All physics explained in 15 minutes (worth remembering)

هذا الفيديو برعاية الدورات الرائعة بلس. على الرغم من أنه من المستحيل تدريس جميع الفيزياء في أقل من 20 دقيقة ، إلا أنني أدرك أن الغالبية العظمى من الناس لا يحتاجون إلى فهم جميع الفيزياء بكل مجدها الرياضي المعقد . لكنني أعتقد أنه من المفيد معرفة القليل من الفيزياء لأنها وثيقة الصلة بحياتك اليومية.

الفيزياء هي جوهر الواقع ، وهي الأساس الأساسي لجميع العلوم التجريبية تقريبًا - البيولوجيا والكيمياء والطب والهندسة المعمارية والجيولوجيا والأرصاد الجوية وجميع التخصصات الهندسية. لذلك لا أريد أن أقدم لك ببساطة قائمة بالفيزياء. يمكنك أن تجد ذلك بسهولة على ويكيبيديا.

سأشرح ما أعتقد أنه أهم المفاهيم التي تستحق المعرفة. دعنا نواجه الأمر ، فإن معظم الأشخاص الذين يدرسون في الفيزياء الجامعية أو الثانوية سوف ينسون معظمها بعد بضع سنوات على أي حال ، ما لم تكن بالطبع مدرسًا أو لديك وظيفة فنية أو تنشئ مقاطع فيديو على youtube. لذلك سأشرح فقط الأشياء التي أعتقد أنها تستحق تذكرها في جميع الفيزياء.

هذا قادم الآن . . .

هناك خمسة مجالات واسعة من الفيزياء أعتقد أنه يجب أن تعرف القليل عنها: الميكانيكا الكلاسيكية والطاقة والديناميكا الحرارية والكهرومغناطيسية والنسبية وميكانيكا الكم. ربما تكون الميكانيكا الكلاسيكية هي الأكثر صلة بتجاربك اليومية. هنا علينا أن نقدم والد الميكانيكي الكلاسيكي إسحاق نيوتن ، الذي يمكن القول إنه أعظم عالم في كل العصور.

هناك نوعان من المفاهيم الرئيسية التي تستحق التذكر. الأول مجسد في قانون نيوتن الثاني. F = ma القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع.

هذه معادلة بسيطة مخادعة لها بعض التداعيات الضخمة. القوة في الفيزياء الكلاسيكية ، تعني فقط الدفع أو الشد. الكتلة هي مقياس للقصور الذاتي ، أي مقدار ما لا يريد تغييره في الحركة.

التسارع هو مدى سرعة تغير سرعتك. إذا قمت بتطبيق قوة على كتلة ثابتة ، فإنها تخبرك مقدار التسارع الذي ستحصل عليه. ومعرفة التسارع الذي هو التغير في السرعة، يمكنك جعل التوقعات، حيث مثل كائن سيكون في وقت معين في الفضاء.

إذن بهذه الصيغة البسيطة على سبيل المثال ، يمكنني أن أتنبأ بالضبط أين توجد كرة السلة وأين تتجه. إذا كنت أعرف كل القوى المؤثرة عليها بما في ذلك احتكاك الهواء ، وهو أيضًا قوة ، يمكنني أن أتوقع بالضبط ما إذا كانت ستمر عبر الطوق أم لا. يمكن استخدام هذه الصيغة لتحديد مقدار التعزيز الذي ستحتاجه لبناء جسر ، وكيفية حساب قوة رفع الصاروخ.

إنها معادلة قوية للغاية القوة ليست شيئًا ماديًا. إنه مقياس للتفاعل. جسمك ليس لديه قوة.

لها كتلة. وزنك هو القوة التي يبذلها جسمك على الأرض. من الناحية الفنية ، لا تزن 80 كيلوجرامًا لأن هذه هي كتلتك.

يجب أن تقول إنك تزن 784 نيوتن ، وهي كتلتك مضروبة في تسارع الجاذبية على الأرض 9. 8 م / ث ^ 2. لإعطائك فكرة عن الحجم ، فإن نيوتن واحد من القوة يعادل القوة التي ستشعر بها على راحة يدك إذا كنت تحمل تفاحة صغيرة.

