علم فیزیک و گرایش های مختلف آن، موضوعاتی هستند که به کشف و مطالعه ماهیت بنیادی مواد می پردازد. رشته فیزیک را می توان به عنوان شاخه ای از علوم پایه تعریف کرد که به مطالعه ماده و حرکت آن، خواص ماده و نور و تعامل آنها در محیط های مختلف می پردازد.

فیزیکدانان این حوزه، رشته فیزیک را به شاخه‌ های مختلفی تقسیم کرده‌ اند و هر گرایش، عنوان یک موضوع کامل را در دوران مدرن به دست آورده است. در این مقاله به تفصیل با گرایش های مختلف رشته فیزیک آشنا می شوید، با ما همراه باشید.

علم فیزیک

علم مجموعه ای از دانش ها و فرآیندهای ارتباطی بین آنهاست که  گاهی ممکن است مجموعه ای از حقایق ثابت و گاه روند تغییرات یک سیستم باشد. هر شاخه ای از علم به موضوع مختلفی می پردازد که به درک بهتر جنبه های اساسی که در جهان فیزیکی تکامل یافته اند، کمک می کنند.

فیزیک یکی از حوزه های کاربردی علوم طبیعی است  که برای شناخت قوانین جهان و رفتار مواد در دنیای مادی بسیار حائز اهمیت است. در حقیقت، فیزیک علم طبیعی ماده است که شامل مطالعه ماده، اجزای اساسی آن، حرکت و رفتار آن در فضا و زمان، و موجودات مربوط به انرژی و نیرو است.

در گذشته، بسیاری از حوزه های علمی از جمله فیزیک، شیمی، زیست‌ شناسی و شاخه‌ های خاصی از ریاضیات بخشی از فلسفه طبیعی بودند، اما در طول انقلاب علمی در قرن هفدهم، این علوم طبیعی از یکدیگر تفکیک شدند.

در واقع زمانی که اروپاییان توانستند از روش‌ های تجربی و کمی برای کشف آنچه که امروزه به عنوان قوانین فیزیک در نظر گرفته می‌ شوند، به طور عام استفاده کنند، فیزیک به یک علم جداگانه تبدیل شد.

رشته فیزیک

رشته فیزیک یکی از اساسی ترین رشته های علوم پایه است که هدف اصلی آن درک چگونگی رفتار کیهان است و دانشمندی که در این رشته تخصص داشته باشد، فیزیکدان نامیده می شود.

فیزیک به سوالات بزرگی پاسخ می دهد، از جمله: کیهان چگونه آغاز شد؟ اجزای سازنده اصلی ماده چیست؟ جهان در آینده چگونه تغییر خواهد کرد؟

بسیاری از فیزیکدانان واقعاً سخت کار می کنند و سعی می کنند پاسخی برای این نوع سؤالات بیابند. پاسخ هایی که آنها به دست می آورند اغلب منجر به کاربردهای غیرمنتظره فناوری می شود.

رشته فیزیک یکی از قدیمی‌ ترین رشته‌ های دانشگاهی است و به ویژه در حوزه نجوم، شاید قدیمی‌ ترین رشته در طول دو هزار سال گذشته شناخته می شود. مرزهای این رشته با دیگر علوم خیلی دقیق مشخص نیست و با بسیاری از حوزه‌ های تحقیقاتی بین‌ رشته‌ ای، مانند بیوفیزیک و شیمی-فیزیک مرز مشترک دارد.

رشته فیزیک در تمامی مقاطع تحصیلی و به ویژه در دوره کارشناسی در بسیاری از دانشگاه ها تدریس می شود و به دلیل گرایش های متعدد، کاربردهای گسترده هم در سطح صنعتی و هم در زندگی روزمره، همواره مورد توجه داوطلبان بسیاری بوده است. از این رو آشنایی با این رشته و گرایش های آن، بازار کار و فرصت‌ های شغلی که می‌ تواند ایجاد کند، اهمیت فراوانی دارد.

مباحث مختلف رشته فیزیک

فیزیک را می توان به شاخه های مختلفی طبقه بندی کرد، اما فیزیک کلاسیک عمدتاً با انرژی و ماده سر و کار دارد. گرایش های سنتی فیزیک کلاسیک عبارت اند از:

• اپتیک
• آکوستیک
• الکترومغناطیس
• مکانیک کلاسیک
• دینامیک
• ترمودینامیک
• نسبیت

با پیشرفت سریع فیزیک، دامنه موضوعات محتوایی به قدری بزرگ می شود که نمی توان فیزیک را در زیر شاخه های فوق پوشش داد. در ادامه برخی از مباحث اصلی رشته فیزیک مورد بحث قرار می گیرد.

