10 قوانين ونظريات علمية يجب أن تعرفها حقًا
يتوفر للعلماء العديد من الأدوات عند محاولتهم وصف كيفية عمل الطبيعة والكون ككل. غالبًا ما يصلون إلى القوانين والنظريات أولاً. ماهو الفرق؟ يمكن اختزال القانون العلمي في كثير من الأحيان إلى بيان رياضي.
غالبًا ما تسعى النظرية العلمية إلى جمع مجموعة من الأدلة أو الملاحظات لظواهر معينة. عمومًا – على الرغم من أنه ليس دائمًا بأي حال من الأحوال – تكون قابلة للاختبار حول كيفية عمل الطبيعة. لا يمكنك بالضرورة اختزال النظرية العلمية إلى عبارة أو معادلة بليغة ، لكنها تمثل شيئًا أساسيًا حول كيفية عمل الطبيعة.
تعتمد كل من القوانين والنظريات على العناصر الأساسية للطريقة العلمية ، مثل إنشاء فرضية ، واختبار تلك الفرضية ، وإيجاد (أو عدم العثور على) أدلة تجريبية والتوصل إلى استنتاجات. في النهاية ، يجب أن يكون العلماء الآخرون قادرين على تكرار النتائج إذا كان من المقرر أن تصبح التجربة أساسًا لقانون أو نظرية مقبولة على نطاق واسع.
في هذه المقالة ، سنلقي نظرة على 10 قوانين ونظريات علمية قد ترغب في معرفتها، حتى لو لم تجد نفسك ، على سبيل المثال ، تشغل مجهر مسح إلكتروني كل ذلك بشكل متكرر. سنبدأ بالانفجار وننتقل إلى القوانين الأساسية للكون ، قبل أن نصل إلى التطور. أخيرًا ، سنتطرق إلى بعض المواد الرئيسية ، ونتعمق في عالم فيزياء الكم.
10: نظرية الانفجار العظيم
إذا كنت ستعرف نظرية علمية واحدة ، اجعلها النظرية التي تشرح كيف وصل الكون إلى حالته الحالية. استنادًا إلى البحث الذي أجراه إدوين هابل وجورج ليميتر وألبرت أينشتاين ، من بين آخرين ، تفترض نظرية الانفجار العظيم أن الكون بدأ منذ ما يقارب من 14 مليار عام بحدث توسع هائل. في ذلك الوقت ، كان الكون محصوراً في نقطة واحدة تشمل كل مادة الكون. تستمر هذه الحركة الأصلية اليوم ، حيث يستمر الكون في التوسع إلى الخارج.
اكتسبت نظرية الانفجار العظيم دعمًا واسعًا في المجتمع العلمي بعد أن اكتشف أرنو بينزياس وروبرت ويلسون إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف في عام 1965. وباستخدام التلسكوبات الراديوية ، اكتشف الفلكيان ضوضاء كونية ، أو ثابتة ، لم تتبدد بمرور الوقت. وبالتعاون مع الباحث في جامعة برينستون روبرت ديك ، أكد الزوجان فرضية ديك بأن الانفجار الكبير الأصلي خلف إشعاعًا منخفض المستوى يمكن اكتشافه في جميع أنحاء الكون.
9: قانون هابل للتوسع الكوني
دعنا نتحدث قليلاً عن إدوين هابل للحظة. بينما كانت فترة العشرينيات من القرن الماضي تمر بمرحلة ما قبل الكساد العظيم ، كان هابل يقوم بأبحاث فلكية رائدة. لم يثبت هابل وجود مجرات أخرى بجانب مجرة درب التبانة فحسب ، بل اكتشف أيضًا أن هذه المجرات كانت تبتعد عن مجرتنا ، وهي الحركة التي أطلق عليها الركود.
من أجل تحديد سرعة هذه الحركة المجرية ، اقترح هابل قانون يسمى قانون هابل للتوسع الكوني ، المعروف أيضًا باسم قانون هابل ، وهي معادلة تنص على: السرعة = H × المسافة. تمثل السرعة السرعة الانعكاسية للمجرة. H هو ثابت هابل ، أو المعلمة التي تشير إلى معدل تمدد الكون ؛ والمسافة هي مسافة المجرة من التي تتم مقارنتها بها.