المعادلة الثانية ، أيضًا من نيوتن ، هي قانون الجاذبية الكونية. يسمح لنا بتحديد حركة الأجرام السماوية ، مثل القمر الذي يدور حول الأرض أو الكواكب التي تدور حول النجوم. تقول بشكل أساسي أن التجاذب الثقالي بين جسمين هو ناتج كتلتيهما مقسومًا على مربع المسافة بينهما ، مضروبًا في ثابت ، يسمى ثابت الجاذبية لنيوتن.

يخبرك أن الجذب الثقالي يتضاءل بسرعة عندما تتحرك الأجسام متباعدة لأنها تتناسب مع معكوس المسافة المربعة. كان هذا كشفًا عندما صاغه نيوتن ، لأنه شرح رياضيًا حركة جميع الأجرام السماوية. لا يزال يعمل بشكل جيد للغاية اليوم.

جاءت الأفكار حول الطاقة بعد حوالي 100 عام من نيوتن. قد تكون الفكرة الأكثر أهمية في الفيزياء. الطاقة ليست متجهًا مثل القوة أو الزخم.

ليس له اتجاه ، لكنه رقم. يرتبط العمل ارتباطًا وثيقًا بالطاقة. لديها نفس الوحدات.

العمل هو القوة مضروبة في المسافة المقطوعة. نيوتن واحد في المتر يساوي واحد جول. إذا رفعت تفاحة صغيرة مترًا واحدًا ، فسيستهلك ذلك جولًا واحدًا من الطاقة أو العمل.

الطاقة هي حقًا مقياس لمقدار العمل الذي يمكنك القيام به. العمل هو ببساطة نقل الطاقة من شكل إلى آخر. تتكون الطاقة لمعظم الأجسام من الطاقة الحركية بالإضافة إلى الطاقة الكامنة.

الطاقة الحركية هي الطاقة للحركة. يتم التعبير عنها بنصف ضعف الكتلة مضروبة في السرعة. E = ½ MV ^ 2 - كلما زادت الكتلة لديك و / أو زادت السرعة لديك ، زادت الطاقة لديك.

تُحدث السرعة فرقًا أكبر في الطاقة من الكتلة. الانتقال من 80 ميلاً في الساعة إلى 60 ميلاً في الساعة يقلل من طاقة سيارتك بنسبة 50٪ تقريبًا ، مما يعني أنه في حالة وقوع حادث ، تكون لديك فرصة أكبر للبقاء على قيد الحياة بسرعة أبطأ بمقدار 20 ميلًا في الساعة. إذا كنت تحمل هاتفك وقمت بإسقاطه عن طريق الخطأ من السكون على الخرسانة ، فمن المحتمل أن يتلف هاتفك.

ولكن من أين أتت الطاقة لتتلفها؟ كان الهاتف يحتوي على ما يسمى طاقة الجاذبية المحتملة عندما كنت تمسكه بالقرب من أذنك. تم تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية حيث انخفض. يتم التعبير عن طاقة الجاذبية الكامنة بالكتلة مضروبة في تسارع الجاذبية مضروبة في الارتفاع.

هذه حقًا طريقة أخرى للتعبير عن القوة مضروبة في المسافة ، أو العمل. يتم تحويل هذه الطاقة الكامنة إلى عمل أو قوة تعمل على الزجاج والتي تكسرها عندما يصطدم الهاتف بالأرض. لذا فإن الطاقة الكلية لجسم ما هي الطاقة الحركية بالإضافة إلى الطاقة الكامنة.

يمكن أن تتخذ الطاقة الكامنة عدة أشكال. يحتوي البنزين أو البنزين على سبيل المثال على طاقة كيميائية محتملة. أهم شيء يجب أن تتذكره عن الطاقة هو الحفاظ على الطاقة دائمًا.

