كُتب تُقدِّم لك الفيزياء بصورة أكاديمية ومبسطة في الوقت نفسه

نعرف أن هناك دائما فاصلا بين نوعين من الكتب في نطاق العلوم، وأي مجال معرفي آخر على حدٍّ سواء، الأول مُبسَّط ومُقدَّم لمَن يريدون التعرف إلى الفكرة العامة أو المفهوم العلمي الخاص بنظرية ما أو ظاهرة مثيرة دون الحاجة إلى الدخول في تعقيدات، والثاني متخصص، مسكون بمئات المعادلات ويفترض معرفة سابقة مُتقدِّمة بهذا العلم أيًّا كان.

لكن ما بين هذين النوعين، توجد كتب لا يعرف الكثيرون عنها عادة ما تُقدِّم الفيزياء، أو أي نطاق المعرفي آخر، في صورة تناسب الطلبة المبتدئين في المراحل الجامعية وربما ما قبلها، لخلق درجة سلّم وسطى بين العام الشعبي والمتخصص، يساعدهم ذلك كي يألفوا اللغة المتخصصة، لكن تظل هذه الكتب مُبسَّطة قدر الإمكان مفاهيميا، وتعتمد فقط على أساسات تعلَّمها كل طالب في المراحل الإعدادية والثانوية، أو يمكن أن يتعلَّمها عبر مراجعة تلك المناهج، ولأن من النادر أن تجد هذا النوع من الكتب، فقد قرَّرنا جمع بعضها معا في تقرير واحد.

مفاهيم أساسية في الفيزياء

حسنا، لنبدأ من كتاب تُرجم قبل عدة سنوات ولم يجد اهتماما تقريبا في المكتبة العربية، ربما لأن مَن يفتحه سيجد كمًّا كبيرا من المعادلات فيُصدم فورا ويتركه جانبا، الكتاب هو "مفاهيم أساسية في الفيزياء: من الكون حتّى الكوركات" (Basic Concepts in Physics From the Cosmos to Quarks) لماسود شيشيان وهيجو بيريز روجاس وأنكا تورينو، وفيه دمج بديع في الحقيقة بين الفيزياء وتاريخها، مع تنوُّع كبير يشمل الموضوعات الأساسية في الفيزياء كلها.

يبدأ الكتاب من فيثاغورث والعصور الوسطى، ثم يصل إلى نيوتن، ويمر بالميكانيكا الكلاسيكية ثم الإحصائية، بعد ذلك يدخل إلى الكهربية والمغناطيسية، ثم النسبية بنظريتَيْها، ثم ينطلق إلى الكوانتم، ومنها إلى المجال الكمّي وفيزياء الجسيمات، ثم يختم بفصلين ممتعين عن محاولات العلماء توحيد قوى الطبيعة تحت نظرية واحدة، والعلاقة بين الفيزياء والحياة.

يستهدف الكتاب طلبة السنة الأولى والثانية الجامعية من دارسي الفيزياء تخصصا رئيسيا أو جانبيا (كطلبة الهندسة أو علوم الحاسب أو الصيدلة مثلا)، وكذلك العلماء من نطاقات غير الفيزياء، وأخيرا القارئ العام، على أن يتجنَّب بعض المناطق في الكتاب التي حدَّدها مؤلفوه، لا يتطلَّب الكتاب ما هو أكثر من رياضيات المرحلة الثانوية، من الحساب الأولي وجبر المصفوفات وتحليل المتجهات والتفاضل والتكامل، ويمكن لك تعلُّمها جميعا عبر بحث على يوتيوب، حيث ستجد الكثير من المساقات القصيرة التي تُقدِّمها. بالنسبة لما يُقدِّمه الكتاب من عرض شامل لكل نطاقات الفيزياء الأساسية، فإن هذه المتطلبات بسيطة إلى حدٍّ كبير.