مکانیک کلاسیک

مکانیک مبحثی از رشته فیزیک است که به مطالعه حرکت یک جسم می پردازد، به عنوان مثال، حرکت قطار و یا حرکت آب در یک رودخانه و به دو شاخه مکانیک کوانتومی و مکانیک کلاسیک تقسیم می شود.

دینامیک شاخه ای از مکانیک کلاسیک است که به مطالعه نیروها (منشأ حرکت) و تأثیر آنها بر حرکت اجسام می پردازد، مانند تأثیر نیروی اصطکاک، زمانی که یک جسم را بر روی یک سطح شیبدار می کشید. شاخه دیگر مکانیک کلاسیک، استاتیک است که به مطالعه مواد در حالت ایستا و نیروهای الکتروستاتیک می پردازد.

اپتیک

این مبحث از علم فیزیک به رفتار نور، انتشار آن و خواص آن در محیط های مختلف و در تعامل با ماده می پردازد. به زبان ساده تر، اپتیک را می توان به عنوان مطالعه رفتار نور مادون قرمز، مرئی و فرابنفش توصیف کرد.

اپتیک شامل مطالعه و بررسی پدیده های نوری کلاسیک مانند بازتاب، شکست، پراش و تداخل و همچنین مطالعه خواص مکانیکی کوانتومی بسته های مجزای نور به نام فوتون است.

ترمودینامیک

ترمودینامیک حوزه ای از رشته فیزیک است که به بررسی و اندازه گیری انرژی (گرما) و میزان کار انجام شده یک سیستم می پردازد و اولین بار در قرن نوزدهم، زمانی که دانشمندان مشغول ساخت و راه اندازی موتورهای بخار بودند، متولد شد.

ترمودینامیک تنها با سیستم هایی در مقیاس بزرگ سر و کار دارد که ما می توانیم آنها را در آزمایشات مشاهده و اندازه گیری کنیم، مانند انتقال انرژی گرمایی از طریق همرفت ، رسانندگی و تشعشع.

الکترومغناطیس

مبحث الکترومغناطیس به برهمکنش بین ذرات دارای بار الکتریکی از طریق میدان های الکتریکی و مغناطیسی می پردازد، مانند مطالعه رفتار الکترون ها، آهنرباها، میدان های مغناطیسی و برهمکنش های کلی نور.

نسبیت

این مبحث از رشته فیزیک به قضیه ای می پردازد که توسط آلبرت انیشتین فرموله شد. نظریه نسبیت بیان می کند که مکان و زمان نسبی هستند و حرکت یک جسم هماره باید نسبت به یک چارچوب مرجع بررسی شود.

آکوستیک

در این مبحث، به مطالعه صوت و نحوه انتقال آن در محیط های مختلف، تولید صدا و اثرات آن پرداخته می شود که  عمدتاً شامل عبور امواج مکانیکی در گازها، مایعات و جامدات، ارتعاشات فراصوت و فروصوت است.

مکانیک کوانتوم

مکانیک کوانتومی حوزه ای از رشته فیزیک است که سیستم‌ های اتمی و زیر اتمی و برهمکنش های مرتبط با آنها رو مورد مطالعه قرار می دهد. نظریه کوانتومی بیشتر احتمال یا آمار حضور ذرات زیر اتمی در یک سیستم را  محاسبه و پیش بینی می کند، مانند معادله شرودینگر  که معادله موجی است که برای تخمین احتمال حضور بکار می رود.

گرایش های اصلی رشته فیزیک

فیزیک ماده چگال

فیزیک ماده چگال گرایشی از رشته فیزیک است که به مطالعه خواص فیزیکی ماکروسکوپی و میکروسکوپی ماده، به‌ویژه فازهای جامد و مایع که از نیروهای الکترومغناطیسی بین اتم‌ها ناشی می‌ شوند، می‌ پردازد.

به طور کلی تر، این گرایش به فازهای چگال ماده مربوط می شود: سیستم هایی با اجزای تشکیل دهنده بسیار زیاد، اما با برهمکنش های قوی بین آنها، مانند برخی از ابررساناها و سیستم های اتمی فوق سرد.

فیزیکدانان ماده چگال، به دنبال درک رفتار این فازها با استفاده از آزمایش هایی برای اندازه گیری خواص مواد مختلف و  قوانین فیزیکی مکانیک کوانتومی، الکترومغناطیس، مکانیک آماری و سایر نظریه های فیزیک و توسعه مدل های ریاضی هستند.

فیزیک حالت جامد

فیزیک حالت جامد مطالعه مواد صلب یا جامدات از طریق روش هایی مانند شیمی حالت جامد، مکانیک کوانتومی، کریستالوگرافی، الکترومغناطیس و متالورژی است.