لم يتم إنشاؤه أو تدميره. إنه يغير الشكل فقط . يؤدي الحديث عن الطاقة بشكل طبيعي إلى الديناميكا الحرارية ، وهي دراسة العمل والحرارة والطاقة في النظام.

أكبر المفاهيم الجديرة بالتذكر هي تدفق الحرارة. لقد حددنا الطاقة على أنها مقدار العمل الذي يمكنك القيام به. لكن الطاقة الحرارية هي شكل آخر من أشكال الطاقة.

إذا كانت السيارة تتحرك وقمت بالضغط على الفرامل ، فإن الطاقة الحركية للسيارة تصبح صفراً. أين ذهبت تلك الطاقة؟ لم تدخل في طاقة الجاذبية الكامنة. ولا يتم تخزينها في السيارة في مكان ما.

هل اختفت؟ لا ، لقد تم تحويلها إلى طاقة حرارية ناتجة عن احتكاك مكابح السيارة. الحرارة هي تدفق للطاقة الحرارية من جسم إلى آخر. تعمل الطاقة الحرارية الناتجة عن الفرامل على زيادة الطاقة الحركية أو حركة الجزيئات في الهواء ، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة الهواء المحيط.

هذا هو المكان الذي تنتهي فيه الطاقة الحركية لسيارتك بعد أن تتوقف. درجة الحرارة هي متوسط ​​الطاقة الحركية للذرات في النظام. الطاقة الحرارية هي الكمية الإجمالية للطاقة الحركية للذرات في النظام.

مفهوم آخر في الديناميكا الحرارية هو فكرة الانتروبيا. الانتروبيا هو مقياس للاضطراب ، ولكن بشكل أكثر دقة ، هو مقياس للمعلومات المطلوبة لوصف الحالات الدقيقة للنظام. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن إنتروبيا نظام معزول لا يمكن أن تنخفض أبدًا.

إذا وضعت سائلين معًا في دلو ، أحدهما بارد جدًا والآخر ساخن جدًا ، فلماذا لا يمكنك الحصول عليه بحيث يصبح الجزء البارد أكثر برودة والجزء الساخن يصبح أكثر سخونة؟ لا يزال من الممكن الحفاظ على الطاقة لأن الانخفاض في الطاقة الحرارية للمياه الباردة ، يمكن أن يقابله زيادة الطاقة الحرارية للماء الساخن. سبب عدم حدوث ذلك هو بسبب القانون الثاني. الكون هو على مسار لا يرحم إلى أعلى وأعلى الكون، أو المزيد والمزيد من الفوضى.

ما يخبرنا به هذا القانون عمليًا هو أن بعض الطاقة أكثر فائدة للقيام بالعمل أكثر من غيرها. يمكن أن تؤدي الطاقة في الانتروبيا المنخفضة عملًا أكثر من الطاقة في الانتروبيا الأعلى. على سبيل المثال ، تعد الطاقة المخزنة في البنزين أكثر فائدة للقيام بالعمل ، من الطاقة الحرارية التي تتبدد من مكابح سيارتك.

الطاقة المنتظمة أكثر فائدة من تلك الأقل تنظيماً. لن تقوم الحرارة والعادم من السيارة بإعادة ترتيب نفسها تلقائيًا لتصبح البنزين. لكن يمكن تحويل البنزين إلى حرارة وعادم.

من المهم أن تتذكر عبارة "نظام معزول" - إذا وضعت كوبًا من الماء في الفريزر ، فسوف ينخفض ​​الإنتروبيا. لكن الفريزر ليس نظاماً معزولاً لأن الثلاجة تستخدم الطاقة من الكهرباء لتبريد الداخل. يزيد من إنتروبيا الغرفة عن طريق تسخين الغرفة أكثر من تبريد ما بداخل الثلاجة.

يجب أن تتذكر أيضًا هذه الحقيقة: يبدو أن الاتجاه الأحادي لتدفق الانتروبيا هو السبب الوحيد الذي يجعلنا نمتلك اتجاهًا أماميًا للوقت. الكهرومغناطيسية هي دراسة التفاعل بين الجسيمات المشحونة كهربائيًا. تتجسد المفاهيم الأساسية في معادلات ماكسويل .

