الموضوعات التي يدرسها الفيزيائيون تقع في مجموعتين كبيرتين: الفيزياء التقليدية والفيزياء الحديثة، والاختلاف بينهما، في الدرجة الأولى، هو في الاهتمام والتركيز. فالفيزياء التقليدية تُعنى بالأسئلة حول الحركة والطاقة، وأقسامها خمسة: 1- الميكانيكا (علم الحركة) 2- الحرارة 3- الصوت 4- الكهرباء والمغنطيسية 5- الضوء.
أما الفيزياء الحديثة فتركز على دراسة التركيب الأساسي للعالم المادي، وتشمل حقولها الكبيرة: 1- الفيزياء الذرية والجزيئية والإلكترونية 2- الفيزياء النووية 3- فيزياء الجسيمات 4- فيزياء الطاقة الصلبة 5- فيزياء الموائع والبلازما.
فروع الفيزياء الكبيرة
إقتباس :
البصريات : تدرس طبيعة وسلوك الضوء.
الجيوفيزياء : هي دراسة الأرض وجوها ومياهها بوساطة مبادئ الفيزياء.
الدينامية الحرارية : دراسة الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى وتحولات الطاقة من شكل إلى آخر.
الدينامية الكهربائية : تحلل العلاقة بين القوى الكهربائية والمغنطيسية.
علم الصوتيات : يدرس إنتاج وخواص الصوت.
فيزياء البلازما : تهتم بدراسة الغازات المؤيَّنة. بدرجة عالية - أي الغازات التي انفصلت إلى جسيمات موجبة أو سالبة الشحنة.
الفيزياء الجزيئية : تدرس تركيب وخصائص وسلوك الجزيئات.
فيزياء الجسيمات أو فيزياء الطاقة العالية : تحلل سلوك وخواص الجسيمات الأولية.
فيزياء الحالة الصلبة : وتسمى أيضًا فيزياء المادة المكثفة أيضًا تتناول الخصائص الفيزيائية للمواد الصلبة.
فيزياء الحرارة المنخفضة : تدرس الحرارة المنخفضة جدًا.
الفيزياء الحيوية : تطبق أدوات ووسائل الفيزياء لدراسة الأحياء والعمليات الحيوية.
الفيزياء الذرية : تدرس تركيب وخصائص وسلوك الذرة.
الفيزياء الرياضية : هي دراسة النظم الرياضية التي تمثل الظواهر الطبيعية.
فيزياء الصحة : تتعلق بحماية الذين يعملون في مجال الإشعاع أو قريبًا من الإشعاع.
فيزياء الكَم : تشمل مجالات عديدة تُبنى فيها الدراسة على النظرية الكمية، التي تعنى بالماء والإشعاع الكهرومغنطيسي وتفاعلاتهما.
فيزياء الموائع : تُعنى بسلوك وحركة السوائل والغازات.
الفيزياء النووية : تُعنى بتركيب وخصائص النواة الذرية وبالتفاعلات النووية وتطبيقاتها.
الميكانيكا : تُعنى بسلوك الأجسام والنظم الفيزيائية عند استجابتها للقوى المختلفة.
الميكانيكا تُعنى بدراسة الأجسام في حالتي السكون والحركة. فهي تدرس، على سبيل المثال، كيف تعمل القوة على جسم لتنتج تسارعًا. وميكانيكا الأجسام المتحركة تسمى الديناميكا، وميكانيكا الأجسام الساكنة تسمى الإستاتيكا أو علم السكون. وهناك فرع من الميكانيكا اسمه ميكانيكا الموائع، يُعنى بسلوك السوائل والغازات. وتُستخدم مبادئ الميكانيكا لوصف أنواع من الحركة، مثل مدارات الكواكب ومسارات أجسام متحركة أخرى. كما أن هذه المبادئ مهمة لمصممي الجسور والمنشآت الأخرى، ولمهندسي الطرق ولصانعي الحاويات والأنواع المختلفة من المركبات.
الحرارة. دراسة الحرارة تسمى الدينامية الحرارية، وتتعلق ببحث كيفية إنتاج الحرارة وانتقالها من موقع إلى آخر وتأثيرها على المادة وكيفية تخزينها. ويمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى أنواع أخرى من الطاقة وبالعكس. فعند احتراق الفحم الحجري على سبيل المثال، يتحول جزء من الطاقة الكيميائية التي تربط بين جزيئاته إلى حرارة. وتشمل الدينامية الحرارية أيضًا علم التقريس الذي يدرس المواد عند درجات منخفضة جدًا من الحرارة. ومبادئ الدينامية الحرارية ضرورية لفهم كل أنواع الآلات الحرارية، التي تشمل آلات الديزل والبنزين والبخار كما تشمل آلات أجهزة التبريد.
الصوت. دراسة الصوت تسمى الصوتيات. ويتكون الصوت من الاهتزازات التي ينتجها جسم وتنتقل خلال وسط، مثل الهواء أو الماء أو جدران المباني. وفهم الصوت مهم لتصميم القاعات الكبيرة ومعينات السمع ومسجلات الأشرطة وأجهزة الفونوغراف ومكبِّرات الصوت. وتشمل دراسة الصوت كذلك الموجات فوق الصوتية التي تختص بالاهتزازات التي تكون تردداتها أعلى من مدى السمع البشري.
الكهرباء والمغنطيسية تتصلان اتصالاً وثيقًا حتى إن العلماء كثيرًا ما يشيرون إليهما معًا بمصطلح الكهرومغنطيسية. فحركة الشحنات الكهربائية يمكن أن تُحدث تأثيرات مغنطيسية، والقوى المغنطيسية يمكن أن تُحدث تأثيرات كهربائية. ومعرفة هذه العلاقة أدت إلى تطوير مولدات كهربائية ضخمة وتطوير الأجهزة الإلكترونية مثل المذياع والتلفاز والحاسوب.