تم حساب ثابت هابل بقيم مختلفة بمرور الوقت ، ولكن القيمة الحالية المقبولة هي 70 كيلومترًا / ثانية لكل ميجا ، وهذه الأخيرة هي وحدة المسافة في الفضاء بين المجرات [المصدر: White]. لأغراضنا ، هذا ليس مهمًا جدًا. الأمر الأكثر أهمية هو أن قانون هابل يوفر طريقة موجزة لقياس سرعة مجرة بالنسبة إلى مجرتنا. وربما الأهم من ذلك ، أن القانون أنشأ أن الكون يتكون من العديد من المجرات ، والتي تعود حركاتها إلى الانفجار العظيم.
8: قوانين كبلر لحركة الكواكب
لعدة قرون ، اشتبك العلماء مع بعضهم البعض ومع الزعماء الدينيين حول مدارات الكواكب ، لا سيما حول ما إذا كانوا يدورون حول شمسنا. في القرن السادس عشر ، طرح كوبرنيكوس مفهومه المثير للجدل عن نظام شمسي مركزي ، حيث تدور الكواكب حول الشمس وليس الأرض. لكن الأمر سيستغرق يوهانس كيبلر ، بناءً على العمل الذي قام به تايكو براهي وآخرين ، لتأسيس أساس علمي واضح لحركات الكواكب.
تصف قوانين كبلر الثلاثة لحركة الكواكب – التي تشكلت في أوائل القرن السابع عشر – كيف تدور الكواكب حول الشمس.
- قانون كبلر الأول ، الذي يطلق عليه أحيانًا قانون المدارات ، على أن الكواكب تدور حول الشمس بشكل إهليلجي.
- قانون كبلر الثاني ، قانون المناطق ، على أن الخط الذي يربط كوكبًا بالشمس يغطي مساحة متساوية على مدار فترات زمنية متساوية. بمعنى آخر ، إذا كنت تقيس المنطقة التي تم إنشاؤها عن طريق رسم خط من الأرض إلى الشمس وتتبع حركة الأرض على مدار 30 يومًا ، فستكون المنطقة هي نفسها بغض النظر عن مكان وجود الأرض في مدارها عند بدء القياسات.
- قانون كبلر الثالث ، قانون الفترات ، يسمح لنا بإقامة علاقة واضحة بين الفترة المدارية للكوكب وبعده عن الشمس. بفضل هذا القانون ، نعلم أن كوكبًا قريبًا نسبيًا من الشمس ، مثل كوكب الزهرة ، له فترة مدارية أقصر بكثير من كوكب بعيد ، مثل نبتون.
7: القانون العالمي للجاذبية
قد نعتبر ذلك أمرًا مفروغًا منه الآن ، ولكن منذ أكثر من 300 عام اقترح السير إسحاق نيوتن فكرة ثورية: أي جسمين ، بغض النظر عن كتلتهما ، يمارسان قوة الجاذبية تجاه بعضهما البعض. يتم تمثيل هذا القانون بمعادلة يواجهها العديد من طلاب المدارس الثانوية في فصل الفيزياء. يذهب على النحو التالي:
F = G × [(m1m2) / r2]- F هي قوة الجاذبية بين الجسمين ، وتُقاس بالنيوتن.
- M1 و m2 هي كتل الجسمين ،
- r هي المسافة بينهما.
- G هو ثابت الجاذبية ، وهو رقم محسوب حاليًا على أنه 6.672 × 10-11 N m2 kg-2 [المصدر: Weisstein].
تكمن فائدة القانون العالمي للجاذبية في أنه يسمح لنا بحساب قوة الجاذبية بين أي جسمين. هذه القدرة مفيدة بشكل خاص عندما يخطط العلماء ، على سبيل المثال ، لوضع قمر صناعي في مدار أو رسم مسار القمر.
6: قوانين نيوتن للحركة
طالما أننا نتحدث عن أحد أعظم العلماء الذين عاشوا على الإطلاق ، فلننتقل إلى قوانين نيوتن الشهيرة الأخرى. تشكل قوانينه الثلاثة للحركة مكونًا أساسيًا للفيزياء الحديثة. ومثل العديد من القوانين العلمية ، فهي أنيقة إلى حد ما في بساطتها.
- القانون الأول من القوانين الثلاثة على أن الجسم المتحرك يظل متحركًا ما لم يتم التصرف بناءً عليه بواسطة قوة خارجية. بالنسبة للكرة التي تتدحرج على الأرض ، يمكن أن تكون تلك القوة الخارجية هي الاحتكاك بين الكرة والأرض ، أو قد يكون الطفل الصغير هو الذي يركل الكرة في اتجاه آخر.