الأشياء لها شيء يسمى شحنة. نحن لا نعرف ما هو عليه. إنها مجرد خاصية لأنواع معينة من المادة مثل الإلكترونات.

إذا كان لجسم كبير شحنة سالبة ، فهذا يعني أنه يحتوي على إلكترونات أكثر من البروتونات. المفهوم الأول الذي أريدك أن تفهمه هو أنه إذا كان لديك جسم ثابت بشحنة ، فسيؤثر فقط على الرسوم الأخرى. وإذا كان لديك مغناطيس ثابت ، فإنه سيؤثر فقط على المغناطيسات الأخرى.

لن تؤثر على الرسوم. ولكن إذا كانت لديك شحنة متحركة ، فإنها ستؤثر على المغناطيس. وإذا كان لديك مغناطيس متحرك ، فسيؤثر على الشحنة.

في أبسط مستوى من الوصف ، هذا ما تدور حوله هذه المعادلات الأربع. تقول المعادلة الأولى أنه إذا كانت لديك شحنة كهربائية ، فسيكون هناك مجال كهربائي ينبعث منها. المعادلة الثانية هي في الأساس نفس المفهوم للمغناطيس ، باستثناء أن المغناطيس سيكون له دائمًا العديد من خطوط المجال الخارجة ، مثل العودة.

طريقة أخرى لقول هذا هو أن المغناطيس سيكون له دائمًا قطبان ، قطب موجب وسالب. لا يمكن أبدا أن يكون احتكارا. يمكنك الاستمرار في تكسير المغناطيس ، لكنه سيشكل دائمًا مغناطيسًا جديدًا بقطبين.

تقول المعادلة الثالثة أنه إذا قمت بتحريك مغناطيس ، فسوف تخلق مجالًا كهربائيًا. هذا يعني أنه إذا كانت الشحنة قريبة ، فستشعر بقوة. هذه هي الطريقة التي يتم بها توليد الكهرباء - عن طريق تحريك المغناطيس.

تقول المعادلة الرابعة أن الشحنة المتحركة أو المجالات الكهربائية المتحركة تخلق مجالًا مغناطيسيًا . أريدكم أن تأخذوا في الاعتبار أن الثوابت mu naught و epsilon naught هي نفاذية وسماحية الفضاء الحر ، على التوالي. يحدد هذان الثابتان سرعة الضوء لأنهما يقيسان مقاومة الفضاء لتغير المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

يقودنا هذا إلى ألبرت أينشتاين ونظريته النسبية ، التي أدت إلى ثورة في الفيزياء. ومن المثير للاهتمام أن عنوان ورقته البحثية عام 1905 حول النسبية الخاصة كان يسمى "في الديناميكا الكهربية للأجسام المتحركة ". يخبرك هذا بمدى ارتباط هذه النظرية بأفكار ماكسويل.

اعتقد أينشتاين أنه إذا تم تحديد سرعة الضوء من خلال ثابتين ، مو نوت و صفر إبسيلون ، فإن سرعة الضوء تكون ثابتة أيضًا ، وقد لا تتغير في أي إطار مرجعي. كان هذا أحد افتراضات النسبية الخاصة. كان الافتراض الثاني هو مبدأ النسبية ، مما يعني أن قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع المراقبين الذين يتحركون بنفس السرعة بالنسبة لبعضهم البعض.

إذا كان هذان الافتراضان صحيحين ، فقد كان لذلك بعض الآثار الرئيسية. لنفترض أنك ثابت بجوار قطار يتحرك عند 0. 5 درجة مئوية ، أي نصف سرعة الضوء ، وقمت بتشغيل مصباح يدوي في اتجاه القطار المتحرك.

افترض أن شخصًا آخر على متن القطار وقام بتشغيل مصباح يدوي مماثل في نفس اللحظة بالضبط. إذا رأيت شعاع الضوء في القطار ، فقد تعتقد أنه يجب أن يتحرك بسرعة 1. 5 ضعف سرعة الضوء.

