمي ثم التحقق لمعرفة ما إذا كان العامل الأول أكبر من أو أقل من\(\sqrt{10}\) = 10 ^0.5 ≈ 3. والفكرة هي أن\(\sqrt{10}\) = 10 ^0.5 يقع في منتصف الطريق بين 1 = 10 ⁰ و 10 = 10 ¹ على مقياس لوغاريت-10. وبالتالي، إذا كان العامل الأول أقل من\(\sqrt{10}\)، فإننا نقربه إلى 1 ويكون ترتيب المقدار ببساطة قوة 10 المطلوبة لكتابة الرقم بالتدوين العلمي. من ناحية أخرى، إذا كان العامل الأول أكبر من\(\sqrt{10}\)، فإننا نقربه إلى 10 ويكون ترتيب المقدار أكبر بمقدار قوة واحدة بمقدار 10 من القوة اللازمة لكتابة العدد بالتدوين العلمي. على سبيل المثال، يمكن كتابة الرقم 800 بالتدوين العلمي كـ 8 × 10 ². نظرًا لأن 8 أكبر من\(\sqrt{10}\) ≈ 3، فإننا نقول أن ترتيب المقدار 800 هو 10 ^{2 + 1} = 10 ³. يمكن كتابة الرقم 450 على النحو 4.5 × 10 ²، وبالتالي فإن ترتيب حجمه هو أيضًا 10 ³ لأن 4.5 أكبر من 3. ومع ذلك، فإن 250 مكتوبًا بالتدوين العلمي هو 2.5 × 10 ² و 2.5 أقل من 3، لذا فإن ترتيب حجمه هو 10 ².

تم تصميم ترتيب حجم الرقم ليكون تقديرًا معياريًا لمقياس (أو حجم) قيمته. إنها ببساطة طريقة لتقريب الأرقام باستمرار إلى أقرب قوة مقدارها 10. هذا يجعل إجراء الرياضيات الذهنية القاسية بأعداد كبيرة جدًا وصغيرة جدًا أسهل. على سبيل المثال، يبلغ قطر ذرة الهيدروجين حوالي 10 ⁻¹⁰ م، في حين أن قطر الشمس في حدود 10 ⁹ م، لذلك سوف يستغرق الأمر حوالي 10 ⁹ /10 ⁻¹⁰ = ¹⁰¹⁹ ذرة هيدروجين لتمتد عبر قطر الشمس. ويُعد القيام بذلك في رأسك أسهل بكثير من استخدام القيم الأكثر دقة وهي 1.06 × 10 ⁻¹⁰ م لقطر ذرة الهيدروجين و1.39 × 10 ⁹ م لقطر الشمس، لتجد أن الأمر يتطلب 1.31 × ¹⁰¹⁹ ذرة هيدروجين لتمتد عبر قطر الشمس. بالإضافة إلى كونه أسهل، فإن التقدير التقريبي غني بالمعلومات تقريبًا مثل الحساب الدقيق.

النطاقات المعروفة للطول والكتلة والوقت

يتضح اتساع الكون والعرض الذي تنطبق عليه الفيزياء من خلال مجموعة واسعة من الأمثلة للأطوال والكتل والأوقات المعروفة (المعطاة كترتيب للحجم) في الشكل\(\PageIndex{3}\). سوف يمنحك فحص هذا الجدول فكرة عن مجموعة الموضوعات المحتملة في الفيزياء والقيم العددية. من الطرق الجيدة لتقدير اتساع نطاقات القيم في الشكل\(\PageIndex{3}\) محاولة الإجابة عن بعض الأسئلة المقارنة البسيطة، مثل ما يلي:

التمارين\(\PageIndex{1}\)

ما عدد ذرات الهيدروجين اللازمة للتمدد عبر قطر الشمس؟
ما عدد البروتونات الموجودة في البكتيريا؟
كم عدد عمليات النقطة العائمة التي يمكن للكمبيوتر العملاق القيام بها في يوم واحد؟

الإجابة أ: 10 ⁹ ^م/10-10 م = 10 ¹⁹ ذرة هيدروجين
الإجابة ب: 10 ^{- 15} ^كجم/10-27 كجم = 10 ¹² بروتون
الإجابة ج: 10 ⁵ s/10 ^—17 ثانية = 10 ²² عملية نقطية عائمة

عند دراسة الشكل\(\PageIndex{3}\)، خصص بعض الوقت لطرح أسئلة مماثلة تهمك ثم حاول الإجابة عليها. يمكن أن يؤدي القيام بذلك إلى بث بعض الحياة في أي جدول أرقام تقريبًا.

