ریاضیات و فیزیک

((رياضيات علم مدل‌دهي به ساير علوم است. يعني زبان مشترك نظريات علمي ساير علوم ، علم رياضي مي‌باشد و امروزه اگر علمي را نتوان به زبان رياضي بيان كرد، علم نمي‌باشد.))

همانطور كه ميدانيم رياضيات و فيزيك رابطه‌ي تنگاتنگي با هم دارند ، براي اينكه مقوله‌ي رياضيات براي انسان ، از شمارش موجودات هستي شروع شده و سيستم شمارش اعداد به تعداد انگشتان دو دست بوده است ( يعني مبناي دهدهي ) ، در واقع راهبرد انسان در رياضيات مقايسه‌ي تعداد اشيا با تعداد انگشتان دو دست است يعني يك حرفه‌ي دستي كه امروزه مكانيزه و ماشيني شده است . امروزه دو شاخه‌ي رياضيات و فيزيك جزء علوم پايه محسوب ميشوند و متاسفانه چون از هم جدا شده و هركدام به صورت حرفه‌اي و انحصاري دنبال ميشوند ، در پاره‌اي از موارد مشاهده ميشود كه اين دو علم فاصله‌اي‌ از هم گرفته و در بعضي از موارد سر ناسازگاري با هم گذاشته و تناقض‌هايي مابين آن دو ديده ميشود . در اين مبحث سعي مي‌كنيم كه اين دو شاخه‌ي جدا شده را پيوندي تازه زنيم و اين دو را با هم آشتي قهر ناپذير داده ، همراه و هم سو كنيم و به وسيله‌ي اين دو ، كليه‌ي پديده‌هاي موجود در عالم را توجيه نماييم ، البته تا حد توان و مقدوراتمان . رياضيات مختص فيزيك ، رياضياتي انحصاري ميباشد كه صرفا در خدمت فيزيك بوده و نمي‌تواند از قواعد فيزيكي عدول كند . و به قول دكارت " بعد از تحقيق بسيار دريافتم كه در علم رياضيات ، شما با مسايل مربوط به ترتيب و مقدار درگير هستيد و براي شما هيچ فرقي ندارد كه اين مقدار مربوط به ستارگان باشد يا هر شكل ديگري . بنابراين بايد علمي وجود داشته باشد كه هر پرسشي مربوط به ترتيب و مقدار را پاسخ گويد ، بدون توجه به آنكه راجع به ترتيب يا مقدار چه چيزي صحبت مي‌كند . من اين علم را رياضيات عام مي‌نامم ."

علم فیزیک

علم فیزیک رفتار و اثر متقابل ماده و نیرو را مطالعه می کند.مفاهیم بنیادی پدیده ها طبیعی تحت عنوان قوانین فیزیک مطرح می شوند.این قوانین به توسط علم ریاضی فرمولبندی می شوند به طوریکه قوانین فیزیک و روابط ریاضی در توافق هم بوده و مکمل هم هستند و دو تایی قادرند کلیه پدیده های فیزیکی را توصیف نمایند.

فیزیک و سایر علوم

فیزیک،دینامیک و ساختار درونی اتم ها را توصیف می کند و از آنجا که همه مواد شامل اتم ها هستند،پس هر عملی که در ارتباط با ماده باشد ،با فیزیک نیز مرتبط  خواهد بود عواملی مانند شیمی،زیست،دندانپزشکی،...فیزیک در صنعت ،معدن و هوانوردی و..نیز کاربرد فراوانی دارد.اینکه ابزار کار هر شغلی و هر عملی مبتنی بر استفاده از قوانین و مواد فیزیکی است.نقش اساسی فیزیک در سایر علوم و رشته ها را نمایان می کند.علاوه بر آن استفاده روز افزون از اشعه لیزر در جراحی ها و رادیوگرافی با اشعه ایکس در رادیولوژی و... نمونه هایی از کاربردهای بیشمار فیزیک در علوم دیگر می باشند.

 فیزیک (دریونانی: φύσις، طبیعتو φυσικῆ، دانش طبیعت) علم ماده وحرکت آن و همین‌طور فضاوزمان است. این علم از مفاهیمی مانندانرژی،نیرو، جرم وبار استفاده می‌کند. یکی از کارهای اصلی این علم اندازه‌گیری کمیتهای مختلف و پیدا کردن روابط بین این اندازه‌ها است و برای همین فیزیک را علم اندازه‌گیری خوانده‌اند.