لكنها لا تفعل ذلك. يتحرك بسرعة 1 مرة C. هل يعني هذا أن الرجل في القطار يرى سرعة الضوء تتحرك بنصف سرعة الضوء؟ لا - نظرًا لمبدأ النسبية ، فإنه يرى أيضًا شعاع الضوء من مصباحه يتحرك في C بالضبط.

يبدو أن هذا تناقض. كيف يمكن التوفيق بين هاتين الملاحظتين؟ ما أظهره أينشتاين هو أن الطريقة الوحيدة التي يمكن أن يحدث بها ذلك هي إذا كان وقت الشخص في القطار يتباطأ من منظور شخص ما يقف ساكنًا. كانت هذه هي الرؤية المتغيرة للنموذج الحاسمة التي أطلقها على الإنسانية.

لم يتم تحديد الوقت. كان نسبيًا. لاحقًا ، أظهر أينشتاين ، من خلال نظريته في النسبية العامة ، باستخدام نفس الافتراضات العامة ، أنه لن تكون هناك طريقة لمعرفة ما إذا كنت في إطار مرجعي متسارع ، أو ثابتًا على الأرض.

على سبيل المثال ، إذا كنت على متن مركبة فضائية تتحرك بنفس سرعة الجاذبية ، 9. 8 متر لكل ثانية مربعة ، وكنت تحمل مصباحًا يدويًا عموديًا على اتجاه التسارع ، فسيظهر الضوء وكأنه منحنٍ ، لأن الجدار سوف يندفع لأعلى بسرعات أعلى من أي وقت مضى. هذا يعني أنك إذا كنت في أي مكان على الأرض واقفًا ثابتًا ، وقمت بنفس التجربة ، فسيظهر شعاع الضوء أيضًا وكأنه ينحني لأن التسارع الناتج عن الجاذبية هو 9.

8 متر لكل ثانية مربعة. ولكن نظرًا لأن الضوء يأخذ دائمًا أقصر مسار بين أي نقطتين ، فإن هذا يعني أن الزمكان نفسه يجب أن ينحني حتى يأخذ الضوء ذلك المسار. المسار المنحني هو أقصر مسار ، تمامًا مثل أقصر المسارات على سطح الأرض.

لذلك يجب أن ينحني الزمكان في وجود الجاذبية. أجد أنه من المفارقات أن أينشتاين ، على الرغم من أنه كان أحد مؤسسي ميكانيكا الكم لأنه أظهر أن الضوء يأتي في حزم من الطاقة ، تسمى كوانتا. نسميها الآن فوتونات.

ومع ذلك ، فقد بقي إلى حد كبير مقاومًا للتضمين الرئيسي لميكانيكا الكم - وهي فكرة الطبيعة الاحتمالية وغير الحتمية للجسيمات الكمومية. هناك العديد من المعادلات في ميكانيكا الكم ، ولكن من وجهة نظري هناك ثلاثة مبادئ من المهم تذكرها. ويتم التعبير عنها في ثلاث معادلات.

كان ماكس بلانك هو من دافع عن المعادلة الأولى ، والذي يمكن القول إنه والد ميكانيكا الكم. تقول أن الطاقة ليست مستمرة ، بل هي كمية. الطاقة الممتصة أو المنبعثة من المواد يمكن أن تحدث فقط بكميات مختلفة من الطاقة.

ومقدار الطاقة يساوي تواتر الإشعاع مضروبًا في ثابت يسمى ثابت بلانك. باستخدام هذا المفهوم ، أظهر أينشتاين لاحقًا أن الفوتون عبارة عن موجة وجسيم. يتم التعبير عن الفكرة الثانية من خلال مبدأ عدم اليقين في Heisenberg.

تقول بشكل أساسي أنه لا يمكنك معرفة موقع الجسيم الدقيق وزخمه الدقيق في نفس الوقت. بالنسبة لجسيم ذي كتلة ، فهذا يعني أنه إذا كنت تعرف بالضبط مكان وجود الجسيم ، فأنت لا تعرف مدى سرعة التحرك. وإذا كنت تعرف بالضبط مدى سرعتها ، فليس لديك أي فكرة عن مكانها.