في مديح الفيزياء البسيطة

حسنا، لا تنخدع بعنوان هذا الكتاب "في مديح الفيزياء البسيطة: العلم والرياضيات الكامنان وراء التساؤلات اليومية"، فهو مُحمَّل بكمٍّ كبير من المعادلات الفيزيائية التي قد تبدو معقدة للوهلة الأولى، لكنها ليست فقط إلا بعض أساسات الرياضيات المتعلقة بالفيزياء في المرحلة الثانوية وما قبلها، مع بعض التعقيد في بعض الأحيان، إنه لا شك كتاب لهواة الرياضيات والفيزياء ومتخصصيها من طلاب السنوات الجامعية الأولى.

في هذا الكتاب يُقدِّم بول جاي ناهن مجموعة من مشكلات الحياة اليومية العادية، مثل أثر رياح الممر على شعر رأسه، أو كيفية الكشف عن مفتاح الدور الثالث، أو طريقة تغيير الإطارات في سباقات السيارات، إلخ، ثم يُحلِّلها فيزيائيا ورياضيا بصورة تُظهر لك أهمية هذه النطاقات، وهو أمر غير معتاد بالنسبة لطلبة الفيزياء ومحبيها، فعادة ما تُقدَّم مشكلات الحياة اليومية في صورة مفاهيم فيزيائية بلا معادلات، أو تُقدَّم المعادلات ضمن كتب تأسيسية لا ترتبط بالحياة اليومية. هذا كتاب لعشاق الفيزياء.

النظرية النسبية للجميع

في مقدمة هذا الكتاب "Relativity for Everyone How Space-Time Bends" يقول مؤلفه الفيزيائي الياباني كورت فيشر: "صادفت نظرية النسبية عندما كنت مراهقا في المكتبة العامة في مسقط رأسي. كان هناك نوعان من الكتب: الكتب السهلة لم تشرح حقا، لكنها تعرض صورا كبيرة وملونة من نوع الخيال العلمي. يبدو أن الكتب الجادة تشرح شيئا ما، لكن ذلك كان مخفيا في كتلة من الرموز الرياضية"، هذا الكتاب كان نتيجة لمحاولة من الكاتب كي يملأ الفراغ بين هذين النوعين من الكتب.

يشرح هذا الكتاب كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة والعامة، ويستخدم في سبيل ذلك العديد من التجارب الفكرية مع توضيح كيف يصنع الفيزيائيون النماذج ويحلونها، لا يستخدم الكتاب المعادلات بشكل أساسي، بل الأشكال والتصميمات التي تعطيك فكرة عن الفيزياء الخاصة بها، وهو بذلك -على خلاف سابقيه- يُقدِّم المادة المعرفية لنطاق واسع من القراء، حتى غير المتخصصين أو الهواة، فهو يستخدم رياضيات حسابية بسيطة لا تتخطى حاجز العمليات الأساسية.

في الفصل الأول من الكتاب ستتعرف إلى بعض الأساسيات عن الكتلة والطاقة، ثم في الفصل الثاني ستتعلم لماذا الوقت والطول "نسبي"، وهذه هي بداية النظرية النسبية الخاصة التي تستمر لأربعة فصول، تليها النسبية العامة، ثم لا يتوقف الكتاب عند هذا الحد، بل يشرح حلول النظرية النسبية العامة في نطاقات لافتة للانتباه مثل الثقوب السوداء.

النسبية العامة بلا تفاضل

في مستوى أكثر تقدُّما، لكنه ما زال تحت الجامعي، يأتي هذا الكتاب "General Relativity Without Calculus: A Concise Introduction to the Geometry of Relativity"، الذي يُمثِّل دليلا لدورة مدتها أسبوع واحد استهدفت الطلاب المتفوقين في سنواتهم الأخيرة من التعليم الثانوي، وتم تدريسها في قسم الرياضيات في المعهد التقني العالي بمدينة لشبونة البرتغالية.