امروزه فیزیکدان‌ها سامانه های بسیاری را بررسی می‌‌کنند: از ساختارهای بسیار بزرگ مانند کهکشان ها گرفته تا ذرات بی‌نهایت ریز و حتی سیستم‌های اقتصادی،زیستی,محیطی و مانند آن‌ها

هدف فیزیک توصیف تمام پدیده‌های طبیعی قابل مشاهده برای بشر توسط قوانین ریاضی (به اصطلاح کمی کردن طبیعت)می‌باشد. تا قبل از قرن بیستم با دسته بندی پدیده‌های قابل مشاهده تا آن روز متوجه شدند که طبیعت ازذرات مادی و دو نوع برهمکنش بین آنها(گرانشی والکترومغناطیسی) ومفهوم گرما (و نورکه معلوم شد موج الکترومغناطیسی است)تشکیل شده است. برای توصیف این پدیده ها به نظریه هایی در مورد برهمکنشها و گرما و نحوه حرکت اجسام مادی (به اصطلاح دینامیک طبیعت) احتیاج بود که سه نظریه

 1-مکانیک کلاسیک (گرانش و دینامیک)

۲-نظریه الکترومغناطیس (برهمکنشهای الکترومغناطیسی)

۳-نظریه ترمودینامیک  (گرما که مشخص شد حرکت آماری ذرات است و با نظریه مکانیک آماری توضیح داده شد)

این پدیده‌ها را توضیح می‌دادند. که به مجموع این نظریه‌ها فیزیک کلاسیک گفته می‌شود.

در ابتدای قرن بیستم  پدیده‌هایی مشاهده شدند که توسط این نظریه‌ها قابل توصیف نبودند. بعد از پیشرفتهای بسیار بنیادی در ربع اول قرن بیستم نظریه‌های فیزیکی با نظریه‌های کاملتری که این پدیده‌ها را نیز توصیف می‌کردند جایگزین گشتند. مهم‌ترین تغییر تشکیل دو دینامیک متفاوت برای اجسام ریز و اجسام بزرگ است.چون دینامیک اجسام بزرگ از لحاظ فلسفی به دینامیک قبلی نزدیکی زیادی دارد( بر خلاف دینامیک اجسام ریز که فلسفه‌ای کاملآ متفاوت با آن دو دارد) نظریه‌ها به دو دسته استفاده کننده از دینامیک بزرگ (اصطلاحآ کلاسیک) وکوانتمی تقسیم شدند.نظریه های فیزیک مدرن عبارت اند از:

۱-نسبیت عام  (برهمکنش گرانشی و دینامیک اجسام بزرگ)

۲-مکانیک کوانتومی  (دینامیک اجسام ریز)

۳-مکانیک آماری (حرکت آماری ذرات بر پایه دینامیک کوانتمی)

۴- الکترودینامیک کلاسیک (برهمکنش الکترومغناطیسی ونسبیت خاص )

بعدها با پیدا شدن دو برهمکنش دیگر (برهمکنش هسته ای قوی و برهمکنش هسته ای ضعیف ) برای فرمولبندی آنها هم اقدام شد واز نسبیت خاص برای تمام نظریه‌ها استفاده شد و کل نظریه‌ها عبارت شدند از :

۱- نسبیت عام

۲-مکانیک آماری

۳-الکترودینامیک کلاسیک  QED (برهمکنش الکترومغناطیسی و دینامیک کوانتمی)

۴-کرومونودینامیک کلاسیک QCD (برهمکنش هسته‌ای قوی و دینامیک کوانتمی)

۵-نظریه ضعیف کوانتمی (برهمکنش هسته‌ای ضعیف و دینامیک کوانتمی بعدآ با تلفیق با الکترودینامیک نظریه الکترو ضعیف  کوانتمی را ساخت)

تمام این نظریه‌ها به جز نسبیت عام از دینامیک کوانتمی استفاده می‌کنند. به مجموعه‌ای ازQED وQCD ونظریه ضعیف اصطلاحآ مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته می‌شود.

