فیزیک (به زبان یونانی φύσις، طبیعت و φυσικῆ، دانش طبیعت) علم مطالعهٔ خواص طبیعت است. فیزیک از مفاهیمی مانند انرژی، نیرو، جرم، بار الکتریکی، جریان الکتریکی، میدان الکتریکی، الکترومغناطیس، فضا، زمان، اتم و نورشناسی استفاده می‌کند. اگر به‌طور وسیع‌تر سخن بگوییم، هدف اصلی علم فیزیک بررسی و تحلیل طبیعت است و همواره این علم در پی آن است که رفتار طبیعت را در شرایط گوناگون درک و پیش‌بینی کند.

فیزیک یکی از قدیمی‌ترین رشته‌های دانشگاهی است و شاید قدیمی‌ترین مبحث آن را بتوان نجوم و اخترشناسی نامید. مدارکی وجود دارد که نشان می‌دهد هزاران سال پیش از میلاد مسیح، اقوامی همچون سومری‌ها و همچنین اقوامی در مصر باستان و اطراف سند، تحقیقات و درک پیشگویانه‌ای (گمانه‌زنی‌هایی) از حرکت خورشید، ماه و ستارگان داشته‌اند.

در علم فیزیک، ما با سامانه‌های بسیار متفاوتی رو به رو هستیم، اما نظریه‌های اصلی که در هسته علم فیزیک قرار دارند، توسط همه فیزیک‌دانان مورد استفاده قرار می‌گیرند. در فیزیک کلاسیک، ما با نظریه‌هایی سروکار داریم که حرکت اشیاء که ابعاد و سرعت‌هایی که قابل تصور و عموماً آزمایش پذیرند را، پیش‌بینی و تحلیل می‌کنند. زمانی که صحبت از ابعاد قابل تصور برای عموم مردم می‌شود، منظور از ابعادی فرا اتمی و فرا ملکولی شروع می‌شود و تا ابعاد سیارات را در بر می‌گیرد و سرعت قابل تصور، عموماً سرعتی کمتر از سرعت نور است. اما هنگامی که سیستم‌های مورد بررسی ما، ابعادی فراتر از حد تصور ما به خود می‌گیرند، مثل منظومه‌ها، کهکشان‌ها و دیگر سیستم‌های عظیم ستاره‌ای و آسمانی یا ابعادی بسیار کوچک، مثل ابعادی زیر اتمی و حتی کوچکتر، فیزیک و مکانیک کلاسیک از خود ضعف نشان می‌دهد و دیگر قدرت پیش‌بینی و درک صحیح واقعیات را ندارد. به همین دلیل تئوری‌هایی که اینگونه سیستم‌ها را تحلیل می‌کنند، در حوزه فیزیک جدید صورت بندی می‌شود.
البته کاملاً بدیهی است، این تعاریفی که در اینجا ارائه می‌شود کاملاً شکلی عمومی دارند و در علم فیزیک، مرز واضحی میان فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید به هیج وجه وجود ندارد. به صورتی که برخی از فیزیک دانان، فیزیک جدید را شکل تکامل یافته و تصحیح شده فیزیک کلاسیک می‌دانند، اما برخی از فیزیک‌دانان که مهم‌ترین آن‌ها ورنر کارل هایزنبرگ بوده‌است، همان‌طور که در کتاب خود جز و کل می‌گوید، فیزیک کلاسیک یک مقوله کاملاً جدا، فرمول بندی شده، بدون ایراد و کامل است اما در حوزه سیستم‌های مورد بررسی خودش و نمی‌توان فیزیک جدید را شکل تکامل یافته فیزیک کلاسیک دانست.

هدف اصلی علم فیزیک توصیف تمام پدیده‌های طبیعی قابل مشاهده و غیرقابل مشاهده برای بشر، توسط مدل‌های ریاضی (به اصطلاح کمی‌کردن طبیعت) است. تا قبل از قرن بیستم، با دسته‌بندی پدیده‌های قابل مشاهده تا آن روز، فرض بر این بود که طبیعت از ذرات مادی تشکیل شده‌است و تمام پدیده‌ها به واسطهٔ دو نوع برهمکنش بین ذرات (برهمکنش‌های گرانشی و الکترومغناطیسی) رخ می‌دهند. برای توصیف این پدیده‌ها نظریه‌های زیر به تدریج شکل گرفته و تکامل یافتند:

• مکانیک کلاسیک (توصیف رفتار اجسامی که اندازه‌ای معمولی دارند و با سرعتی معمولی در حال حرکتند)
• الکترومغناطیس (توصیف رفتار مواد و اجسام دارای بار الکتریکی)
• ترمودینامیک و مکانیک آماری (توصیف پدیده‌های مرتبط با گرما بر حسب کمیت‌های ماکروسکوپی یا میکروسکوپی)

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 بنیادین 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 کوچک و اجسام بزرگ است. چون دینامیک اجسام بزرگ از لحاظ ساختاری و مفاهیم به دینامیک قبلی نزدیکی زیادی دارد (بر خلاف دینامیک اجسام ریز که ساختاری کاملاً متفاوت دارد) نظریه‌ها به دو دسته دینامیک کلاسیک اصلاح شده (با شالوده مکانیک نیوتنی) و مکانیک کوانتومی تقسیم شدند.
نظریه‌های دیگری درفیزیک مدرن به تدریج شکل گرفتن که عبارت اند از:

• نسبیت عام (برهمکنش گرانشی و دینامیک اجسام بزرگ)
• مکانیک کوانتومی (دینامیک اجسام ریز)
• مکانیک آماری (حرکت آماری ذرات بر پایه دینامیک کوانتومی)
• الکترودینامیک کلاسیک (برهمکنش الکترومغناطیسی و نسبیت خاص)

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

1. نسبیت عام
2. مکانیک آماری
3. الکترودینامیک کوانتومی QED (برهمکنش الکترومغناطیسی و دینامیک کوانتومی)
4. کرومودینامیک کوانتومی QCD (برهمکنش هسته‌ای قوی و دینامیک کوانتومی)

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

تمام این نظریه‌ها به جز نسبیت عام از دینامیک کوانتومی استفاده می‌کنند. به مجموعه‌ای ازQED وQCD و نظریه ضعیف اصطلاحاً 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 کوانتومی برای گرانش می‌باشد. نظریه‌های گرانش کوانتومی و به خصوص نظریه ریسمان از نمونه‌های این تلاش‌ها است. همچنین بیشتر نظریه‌های جدید از مفهومی به نام میدان استفاده می‌کنند که به نظریه‌های میدان مشهور هستند.

 

فهرست مطالب:

فصل اول: مفاهیم حرکت

فصل دوم: سینماتیک در یک بعد

فصل سوم: بردارها و سیستم های مختصات

فصل چهارم: سینماتیک در دو بعد

فصل پنجم: نیرو و حرکت

فصل ششم: دینامیک 1: حرکت در طول یک خط

فصل هفتم: قانون سوم نیوتن

فصل هشتم: دینامیک 2: حرکت در یک صفحه

فصل نهم: ضربه و تکانه

فصل دهم: انرژی

فصل یازدهم: کار

فصل دوازدهم: دوران یک جسم صلب

فصل سیزدهم: نظریه گرانش نیوتن

فصل چهاردهم: نوسانات

فصل پانزدهم: سیالات و الاستیسیته

فصل شانزدهم: توصیف ماکروسکوپیک ماده

فصل هفدهم: کار، گرما و قانون اول ترمودینامیک

فصل هجدهم: ارتباط میکرو / ماکرو (The Micro/Macro Connection)

فصل نوزدهم: موتورهای گرمایی و یخچال ها

فصل بیستم: امواج در حال حرکت (Traveling Waves)

فصل بیست و یکم: بر هم نهی

فصل بیست و دوم: اپتیک موجی (Wave Optics)

فصل بیست و سوم: پرتوشناسی (Ray Optics)

فصل بیست و چهارم: ابزارهای نوری (اپتیکی)

فصل بیست و پنجم: بارها و نیروهای الکتریکی

فصل بیست و ششم: میدان الکتریکی

فصل بیست و هفتم: قانون گاوس

فصل بیست و هشتم: پتانسیل الکتریکی

فصل بیست و نهم: پتانسیل و میدان

فصل سی ام: جریان و مقاومت

فصل سی و یکم: مبانی مدارها

فصل سی و دوم: میدان مغناطیسی

فصل سی و سوم: القای الکترومغناطیسی

فصل سی و چهارم: میدان ها و امواج الکترومغناطیسی

فصل سی و پنجم: مدارهای AC

فصل سی و ششم: نسبیت

فصل سی و هفتم: مبانی فیزیک مدرن

فصل سی و هشتم: کوانتش (Quantization)

فصل سی و نهم: توابع موج و عدم قطعیت

فصل چهلم: مکانیک کوانتومی یک بعدی

فصل چهل و یکم: فیزیک اتمی

فصل چهل و دوم: فیزیک هسته ای