هناك عدم يقين متأصل مرتبط بالجسيمات الكمومية . الفكرة الثالثة تأتي من معادلة شرودنجر . تقول بشكل أساسي أنه قبل القياس ، تكون الأنظمة الكمومية في حالات متراكبة .

هذا يعني أنه لا يمكن التعبير عن خصائصها إلا من خلال دالة موجية. إن الدالة الموجية المبسطة بشكل فظ هي مجموعة من الاحتمالات. على سبيل المثال ، في ذرة الهيدروجين ، لا يمكنك معرفة مكان العثور على الإلكترون مسبقًا.

كل ما يمكنك معرفته هو احتمال المكان الذي قد تجده فيه ، إذا قمت بقياسه. قبل القياس ، تكون جميع الأنظمة الكمومية عبارة عن سحب ثلاثية الأبعاد أو موجات احتمالات. الإلكترون موجود في كل مكان دفعة واحدة.

إنه ليس هنا أو هناك. إنه هنا وهناك. هذا ليس قيدًا على أجهزة القياس لدينا.

إنه تقييد للواقع. وهذا هو سبب تصرف الأنظمة الكمومية بشكل غامض في تجربة الشق المزدوج. يمكن أن يكون النظام الكمومي جسيمًا أوليًا مثل الإلكترون ، أو حتى الذرات والجزيئات المعزولة بشكل كافٍ.

يعني العزلة أنهم لم يتفاعلوا مع شيء من شأنه أن يتسبب في انهيار وظيفة الموجة الخاصة بهم. هذه هي الحقيقة غير الحتمية التي واجه أينشتاين صعوبة في قبولها ، وبالفعل لا يزال الكثير من الناس اليوم يجدون صعوبة في قبولها. لكن الكون ليس عليه أي التزام للتأكد من أننا نشعر بالراحة تجاه الطبيعة الحقيقية للواقع.

هذا مجرد رأي قرد أصلع حول ما يعتقد أنه أهم المفاهيم في الفيزياء التي تستحق التذكر. أتمنى أن تكون قد وجدتها مفيدة. إذا كنت ترغب في تعلم هذا الموضوع بشكل أكثر تعمقًا ، فلن تجد خدمة تعليمية بالفيديو عند الطلب أفضل من تلك التي تقدمها Great Courses Plus ، الراعي اليوم.

لقد ألهمتني جزئياً بعمل هذا الفيديو بعد مشاهدة سلسلة محاضرات بعنوان الأفكار العظيمة للفيزياء الكلاسيكية لستيفن بولوك من جامعة كولورادو ، بولدر. بساطته في اللغة وتفسيراته هي نماذج أحاول تقليدها. في دورات رائعة بالإضافة إلى أنه يمكنك الاستمتاع بالمحاضرات على مستوى الكلية ، ومحاضرات متعمقة ليس فقط من الدكتور بولوك ولكن أيضًا من بعض أفضل المعلمين في العالم.

بعض الموضوعات الرائعة الأخرى التي استمتعت بمشاهدتها هي دورات حول النظرية المراوغة لكل شيء ، والآثار الفلسفية للفيزياء. أنا فقط أحب الدورات الرائعة بالإضافة إلى ذلك ، وسأكون عضوًا بغض النظر عما إذا كانوا يرعونني أم لا. من السهل جدًا الاشتراك لأنهم يقدمون عرضًا خاصًا الآن لمشاهدي Arvin Ash.

إذا كنت تستخدم الرابط في الوصف - thegreatcoursesplus slash Arvin - فستحصل الآن على نسخة تجريبية مجانية. لكن تأكد من استخدام الرابط في الوصف. أود أيضًا أن أشكر مؤيديي على youtube و patreon.

إذا كنت تستمتع بمقاطع الفيديو الخاصة بي ، ففكر في الانضمام إليها. سأراك في الفيديو التالي يا صديقي . .

.