امروزه بسیاری از فیزیکدانان به دنبال متحد کردن چهار برهمکنش (نظریه وحدت بزرگ) می‌باشند که مشکل اصلی وارد کردن گرانش و استفاده از دینامیک کوانتمی برای گرانش می‌باشد. نظریه‌های گرانش کوانتومی و به خصوص نظریه ریسمان از نمونه‌های این تلاشها است. همچنین بیشتر نظریه های جدید از مفهومی به نام میدان استفا ده می کنند که به نظریه‌های میدان مشهور هستند. بيشتر واحدهاي درسي دانشجويان گرايش‌هاي مختلف رشته فيزيك، در دوره ليسانس مشترك چرا كه دانشجويان فيزيك تنها در سال آخر تحصيلي اقدام به انتخاب گرايش خود مي‌كنند و هر گرايش نيز تنها 9 واحد تخصصي يعني سه درس تدريس مي‌شود و به همين دليل نمي‌توان بين يك ليسانس گرايش فيزيك حالت جامد يا هسته‌اي و يا ساير گرايشهاي تفاوتي قائل شد يعني يك ليسانس فيزيك در هيچ‌يك از گرايشها متخصص نمي‌شود.

هر دانشجوي فيزيك در دوره كارشناسي بايد 130 واحد بگذراند كه دروس تخصصي هر يك از گرايشها فقط 9 واحد از اين 130 واحد است و بدون شك 9 واحد نمي‌تواند تغييري در ديدگاه دانشجويان ايجاد كند و هر دانشجو فقط شناختي جزئي نسبت به گرايش مورد نظر خود پيدا مي‌كند. تازه، گاه همين 9 واحد نيز به گونه‌اي مشترك اما در دروسي مختلف در هر يك از گرايشها تدريس مي‌شود يعني كتابها يا واحدهاي درسي هر گرايش، متفاوت است اما در كل همه به اطلاعات يكساني دست پيدا مي‌كنند. در نتيجه يك ليسانسه فيزيك، يك كارشناس فيزيك به معناي عام آن است و كارشناس يا متخصص در يكي از گرايشهاي فوق به شمار نمي‌آيد.

گرایش‌های گوناگون فیزیک

رشته فيزيك در دوره كارشناسي داراي 5 گرايش اتمي مولكولي، هسته‌اي ، حالت جامد، هواشناسي و نجوم است (البته فيزيك داراي گرايش دبيري نيز هست كه ما در اينجا به بررسي آن نمي‌پردازيم چرا كه گرايش دبيري به عنوان يك گرايش تخصصي در علم فيزيك مطرح نمي‌باشد) كه تعداد واحدهاي تخصصي هر يك از اين گرايش‌ها در دوره كارشناسي بسيار محدود است و به همين دليل گرايش‌هاي فوق در اين دوره تفاوت محسوسي با  يكديگر ندارند.

گرايش اتمي - مولكولي
فيزيك اتمي- مولكولي كه مربوط به فيزيك جديد است از زماني متولد شد كه دانشمندان متوجه شدند كوچكترين جزء در طبيعت اتم نيست بلكه اتم از اجزاي كوچكتري به نام الكترون‌ها و هسته تشكيل شده است. يعني اتم از هسته‌اي تشكيل شده است كه الكترون‌هايي در اطراف آن مي‌گردند.

در اين ميان فيزيك اتمي به بررسي نقل و انتقال‌هاي الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌پردازد و خواص آنها را مورد بررسي قرار مي‌دهد. يعني ما در فيزيك اتمي كاري به اين نداريم كه هسته از چه تشكيل شده است بلكه هسته برايمان مركزي با بار مثب اگر ما بپذيريم كه در كل، علم فيزيك به دو بخش دنياي بزرگ و دنياي كوچك تقسيم مي‌شود. دنياي بزرگ فيزيك ، مربوط به دنياي روزمره است و در آن حركت اتومبيل‌ها، موشك، ماهواره و در كل تمام حركاتي كه مي‌بينيم مورد بررسي قرار مي‌گيرد، فيزيك اتمي به دنياي بي‌نهايت كوچك‌ها برمي‌گردد چرا كه ما در فيزيك‌اتمي به بررسي ساختار ذره‌اي به نام اتم مي‌پردازيم و اين كه اتم چگونه تشكيل شده و چه ويژگي‌هايي دارد و بيشتر توجه ما جلب الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌شود.

گرايش فيزيك هسته‌اي

در فيزيك هسته‌اي، خود هسته، مورد مطالعه قرار مي‌گيرد يعني متخصصان و دانشمندان بررسي مي‌كنند كه هسته از چه تشكيل شده و چه نيروهايي بين اجزاي هسته حكمفرما است و در نتيجه واكنش‌هاي انجام شده،‌ چقدر انرژي آزاد مي‌گردد؟ انرژي هسته‌اي و راديوايزوتوپ‌ها مسائلي هستندكه در فيزيك هسته‌اي مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

فيزيك حالت جامد
گرايش حالت جامد مربوط به سيستم‌هاي بس ذره‌اي مخصوصا جامدات است.

ابتدايي‌ترين كار در اين گرايش بررسي بلورهاي جامدات و خواص اپتيكي ، مكانيكي، الكتريكي و صوتي امواجي است كه در آن منتشر مي‌شود كه اين بررسي منجر به پديده‌هاي مختلفي مثل ابر رسانايي، نيم رسانايي و يا پخش و انتقال گرما مي‌گردد. مطالعه دانش مربوط به كريستال‌ها و ويژگي‌هاي فيزيكي آنها به گرايش حالت جامد بر مي‌گردد.

گرايش هواشناسي
دو گرايش نجوم و هواشناسي بسيار محدودتر از سه گرايش اتمي – مولكولي، هسته‌اي و حالت جامد ارائه مي‌شود. براي مثال در سال تحصيل 79-78 گرايش هواشناسي تنها در دانشگاه هرمزگان ارائه شده و گرايش نجوم اصلا ارائه نشده است.

گرايش هواشناسي ، اطلاعات پايه‌اي و متنوعي درباره انواع پديده‌هاي جوي و برخورد علمي با آنها ارائه مي‌دهد و همچنين با مطالعه ديناميك وضعيت هوا مي‌توان بررسي كرد كه شرايط هوا چگونه تغيير كرده و چه پارامترهايي براي ايجاد اين تغيير لازم است.

گرايش نجوم

سه بخش اصلي اين گرايش را نجوم رصدي، اخترشناسي و كيهان‌شناسي تشكيل مي‌دهد.

در بخش نجوم كه جنبه مشاهداتي دارد، پديده‌هاي مختلف نجومي را رصد و ثبت كرده و سپس از آنها عكس گرفته و طيف آنها را مي‌سنجد. در اخترشناسي كه جنبه نظري دارد وضعيت ستارگان مورد مطالعه قرار مي‌گيرد يعني بررسي مي‌شود كه هر ستاره در چه مرحله‌اي قرار دارد و چه اتفاقاتي برايش رخ مي‌دهد؟

بخش كيهان‌شناسي نيز با اين كه زياد جنبه نجومي ندارد اما به هرحال پيشرفتش را مديون علم نجوم است. به اين معني كه مدل‌هاي مختلف كيهان‌شناسي بايد با داده‌هاي رصدي مطابقت كند.»‌ گفتني است كه اين كيهان‌شناسي به صورت كلاسيك به چگونگي ايجاد جهان و تشكيل ساختارهاي كهكشاني مانند خوشه‌ها و ابر خوشه‌ها مي‌پردازد.

تاریخ شمار فیزیک

1687:ایزاک نیوتن کتاب  اصول را منتشر کرد فیزیک که شامل سه قانون حرکت و نظریه ی جاذبه ی جهانی بود.نیوتن به وسیله محاسبه ی حرکت اجسام قابل دید به صورت ریاضی اصولی را برای نظریه ی جدید بوجود آورد.

1859:چارلز داروین منشآ انواع را نوشت و نطریه ی تکامل تدریجی در طبیعت را مطرح کردکه به الگویی غالب در زیست شناسی نوین تبدیل شد.

1873:جیمز مکسول نظریه ی الکترومغناطیس را مطرح کرد.قانون های او برای اولین بار نیروهای بنیادی را به هم پبوند داد.

1885:لویی پاستور با مایه کوبی موفقیت امیز یک پسر که به وسیله ی سگ ها گزیده شده بود،نظریه ی بیماری های میکروبی را مطرح کرد.این عمل آغاز  پیشگیری در پزشکی جدید بود.

1905:آلبرت اینشتین پنج مقاله در سه موضوع منتشر کرد که به طور کامل وجود اتم را ثابت کرد و نشان داد ،نور از اجزای تشکیل شده است و دید کلی انسان را در مورد فضا زمان برای همیشه تغییر داد.