این گرایش بررسی می کند که چگونه خواص مواد جامد با مقیاس بزرگ، از خواص مقیاس اتمی آنها ناشی می شود و مبنای نظری علم مواد را تشکیل می دهد. رشته فیزیک حالت جامد، در کنار شیمی حالت جامد، کاربرد مستقیمی در فناوری ترانزیستورها و نیمه هادی ها نیز دارد.

فیزیک هسته ای

فیزیک هسته‌ ای شاخه ای از رشته فیزیک است که به مطالعه هسته‌ اتم ها، ترکیبات و برهمکنش‌ آنها، علاوه بر مطالعه سایر اشکال مواد هسته‌ ای می‌ پردازد.

رشته فیزیک هسته ای کاربردهای گسترده ای در بسیاری از زمینه ها دارند، از جمله پزشکی هسته‌ ای و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی، ایزوتوپ‌ های صنعتی و کشاورزی، کاشت یون در مهندسی مواد و تاریخ‌ گذاری رادیوکربن در زمین‌ شناسی و باستان‌ شناسی است.

فیزیک اتمی

فیزیک اتمی گرایشی از رشته فیزیک است که اتم ها را به عنوان یک سیستم جدا شده از الکترون ها و یک هسته اتمی مطالعه می کند و معمولاً به مطالعه ساختار اتمی و برهمکنش بین اتم ها اشاره دارد که در درجه اول به نحوه چیدمان الکترون ها در اطراف هسته و فرآیندهایی که این آرایش ها تغییر می کنند، مربوط می شود.

فیزیک ذرات بنیادی

این گرایش به مطالعه و بررسی خصوصیات تمام ذرات باردار و بدون بار و منشأ آنها (نیروهایی که ماده و تشعشعات را تشکیل می دهند) می پردازد.

طبق نظریات ذرات بنیادی، هر ذره پر انرژی، پادذره ای متناظر دارد که داری جرمی یکسان اما بار الکتریکی مخالف دارند. به عنوان مثال، پاد ذره الکترون، پوزیترون است (الکترون دارای بار الکتریکی منفی  و پوزیترون دارای بار مثبت است).

از نظر عملی نیز این گرایش شامل مطالعه این ذرات در فرآیندهای رادیواکتیو و در شتاب دهنده های غول پیکر مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون می باشد. برای مثال، بوزون هیگز توسط فیزیکدانان نظری ذرات پیش بینی شد و حضور آن توسط آزمایش‌ های عملی در شتابدهنده ها تأیید شد.

فیزیک بنیادی

این گرایش، به بررسی نظریه میدان‌ های کوانتومی، جهان‌ های موازی، کامپیوتر کوانتومی و مباحث کاملا تئوریک از این دست می پردازد. این گرایش به دنبال پر رنگ ساختن روابط ریاضی در فیزیک است و سعی دارد تا با استفاده از مدل‌ سازی های ریاضی پدیده‌ ها، به توضیح٬ پیش‌بینی و قانون‌ مند سازی طبیعت بپردازد.

اپتیک و لیزر

اپتیک گرایشی از رشته فیزیک است که به مطالعه رفتار و خواص نور، از جمله برهمکنش آن با ماده و ساخت ابزارهایی که از آن استفاده می کنند یا آن را تشخیص می دهند، می پردازد.

بیشتر پدیده های نوری را می توان با استفاده از توصیف الکترومغناطیسی کلاسیک نور توضیح داد، با این حال توصیف الکترومغناطیسی کامل نور اغلب در عمل به کار نمی رود و مطالعات اپتیکی معمولاً با استفاده از مدل های ساده انجام می شود.

رایج‌ ترین آنها، اپتیک هندسی، نور را به عنوان مجموعه‌ ای از پرتوها در نظر می‌ گیرد که به خط مستقیم حرکت می‌ کنند و هنگام عبور از سطح یا بازتاب خم می‌ شوند (شکست نور). اپتیک فیزیکی مدل جامع تری از نور است که شامل اثرات موجی مانند پراش و تداخل است که در اپتیک هندسی قابل محاسبه نیست.

کاربردهای عملی اپتیک در انواع فناوری ها و اشیاء روزمره از جمله آینه های معمولی و اپتیکی پیشرفته، لنزها، انواع تلسکوپ، انواع میکروسکوپ، لیزرها و فیبر نوری یافت می شود.

نجوم و اخترشناسی

علم نجوم مطالعه همه چیز در جهان فراتر از جو زمین است که هم شامل اجرامی است که ما می توانیم با چشم غیرمسلح خود ببینیم (مانند خورشید، ماه، سیارات و ستارگان) و هم شامل اجرامی که فقط با تلسکوپ یا ابزارهای دیگر می‌ توان دید (مانند کهکشان‌های دوردست و ذرات ریز).