يهدف الكتاب إلى إعطاء مقدمة سريعة، ولكن غير تافهة، للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، ولأن الطلاب ذوو مستوى مبتدئ إلى متوسط في الرياضيات، كان هناك قيود على استخدام الرياضيات والفيزياء إلا في المستويات الابتدائية فقط، التي تضمَّنت تنحية التفاضل والتكامل من اللعبة، وهما -كما يعرف الطلاب- أكثر ما يمنع المبتدئين عن التوغل في عالم الفيزياء، كون الغالبية العظمى من الناس لا يعرفون أي شيء عن هذا النطاق. لا يتطلَّب الكتاب سوى معرفة أساسية أو قد تكون بدائية بالجبر الأساسي والهندسة وحساب المثلثات وقليل من الميكانيكا (السرعة، والتسارع، والكتلة)، والقوة والطاقة. هذه أشياء يمكن تعلُّمها في أقل من شهر إذا كنت متحمسا لذلك.

يأتي هذا الكتاب، وسابقه، في نحو 130-150 صفحة فقط، ما يُسهِّل دراستهما على مبتدئ، وكلاهما يقع ضمن مجموعة متميزة تسمى "Undergraduate Lecture Notes in Physics" تُصدرها دار نشر سبرينجر العالمية، التي تفتح أبوابها مجانا في عدة دول عربية مثل مصر.

الاحتمالات المثيرة للنظرية الكمية

يميل ليونيد بونوماريف، مؤلف هذا الكتاب ومتخصص الفيزياء النووية، إلى الابتعاد عن الأمور الخيالية الفانتازية عن ميكانيكا الكم، ويركز بشكل أكبر على شرح المفاهيم الأساسية بشكل مدرسي الطبع، وهو يستخدم قدرا قليلا من المعادلات، لكنها أولا معادلات سهلة ومفهومة مع رياضيات بمستوى العمليات الأساسية لمستوى المدارس الإعدادية، ثم إنه -ثانيا- يمكنك تجاوز تلك المعادلات إن أردت، ولن يُنقص ذلك من قدر معرفتك الكثير، لكننا نؤكد أن الخوض بالمعادلات يعطيك درجة من العمق مهمة جدا لفهم أشمل لهذا النطاق.

يبدأ بونوماريف الكتاب بمقدمة ضخمة في خمسة فصول كاملة، يسميها "الأصول"، يسير خلالها بأسلوب هادئ في تاريخ الذرات، بعد ذلك -في ستة فصول أخرى يسميها "الأفكار"- يبدأ بونوماريف في شرح الأفكار الأساسية التي تقوم عليها ميكانيكا الكم، بداية من نموذج بور، مرورا بديبرولي، وشرودنغر، وهايزنبرغ. ثم بعد ذلك في ثمانية فصول يشرح بونوماريف تطبيقات ميكانيكا الكم، ويصل إلى فصل أخير عن التأملات الخاصة بالنظرية. الكتاب به قدر عالٍ من الرصانة، ومع بعض الجهد والتركيز في مادته سوف تخرج بمقدمة مهمة في ميكانيكا الكم.

سيرك الفيزياء الطائر

هذا الكتاب، من تأليف جيرل ووكر، أستاذ الفيزياء بجامعة ولاية كليفلاند الأميركية، هو لا شك إضافة ممتعة للمحتوى العربي العلمي، حيث يجمع بين جانبين، الأول هو الرصانة الشديدة، حتّى إنه يحتاج إلى مُقدِّمات في الفيزياء لفهم مادته كاملة على الرغم من أنه يحتوي على معادلات رياضية قليلة جدا، والثاني هو الإمتاع الشديد، لأنه ليس مجرد كتاب يشرح الفيزياء، العلم البارد الذي قد تظن لوهلة أنه لا يرتبط بأية علاقة مع حياتك اليومية، بل يُحوِّلها إلى أسئلة يومية عادية لا بد أن أحدها قد جال ببالك يوما.

فمثلا، إذا كانت إحدى السيارات تسير خلف سيارة أخرى، فما الحد الأدنى للمسافة الفاصلة التي تُتيح للسيارة الخلفية التوقُّف قبل الاصطدام بالسيارة الأمامية إذا ما ضغط قائدها على المكابح فجأة وأوقفها؟ وكيف يمكن أن يستخدم لاعب كرة القدم ركلة حرة لإرسال الكرة في مسار مُنحنٍ خلف حائط دفاعي من اللاعبين ويُدخلها إلى المرمى؟ مئات الأسئلة يُجيب عنها ووكر في كتابه الضخم المُسمّى "سيرك الفيزياء الطائر" لهذا السبب تحديدا، فهو لا يتحدَّث في موضوع واحد، وإن كان يُقسِّم أسئلته بحسب نطاقات علم الفيزياء، بل هو سيرك يُقدِّم مئات الفقرات اللذيذة والممتعة التي لا تبعث على الملل أبدا.