يحتوي جدول الترتيب هذا بحجم الطول والكتلة والوقت على ثلاثة أعمدة وثلاثة عشر صفًا. أما الصف الأول فهو عبارة عن صف العنوان وهو يصف كل عمود بـ «الطول بالمتر (م)» و «الكتل بالكيلوغرامات (كجم)» و «الوقت بالثواني (الثواني)». تحت عمود «الطول بالأمتار» توجد الإدخالات التالية: 10 إلى ناقص 15 مترًا يساوي قطر البروتون؛ 10 إلى ناقص 14 مترًا يساوي قطر النواة الكبيرة؛ 10 إلى ناقص 10 أمتار يساوي قطر ذرة الهيدروجين؛ 10 إلى ناقص 7 أمتار يساوي قطر الفيروس النموذجي؛ 10 إلى ناقص 2 المتر يساوي عرض ظفر الخنصر؛ 10 إلى 0 متر يساوي ارتفاع طفل يبلغ من العمر 4 سنوات، ويتم تضمين رسم لطفل يقيس نفسه بعصا المتر؛ 10 إلى 2 متر يساوي طول ملعب كرة القدم؛ 10 إلى 7 أمتار يساوي قطر الأرض؛ 10 إلى 13 متر يساوي قطر الطاقة الشمسية النظام؛ 10 إلى 16 مترًا يساوي المسافة التي يقطعها الضوء في السنة (سنة ضوئية واحدة)؛ 10 إلى 21 مترًا يساوي قطر درب التبانة؛ 10 إلى 26 مترًا يساوي المسافة إلى حافة الكون المرئي. تحت عمود «الكتل بالكيلوجرامات» توجد الإدخالات التالية: 10 إلى -30 كيلوجرامًا يساوي كتلة الإلكترون؛ 10 إلى -27 كيلوجرامًا يساوي كتلة البروتون؛ 10 إلى -15 كيلوجرامًا يساوي كتلة البكتيريا؛ 10 إلى -5 كيلوغرامات يساوي كتلة البعوض؛ 10 إلى -2 كيلوجرامًا يساوي كتلة الطائر الطنان؛ 10 إلى -2 كيلوجرامًا يساوي كتلة الطائر الطنان؛ 10 إلى 0 كجم يساوي كتلة لتر من الماء، ويظهر رسم لمقياس توازن يحتوي على لتر على أحد الجانبين وكتلة 1 كيلوغرام على الجانب الآخر؛ 10 إلى 2 كيلوجرام يساوي كتلة الشخص؛ 10 إلى 19 كيلوجرامًا يساوي كتلة الغلاف الجوي؛ 10 إلى 22 كيلوجرامًا يساوي كتلة القمر؛ 10 إلى 25 كيلوجرامًا يساوي كتلة الأرض؛ 10 إلى 30 كيلوغرامًا يساوي كتلة الشمس؛ 10 إلى 53 كيلوجرامًا يساوي الحد الأعلى لكتلة الكون المعروف. تحت عمود «الوقت بالثواني» توجد الإدخالات التالية: 10 إلى -22 ثانية تساوي متوسط عمر النواة غير المستقرة للغاية؛ 10 إلى -17 ثانية تساوي الوقت اللازم لتشغيل نقطة عائمة واحدة في كمبيوتر عملاق؛ 10 إلى -15 ثانية تساوي الوقت لتذبذب واحد للضوء المرئي؛ 10 إلى -13 الثواني تساوي الوقت لاهتزاز واحد للذرة في مادة صلبة؛ 10 إلى -3 ثوان تساوي مدة النبض العصبي؛ 10 إلى 0 تساوي الوقت لنبض قلب واحد، ويظهر رسم للقلب مع رسم من ثلاث نبضات. يُطلق على ذروة النبضة الأولى اسم P. أما النبضة التالية فهي ذات سعة أكبر ومدة أقصر. يُطلق على بداية النبضة الثانية اسم Q، وتُسمى ذروتها R، ونهايتها تسمى S. وتُسمى ذروة النبضة الثالثة بـ T. وتستمر الإدخالات في العمود على النحو التالي: 10 إلى 5 ثوانٍ تساوي يومًا واحدًا؛ 10 إلى 7 ثوانٍ تساوي عامًا واحدًا؛ 10 إلى 9 ثوانٍ تساوي عمر الإنسان؛ 10 إلى 11 الثواني تساوي التاريخ البشري المسجل؛ 10 إلى 17 ثانية تساوي عمر الأرض؛ 10 إلى 18 ثانية تساوي عمر الكون؛ — الشكل\(\PageIndex{3}\): يوضح هذا الجدول ترتيب مقدار الطول والكتلة والوقت.