الضوء. دراسة الضوء تسمى البصريات، ولها فرعان كبيران:البصريات الفيزيائية والبصريات الهندسية. يدرس الفيزيائيون في البصريات الفيزيائية طبيعة الضوء والعمليات الفيزيائية التي تتسبب في انطلاقه من الأجسام وانتقاله من مكان إلى آخر. أما البصريات الهندسية فهي دراسة كيفية انتقال الضوء وتأثير المواد المختلفة في اتجاه انتقاله. مثل هذه الدراسة مهمة لفهم تطبيقات مثل العدسات والمرايا التي تستخدم في المناظير الفلكية والمجاهر والنظارات.
الفيزياء الذرية والجزيئية وفيزياء الإلكترون تُعنى بمحاولات فهم التركيب الذري والجزيئي وحركة الإلكترونات وخواصها. وتركزِّ هذه الدراسات بصفة خاصة، على سلوك وترتيب وحركة وطاقة الإلكترونات التي تدور حول النوى الذرية. وقد كشفت البحوث في الفيزياء الذرية والجزيئية وفيزياء الإلكترون عن الكثير فيما يخص تركيب المادة. على سبيل المثال، تأكد للعلماء أن المواد يختلف بعضها عن الآخر في ترتيب الذرات في الجزيئات. وبسبب هذا الاختلاف نجد أن الطريقة التي تمتص بها المادة الطاقة الكهرومغنطيسية وتبثها مختلفة في كل مادة عن الأخرى. ونتيجة لهذا يتمكن العلماء من تمييز المادة بناء على النشاط الكهرومغنطيسي وحده. ولهذه الطريقة في تمييز المواد تطبيقات مهمة في الطب وفي الحالات المعينة التي تنشأ في الصناعة عندما تكون كميات المادة المعنية قليلة جدًا.
الفيزياء النووية تُعنى بدراسة تركيب وخصائص النواة الذرية، وتركز بصفة خاصة على النشاط الإشعاعي والانشطار والاندماج. والنشاط الإشعاعي هو العملية التي بموجبها تطلق بعض النوى تلقائيًا جسيمات عالية الطاقة أو أشعة. وتُستخدم المواد المشعة لعلاج السرطان ولتشخيص الأمراض ولمتابعة العمليات الكيميائية والفيزيائية. والانشطار هو عملية انقسام النواة الذرية إلى جزءين متساويين تقريبًا مع إطلاق قدر هائل من الطاقة. ومن الانشطار تأتي طاقة القنابل الذرية والمفاعلات النووية. أما الاندماج فهو عملية التحام نواتي ذرتين لتكونا نواة عنصر أثقل، ويحدث بالدرجة الأولى في حالة الهيدروجين والعناصر الخفيفة الأخرى. وتنتج عملية الاندماج، التي تطلق طاقة أكبر من طاقة الانشطار، طاقة القنبلة الهيدروجينية.
فيزياء الجسيمات. اكتشف الفيزيائيون أن البروتونات والنيوترونات داخل النواة الذرية تتكون من جسيمات أولية أدق. ويُجري فيزيائيو الجسيمات الأبحاث باستخدام أجهزة تسمى معجِّلات الجسيمات. وتستطيع هذه الأجهزة أن تدفع بالجسيمات تحت الذرية إلى سرعات عالية جدًا. وعندما تبلغ سرعات هذه الجسيمات قيمًا قريبة جدًا من سرعة الضوء، يُسْمح لها بالتصادم مع المادة. ويدرس الفيزيائيون الشظايا التي تنتج من التصادمات ويقيسون طاقاتها. وبهذه الكيفية يأملون أن يفهموا كيف تترابط الجسيمات الأولية لتكون البروتونات والنيوترونات والجسيمات تحت الذرية الأخرى.
فيزياء الحالة الصلبة. وتسمى أيضًا فيزياء المادة المكثَّفة. يمكن تصنيف المواد الصلبة وفق الكيفية التي تتفاعل بها الإلكترونات والنوى في الذرات المختلفة. ويهتم الفيزيائيون الذين يدرسون المواد الصلبة بتأثر خصائص هذه المواد بعوامل مثل الحرارة والضغط. فبعض المواد الصلبة مثلاً، تفقد كل المقاومة الكهربائية عند الدرجات المنخفضة جدًا، مما يجعلها تتحول إلى موصّلات فائقة. وأبحاث التركيب الإلكتروني للمواد الصلبة ذات أهمية خاصة في فهم سلوك أشباه الموصّلات التي هي أساس الأجهزة الإلكترونية الحديثة.
فيزياء الموائع والبلازما. فيزياء الموائع الحديثة مبنية على مبادئ ميكانيكا الموائع التقليدية. ويعتبر فهم سلوك وحركة الموائع أمرًا مهمًا لتصميم وصناعة السيارات والسفن والطائرات والصواريخ، كما هو مهم لدراسة الأحوال الجوية. أما فيزياء البلازما فتُعنى بدراسة الغازات التي تسمى البلازما. فعندما تزيد طاقة الغاز على قدر معين يصبح الغاز مؤيّنًا، أي مكوَّنًا من جسيمات مشحونة كهربائيًا، لانفصال الجسيمات سالبة الشحنة عن الجسيمات موجبة الشحنة. ويسمى هذا الغاز البلازما، ويستخدم في أضواء النيون وفي المصابيح الفلورية. ويدرس الفيزيائيون كيف يمكن التحكم في البلازما من أجل استخدامها لإنتاج طاقة الاندماج لتوليد الكهرباء.
