الفيزياء التجريبية

الفيزياء التجريبية هي فئة التخصصات والتخصصات الفرعية في مجال الفيزياء التي تهتم بملاحظة الظواهر الفيزيائية والتجارب . وتختلف الأساليب من تخصص إلى آخر، من التجارب والملاحظات البسيطة، مثل تجارب جاليليو ، إلى التجارب والملاحظات الأكثر تعقيدًا، مثل مصادم الهدرونات الكبير .

الفيزياء التجريبية هي فرع من فروع الفيزياء يهتم بجمع البيانات وطرق جمع البيانات والتصور التفصيلي (خارج التجارب الفكرية البسيطة ) وتنفيذ التجارب المعملية. غالبًا ما يتم مقارنتها بالفيزياء النظرية ، والتي تهتم أكثر بالتنبؤ بالسلوك الفيزيائي للطبيعة وتفسيره بدلاً من الحصول على البيانات التجريبية.

على الرغم من أن الفيزياء التجريبية والنظرية تهتمان بجوانب مختلفة من الطبيعة، إلا أنهما تشتركان في نفس الهدف المتمثل في فهمها وتربط بينهما علاقة تكافلية. توفر الفيزياء التجريبية بيانات عن الكون، والتي يمكن تحليلها بعد ذلك من أجل فهمها، في حين توفر الفيزياء النظرية تفسيرات للبيانات وبالتالي تقدم نظرة ثاقبة حول كيفية الحصول على البيانات بشكل أفضل وإعداد التجارب. يمكن للفيزياء النظرية أيضًا أن تقدم نظرة ثاقبة حول البيانات المطلوبة من أجل اكتساب فهم أفضل للكون، وحول التجارب التي يجب ابتكارها من أجل الحصول عليها.

لقد عبر جيمس كليرك ماكسويل عن التوتر بين الجوانب التجريبية والنظرية للفيزياء بقوله: "إننا لا نبدأ في تجربة التأثير الكامل لما أسماه فاراداي "الجمود العقلي" إلا عندما نحاول أن نجعل الجزء النظري من تدريبنا على تماس مع الجانب العملي ـ ليس فقط صعوبة التعرف بين الأشياء الملموسة أمامنا على العلاقة المجردة التي تعلمناها من الكتب، بل وأيضاً الألم المشتت للانتباه الناتج عن انتزاع العقل بعيداً عن الرموز بالأشياء، ومن الأشياء إلى الرموز مرة أخرى. ولكن هذا هو الثمن الذي يتعين علينا أن ندفعه مقابل الأفكار الجديدة". ^[1]

تأسست الفيزياء التجريبية كمجال مميز في أوروبا الحديثة المبكرة ، خلال ما يُعرف بالثورة العلمية ، على يد فيزيائيين مثل جاليليو جاليلي وكريستيان هويجنز ويوهانس كيبلر وبليز باسكال والسير إسحاق نيوتن . في أوائل القرن السابع عشر، استخدم جاليليو التجريب على نطاق واسع للتحقق من صحة النظريات الفيزيائية، وهي الفكرة الأساسية في المنهج العلمي الحديث. صاغ جاليليو واختبر بنجاح العديد من النتائج في الديناميكيات، وخاصة قانون القصور الذاتي ، والذي أصبح فيما بعد أول قانون في قوانين نيوتن للحركة . في كتاب جاليليو " علمان جديدان" ، يناقش حوار بين الشخصيتين سيمبليسيو وسالفياتي حركة السفينة (كإطار متحرك) وكيف أن حمولة تلك السفينة غير مبالية بحركتها. استخدم هويجنز حركة قارب على طول قناة هولندية لتوضيح شكل مبكر من أشكال الحفاظ على الزخم .

يُعتقد أن الفيزياء التجريبية وصلت إلى نقطة عالية مع نشر كتاب Philosophiae Naturalis Principia Mathematica في عام 1687 بواسطة السير إسحاق نيوتن (1643-1727). في عام 1687، نشر نيوتن كتاب Principia ، الذي يفصل قانونين فيزيائيين شاملين وناجحين: قوانين نيوتن للحركة ، والتي نشأت منها الميكانيكا الكلاسيكية ؛ وقانون نيوتن للجاذبية العامة ، الذي يصف القوة الأساسية للجاذبية . يتفق كلا القانونين جيدًا مع التجربة. تضمن كتاب Principia أيضًا العديد من النظريات في ديناميكا الموائع .

منذ أواخر القرن السابع عشر فصاعدًا، تم تطوير الديناميكا الحرارية من قبل الفيزيائي والكيميائي روبرت بويل وتوماس يونج والعديد من الآخرين. في عام 1733، استخدم دانييل برنولي الحجج الإحصائية مع الميكانيكا الكلاسيكية لاستخلاص نتائج الديناميكا الحرارية، مما أدى إلى بدء مجال الميكانيكا الإحصائية . في عام 1798، أظهر بنيامين طومسون (الكونت رومفورد) تحويل العمل الميكانيكي إلى حرارة، وفي عام 1847، ذكر جيمس بريسكوت جول قانون حفظ الطاقة ، في شكل حرارة بالإضافة إلى الطاقة الميكانيكية. لودفيج بولتزمان ، في القرن التاسع عشر، هو المسؤول عن الشكل الحديث للميكانيكا الإحصائية .