نماذج البناء

كيف تعرفنا على القوانين التي تحكم الظواهر الطبيعية؟ ما نشير إليه بقوانين الطبيعة هو وصف موجز للكون من حولنا. إنها بيانات بشرية للقوانين أو القواعد الأساسية التي تتبعها جميع العمليات الطبيعية. مثل هذه القوانين جوهرية في الكون؛ البشر لم يخلقوها ولا يمكنهم تغييرها. يمكننا فقط اكتشافها وفهمها. إن اكتشافهم هو مسعى إنساني للغاية، مع كل عناصر الغموض والخيال والنضال والانتصار وخيبة الأمل المتأصلة في أي جهد إبداعي (الشكل 1.5). إن حجر الزاوية في اكتشاف القوانين الطبيعية هو الملاحظة؛ يجب على العلماء وصف الكون كما هو، وليس كما نتخيله.

صور إنريكو فيرمي وماري كوري — الشكل\(\PageIndex{4}\): (أ) ولد إنريكو فيرمي (1901-1954) في إيطاليا. عند قبوله جائزة نوبل في ستوكهولم عام 1938 لعمله على النشاط الإشعاعي الاصطناعي الذي تنتجه النيوترونات، اصطحب عائلته إلى أمريكا بدلاً من العودة إلى الوطن للحكومة التي كانت في السلطة في ذلك الوقت. أصبح مواطنًا أمريكيًا وكان مشاركًا رائدًا في مشروع مانهاتن. (ب) ضحت ماري كوري (1867—1934) بالأصول النقدية للمساعدة في تمويل بحثها المبكر وألحقت أضرارًا بسلامتها الجسدية من خلال التعرض للإشعاع. إنها الشخص الوحيد الذي فاز بجوائز نوبل في الفيزياء والكيمياء. كما فازت إحدى بناتها بجائزة نوبل. (المصدر: وزارة الطاقة في الولايات المتحدة)

النموذج هو تمثيل لشيء غالبًا ما يكون من الصعب جدًا (أو المستحيل) عرضه مباشرة. على الرغم من أن النموذج تبرره الاختبارات التجريبية، إلا أنه دقيق فقط في وصف جوانب معينة من النظام المادي. ومن الأمثلة على ذلك نموذج Bohr للذرات أحادية الإلكترون، حيث يتم تصوير الإلكترون على أنه يدور حول النواة، على غرار الطريقة التي تدور بها الكواكب حول الشمس (الشكل\(\PageIndex{5}\)). لا يمكننا مراقبة مدارات الإلكترون مباشرة، لكن الصورة الذهنية تساعد في تفسير بعض الملاحظات التي يمكننا القيام بها، مثل انبعاث الضوء من الغازات الساخنة (الأطياف الذرية). ومع ذلك، تظهر الملاحظات الأخرى أن الصورة في نموذج Bohr ليست حقًا ما تبدو عليه الذرات. النموذج «خاطئ»، لكنه لا يزال مفيدًا لبعض الأغراض. يستخدم الفيزيائيون النماذج لمجموعة متنوعة من الأغراض. على سبيل المثال، يمكن أن تساعد النماذج علماء الفيزياء في تحليل السيناريو وإجراء عملية حسابية أو يمكن استخدام النماذج لتمثيل الموقف في شكل محاكاة حاسوبية. ومع ذلك، في نهاية المطاف، يجب التحقق من نتائج هذه الحسابات وعمليات المحاكاة من خلال وسائل أخرى - وهي المراقبة والتجريب.

رسم توضيحي لنموذج Bohr لذرة إلكترون واحدة. تظهر ثلاثة مدارات إلكترونية محتملة كدوائر متحدة المركز تتمحور حول النواة. تُسمى المدارات، من الأعمق إلى الأبعد، n=1، n = 2، و n=3. يظهر إلكترون وهو يتحرك من مدار n = 3 إلى مدار n = 2، وينبعث منه فوتون ذو طاقة دلتا E يساوي h f. — الشكل\(\PageIndex{5}\): ما هو النموذج؟ يُظهر نموذج Bohr لذرة أحادية الإلكترون الإلكترون الذي يدور حول النواة في واحد من عدة مدارات دائرية محتملة. مثل جميع الموديلات، فإنه يلتقط بعض، وليس كل، جوانب النظام المادي.