تجد هذا الكتاب مجانا عبر مؤسسة هنداوي، من هنا.

نظرية المجال الكمّي للهاوي الموهوب

حسنا، هذا الكتاب مختلف لا شك عن جميع سابقيه في هذه القائمة من المقترحات، للوهلة الأولى تظن أنه يُقدِّم "نظرية المجال الكمّي"، وهي أدق وأهم منجزات الفيزياء منذ ظهورها، للشخص العادي الذي يحب الفيزياء، لكن ذلك غير صحيح. مؤلفا هذا الكتاب، وهما الفيزيائيان توم لانكستر وستيفن بلونديل، يريان أن الفيزياء الخاصة بنظرية المجال الكمي جميلة جدا ومهمة جدا بحيث يجب ألا تظل حكرا فقط على متخصصيها، ويجب أن تخرج من هذا النطاق إلى دائرة أوسع، لكنها ليست الدائرة التي تظنها، بل دائرة المهتمين بنظرية المجال الكمّي من العلماء الآخرين والطلبة خريجي كليات الفيزياء وطلبة الفيزياء الذين لم يتخرجوا بعد لكن لديهم من العزم والجهد ما يدفعهم لتحمُّل هذا الكتاب.

الكتاب إذن يُمثِّل مرحلة انتقالية (وهي القاعدة التي اتبعناها في هذا التقرير)، ولكنها ليست بين الطالب العادي وطالب الفيزياء، وإنما بين مستوى طالب الفيزياء ونطاق لن يدرسه أصلا إلا في نطاقات الماجستير والدكتوراه، يتطلَّب الكتاب مثلا معرفة جيدة سابقا بميكانيكا الكم والنسبية الخاصة والكهرومغناطيسية وميكانيكا لاجرانج وحساب المتجهات والمعادلات التفاضلية الجزئية وتحويلات فورييه والتحليل المعقد ونظرية المجموعة وإلخ، يبدو إذن أن "الهاوي الموهوب" في نظرية المجال الكمّي ليس أي هاوٍ.

نسخة من الكتاب مقدمة مجانا من مؤسسة سيرن تجدها هنا.

الرياضيات في حياتنا

وأخيرا، نُنهي مقترحاتنا بكتاب لا يبتعد كثيرا عن الفيزياء، لمؤلفه الرياضي والمربي اليوغسلافي الشهير زلاتكا شبورير، وقد تُرجم إلى العربية سنة 1987، ولكنه لا يزال إلى الآن واحدا من أهم الكتب التي تُقدِّم الرياضيات للجمهور بصورة مُبسَّطة لكنها لا تخلو من التعقيد، وهي معادلة يقول عنها شبورير: "من أجل ترويج الرياضيات، ليس من الضروري أن تكون مبتذلا في عرضها"، مقترحا أن أسلوب الكاتب يمكن أن يكون مُبسَّطا كفاية لتحمُّل بعض المفاهيم والرموز الرياضية، وتقديمها بصورة مُبسَّطة.

أسلوب شبورير حواري يحادثك أو يحادث شخصا ما وهو يتكلَّم، وهو كذلك ساخر، يساعدك ذلك على تحمُّل صعوبة ما يعرضه، وهو بشكل أساسي يركز على ثلاثة نطاقات في الرياضيات، الأول هو نظرية المجموعات، والثاني هو الأعداد الطبيعية، والثالث هو العمليات الجبرية والمنطقية، وهي مقدمة مدهشة في الحقيقة، تجمع أساسات الرياضيات التي يتعلمها كل طالب في المرحلة الابتدائية والمرحلة الإعدادية. لا يمل الكاتب من استخدام المعادلات والصور الهندسية والحسابية، لكنه يؤسس لكل واحدة منها بحيث يفهمها مبتدئ من الصفر.