إلى جانب الميكانيكا الكلاسيكية والديناميكا الحرارية، كان مجال آخر عظيم من مجالات البحث التجريبي في الفيزياء هو طبيعة الكهرباء . وقد خلقت الملاحظات التي أجراها علماء مثل بويل وستيفن جراي وبنجامين فرانكلين في القرنين السابع عشر والثامن عشر الأساس لأعمال لاحقة. كما أسست هذه الملاحظات فهمنا الأساسي للشحنة الكهربائية والتيار الكهربائي . وبحلول عام 1808، اكتشف جون دالتون أن ذرات العناصر المختلفة لها أوزان مختلفة واقترح النظرية الحديثة للذرة .

كان هانز كريستيان أورستد هو أول من اقترح العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية بعد ملاحظة انحراف إبرة البوصلة بسبب تيار كهربائي قريب. وبحلول أوائل ثلاثينيات القرن التاسع عشر، أثبت مايكل فاراداي أن المجالات المغناطيسية والكهرباء يمكن أن تولد بعضها البعض. في عام 1864، قدم جيمس كليرك ماكسويل إلى الجمعية الملكية مجموعة من المعادلات التي وصفت هذه العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. كما تنبأت معادلات ماكسويل بشكل صحيح بأن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية . بدءًا من علم الفلك، تبلورت مبادئ الفلسفة الطبيعية في قوانين أساسية للفيزياء تم صياغتها وتحسينها في القرون التالية. بحلول القرن التاسع عشر، انقسمت العلوم إلى مجالات متعددة مع باحثين متخصصين ومجال الفيزياء، على الرغم من تفوقه المنطقي، لم يعد بإمكانه المطالبة بالملكية الوحيدة لمجال البحث العلمي بأكمله.

ومن الأمثلة البارزة على مشاريع الفيزياء التجريبية ما يلي:

• مصادم الأيونات الثقيلة النسبي الذي يصطدم فيه الأيونات الثقيلة مثل أيونات الذهب (وهو أول مصادم للأيونات الثقيلة) والبروتونات ، ويقع في مختبر بروكهيفن الوطني ، في لونغ آيلاند، الولايات المتحدة الأمريكية.
• HERA ، الذي يصطدم بالإلكترونات أو البوزيترونات والبروتونات، وهو جزء من DESY ، الذي يقع في هامبورغ ، ألمانيا.
• LHC ، أو مصادم الهدرونات الكبير ، الذي اكتمل بناؤه في عام 2008 لكنه عانى من سلسلة من النكسات. بدأ LHC عملياته في عام 2008، لكنه أغلق للصيانة حتى صيف عام 2009. وهو أقوى مصادم في العالم عند اكتماله، ويقع في سيرن ، على الحدود الفرنسية السويسرية بالقرب من جنيف . بدأ المصادم العمل بكامل طاقته في 29 مارس 2010 بعد عام ونصف من الموعد المخطط له في الأصل. ^[2]
• LIGO ، مرصد الموجات الثقالية بالتداخل بالليزر، هو تجربة فيزيائية واسعة النطاق ومرصد لاكتشاف الموجات الثقالية الكونية وتطوير عمليات رصد الموجات الثقالية كأداة فلكية. يوجد حاليًا مرصدان LIGO: مرصد LIGO Livingston في ليفينجستون، لويزيانا ، ومرصد LIGO Hanford بالقرب من ريتشلاند ، واشنطن .
• تم إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي في عام 2021 ، وهو خليفة تلسكوب هابل الفضائي ، وسيقوم بمسح السماء في منطقة الأشعة تحت الحمراء، والهدف الرئيسي من تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو فهم المراحل الأولية للكون، وتكوين المجرات وكذلك تكوين النجوم والكواكب، وأصول الحياة.
• البحث عن أكسيون في ولاية ميسيسيبي (تم الانتهاء منه في عام 2016)، تجربة الضوء الساطع عبر الحائط (LSW)؛ مصدر EM: 0.7 متر، 50 وات، باعث موجات راديو مستمرة ^[3]

تستخدم الفيزياء التجريبية طريقتين رئيسيتين للبحث التجريبي، التجارب الخاضعة للرقابة ، والتجارب الطبيعية . غالبًا ما تُستخدم التجارب الخاضعة للرقابة في المختبرات حيث يمكن للمختبرات توفير بيئة خاضعة للرقابة. تُستخدم التجارب الطبيعية، على سبيل المثال، في الفيزياء الفلكية عند ملاحظة الأجرام السماوية حيث يكون التحكم في المتغيرات المؤثرة مستحيلًا.

تشمل التجارب الشهيرة ما يلي:

تتضمن بعض التقنيات التجريبية المعروفة ما يلي:

ومن بين علماء الفيزياء التجريبية المشهورين:

انظر الجدول الزمني أدناه للحصول على قوائم التجارب الفيزيائية.

• التسلسل الزمني للفيزياء الذرية ودون الذرية
• التسلسل الزمني للميكانيكا الكلاسيكية
• التسلسل الزمني للكهرومغناطيسية والبصريات الكلاسيكية
• الجدول الزمني لفيزياء الجاذبية والنسبية
• الجدول الزمني للاندماج النووي
• الجدول الزمني لاكتشافات الجسيمات
• التسلسل الزمني لتكنولوجيا فيزياء الجسيمات
• الجدول الزمني لحالات المادة والتحولات الطورية
• التسلسل الزمني للديناميكا الحرارية

• الفيزياء
• هندسة
• العلوم التجريبية
• أداة قياس
• برمجة النبض

• تايلور، جون ر. (1987). مقدمة لتحليل الأخطاء (الطبعة الثانية) . كتب العلوم الجامعية. رقم ISBN 978-0-935702-75-0.

• الوسائط المتعلقة بالفيزياء التجريبية على ويكيميديا ​​كومنز