تعني نظرية الكلمات شيئًا مختلفًا للعلماء عما يُقصد غالبًا عند استخدام الكلمة في المحادثة اليومية. على وجه الخصوص، بالنسبة للعالم، فإن النظرية ليست مثل «التخمين» أو «الفكرة» أو حتى «الفرضية». تبدو عبارة «إنها مجرد نظرية» بلا معنى وسخيفة للعلماء لأن العلم يقوم على مفهوم النظريات. بالنسبة للعالم، تعتبر النظرية تفسيرًا قابلاً للاختبار للأنماط في الطبيعة مدعومًا بالأدلة العلمية ويتم التحقق منه عدة مرات من قبل مجموعات مختلفة من الباحثين. تتضمن بعض النظريات نماذج للمساعدة في تصور الظواهر في حين أن البعض الآخر لا يفعل ذلك. لا تتطلب نظرية نيوتن للجاذبية، على سبيل المثال، نموذجًا أو صورة ذهنية، لأننا نستطيع مراقبة الأشياء مباشرة بحواسنا الخاصة. النظرية الحركية للغازات، من ناحية أخرى، هي نموذج يُنظر فيه إلى الغاز على أنه يتكون من ذرات وجزيئات. الذرات والجزيئات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها مباشرة باستخدام حواسنا - وبالتالي، فإننا نتصورها عقليًا لفهم ما تخبرنا به الأدوات عن سلوك الغازات. على الرغم من أن النماذج تهدف فقط إلى وصف جوانب معينة من النظام المادي بدقة، يجب أن تصف النظرية جميع جوانب أي نظام يقع ضمن مجال تطبيقه. على وجه الخصوص، يجب التحقق من أي آثار نظرية قابلة للاختبار تجريبيًا. إذا أظهرت التجربة في أي وقت أن الآثار المترتبة على نظرية ما خاطئة، فسيتم استبعاد النظرية أو تعديلها بشكل مناسب (على سبيل المثال، عن طريق الحد من مجال تطبيقها).

يستخدم القانون لغة موجزة لوصف نمط عام في الطبيعة مدعوم بالأدلة العلمية والتجارب المتكررة. في كثير من الأحيان، يمكن التعبير عن القانون في شكل معادلة رياضية واحدة. تتشابه القوانين والنظريات من حيث أنها بيانات علمية ناتجة عن فرضية مختبرة ومدعومة بأدلة علمية. ومع ذلك، فإن قانون التسمية عادة ما يكون مخصصًا لبيان موجز وعام جدًا يصف الظواهر في الطبيعة، مثل قانون الحفاظ على الطاقة أثناء أي عملية، أو قانون نيوتن الثاني للحركة، الذي يربط القوة (F) والكتلة (m) والعجلة (a) بالمعادلة البسيطة F = مللي أمبير. في المقابل، تعتبر النظرية بيانًا أقل إيجازًا للسلوك الملحوظ. على سبيل المثال، لا يمكن التعبير عن نظرية التطور ونظرية النسبية بإيجاز كافٍ لاعتبارها قوانين. الفرق الأكبر بين القانون والنظرية هو أن النظرية أكثر تعقيدًا وديناميكية. يصف القانون فعلًا واحدًا بينما تشرح النظرية مجموعة كاملة من الظواهر ذات الصلة. عادةً ما تسمى العبارات الأقل قابلية للتطبيق على نطاق واسع بالمبادئ (مثل مبدأ باسكال، الذي ينطبق فقط على السوائل)، ولكن التمييز بين القوانين والمبادئ غالبًا لا يتم بعناية.

تشير النماذج والنظريات والقوانين التي نبتكرها أحيانًا إلى وجود أشياء أو ظواهر لم يتم ملاحظتها حتى الآن. هذه التنبؤات هي انتصارات رائعة وتحية لقوة العلم. إن النظام الأساسي في الكون هو الذي يمكّن العلماء من إجراء مثل هذه التنبؤات المذهلة. ومع ذلك، إذا لم تتحقق التجارب من توقعاتنا، فإن النظرية أو القانون خاطئة، بغض النظر عن مدى أناقتها أو ملاءمتها. لا يمكن أبدًا معرفة القوانين بيقين مطلق لأنه من المستحيل إجراء كل تجربة يمكن تخيلها لتأكيد القانون لكل سيناريو ممكن. يعمل الفيزيائيون على افتراض أن جميع القوانين والنظريات العلمية صالحة حتى يتم ملاحظة مثال مضاد. إذا كانت تجربة جيدة يمكن التحقق منها تتناقض مع قانون أو نظرية راسخة، فيجب تعديل القانون أو النظرية أو الإطاحة بها تمامًا. إن دراسة العلوم بشكل عام، والفيزياء بشكل خاص، هي مغامرة تشبه إلى حد كبير استكشاف محيط مجهول. يتم إجراء الاكتشافات؛ وصياغة النماذج والنظريات والقوانين؛ ويصبح جمال الكون المادي أكثر روعة بالنسبة للرؤى المكتسبة.

Template:TranscludeAutoNum