کیهان شناسی

کیهان شناسی، شاخه ای از فیزیک و متافیزیک است که به مطالعه ماهیت جهان می پردازد و با موضوعاتی مانند منشأ جهان قابل مشاهده، ساختارها و حرکت آنها در مقیاس بزرگ، سرنوشت نهایی جهان و قوانین علمی حاکم سر و کار داریم.

نظریه‌ های کیهان‌ شناسی شامل گزاره‌ های علمی و غیر علمی هستند و ممکن است به فرضیاتی بستگی داشته باشند که قابل آزمایش نیستند. در حقیقت، کیهان‌ شناسی زیرشاخه‌ ای از نجوم است که به کل جهان مربوط می‌ شود و تحت تسلط نظریه Big Bang است.

گرانش

سیارات یا اجرام دیگر، اجسام سبک تر را به سمت مرکز خود می کشند. گرانش شاخه ای از فیزیک است که این برهمکنش جذب متقابل بین اجرام را مورد بررسی و آنالیز قرار می دهند.

فیزیک دریا

این گرایش به مطالعه شرایط فیزیکی و فرآیندهای فیزیکی درون دریاها و  اقیانوس ها، به ویژه حرکات و خواص فیزیکی آب ها می پردازد که در دو حوزه توصیفی و دینامیکی تقسیم می شود.
حوزه توصیفی این شاخه، به دنبال تحقیق در مورد اقیانوس و دریا از طریق مشاهدات و مدل های عددی پیچیده است که حرکات سیال را تا حد دقیقی توصیف می کند. حوزه دینامیک، در درجه اول بر فرآیندهایی متمرکز است که حرکت سیالات را با تأکید بر تحقیقات نظری و مدل های عددی کنترل می کنند.

گرایش های بین رشته ای فیزیک

فوتونیک

فوتونیک یا مهندسی نور را می توان به عنوان علم و فناوری تولید و استفاده از نور و دیگر انرژی های تابشی شناخت. در حقیقت این گرایش، برهمکنش نور و ماده را مورد بررسی قرار می دهد و تکنولوژی های مربوط به این حوزه را معرفی می کند.

فیزیک پزشکی

فیزیک پزشکی به کاربرد مفاهیم و روش های فیزیک در پیشگیری، تشخیص و درمان بیماری های انسانی با هدفی خاص بهبود سلامت و رفاه انسان می پردازد و به عنوان یک حرفه بهداشتی بر اساس طبقه بندی استاندارد در بین گرایش های مختلف فیزیک گنجانده شده است.

نانوفیزیک

فیزیک نانو در مورد به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم هایی در ابعاد نانومتر است که اثرات فیزیکی جدیدی از خود بروز می‌ دهند و معمولاً خواص کوانتومی ماده بر خواص کلاسیک آن ارجحیت دارد.

بیوفیزیک

بیوفیزیک یک علم میان رشته ای است که از رویکردها و روش های مختلف برای مطالعه پدیده های بیولوژیکی استفاده می کند. بیوفیزیک تمام مقیاس های یولوژیکی، از مولکولی گرفته تا ارگانیسم ها را پوشش می دهد.

شیمی-فیزیک

شیمی-فیزیک زیر شاخه ای از شیمی و فیزیک است که پدیده های فیزیکوشیمیایی را با استفاده از حوزه های فیزیک اتمی و مولکولی و فیزیک ماده چگال بررسی می کند.

در حقیقت، این گرایش فرآیندهای شیمیایی را از دیدگاه فیزیک مطالعه می کند و در ایران، بیشتر بر عناصر و نظریه های مشخصه شیمی تمرکز می کند.

ژئوفیزیک

ژئوفیزیک بخشی از علوم پایه است که به فرآیندهای فیزیکی (مانند زلزله) و خصوصیات فیزیکی زمین و محیط فضایی اطراف آن (مانند لایه های مختلف زمین) و استفاده از روش های کمی برای تجزیه و تحلیل آنها می پردازد.

سخن پایانی

در این مقاله سعی بر این شد که به مفاهیم اصلی و کلیدی که در رشته فیزیک مطرح می شوند، اشاره شود. در ادامه نیز گرایش های مختلف اصلی رشته فیزیک و گرایش های بین رشته ای معرفی شدند.

لازم به ذکر است که بسیاری از دانشگاه های سراسر کشور، برای مقطع کارشناسی به طور کلی رشته فیزیک را ارائه می دهند و هر دانشجوی رشته فیزیک در این دوره، تقریباً تمام مفاهیم اصلی را در تمامی گرایش ها می گذراند. در مقاطع بالاتر کارشناسی ارشد و دکترا است که گرایش های این رشته بیشتر مورد توجه است.

با آگاهی از هر گرایش و متناسب با علاقمندی با هر گرایش، می توان انتخاب رشته مناسبی داشت که ما را برای رسیدن به اهدافمان در آینده کمک می کند.

منابع

Wikipedia