- القانون الثاني الصلة بين كتلة الجسم (م) وتسارعه (أ) ، في شكل المعادلة F = م × أ. تمثل F القوة مقاسة بالنيوتن. إنه أيضًا متجه ، مما يعني أنه يحتوي على مكون اتجاهي. بسبب تسارعها ، فإن تلك الكرة التي تتدحرج على الأرض لها متجه معين ، وهو الاتجاه الذي تتحرك فيه ، ويتم حسابه في حساب قوتها.
- القانون الثالث بليغ إلى حد ما ويجب أن يكون مألوفًا لك: لكل فعل رد فعل مساوٍ ومعاكس. أي أنه مقابل كل قوة يتم تطبيقها على جسم أو سطح ، فإن هذا الجسم يدفع للخلف بقوة متساوية.
5: قوانين الديناميكا الحرارية
قال العالم الفيزيائي والروائي البريطاني C.P. Snow ذات مرة إن غير العالم الذي لا يعرف القانون الثاني للديناميكا الحرارية كان مثل العالم الذي لم يقرأ شكسبير مطلقًا. كان المقصود من بيان سنو الشهير الآن التأكيد على أهمية الديناميكا الحرارية وضرورة تعلم غير العلماء عنها.
الديناميكا الحرارية هي دراسة كيفية عمل الطاقة في نظام ما ، سواء كان محركًا أو لب الأرض. يمكن اختزاله إلى عدة قوانين أساسية ، لخصها سنو بذكاء على النحو التالي [المصدر: كوكب الفيزياء]:
- لا يمكنك الفوز.
- لا يمكنك حتى كسره.
- لا يمكنك إنهاء اللعبة.
دعونا نشرح هذه قليلا. بقوله أنك لا تستطيع الفوز ، يعني Snow أنه نظرًا للحفاظ على المادة والطاقة ، لا يمكنك الحصول على أحدهما دون التخلي عن الآخر (أي E = mc²). هذا يعني أيضًا أنه لكي ينتج المحرك عملًا ، يجب عليك توفير الحرارة ، على الرغم من أنه في أي شيء آخر غير النظام المغلق تمامًا ، يتم فقد بعض الحرارة حتمًا للعالم الخارجي ، مما يؤدي بعد ذلك إلى القانون الثاني.
العبارة الثانية – لا يمكنك كسر التعادل – تعني أنه بسبب زيادة الانتروبيا باستمرار ، لا يمكنك العودة إلى نفس حالة الطاقة. ستتدفق الطاقة المركزة في مكان واحد دائمًا إلى الأماكن ذات التركيز المنخفض.
أخيرًا ، يشير القانون الثالث – لا يمكنك الخروج من اللعبة – إلى الصفر المطلق ، أدنى درجة حرارة نظرية ممكنة ، مقاسة عند صفر كلفن أو (ناقص 273.15 درجة مئوية وسالب 459.67 درجة فهرنهايت). عندما يصل النظام إلى الصفر المطلق ، تتوقف الجزيئات عن الحركة ، مما يعني أنه لا توجد طاقة حركية ، وتصل الإنتروبيا إلى أدنى قيمة ممكنة لها. لكن في العالم الحقيقي ، حتى في فترات الراحة في الفضاء ، فإن الوصول إلى الصفر تمامًا أمر مستحيل – يمكنك فقط الاقتراب منه.
4: مبدأ الطفو في أرخميدس
بعد أن اكتشف مبدأ الطفو الخاص به ، زُعم أن العالم اليوناني القديم أرخميدس صرخ قائلاً “يوريكا!” وركضوا عراة في مدينة سيراكيوز. كان الاكتشاف بهذه الأهمية. تقول القصة أن أرخميدس حقق إنجازًا كبيرًا عندما لاحظ ارتفاع المياه أثناء دخوله حوض الاستحمام [المصدر: Quake].
وفقًا لمبدأ الطفو الخاص بأرخميدس ، فإن القوة المؤثرة على ، أو الطفو ، جسم مغمور أو مغمور جزئيًا يساوي وزن السائل الذي يزيحه الجسم. يحتوي هذا النوع من المبادئ على مجموعة هائلة من التطبيقات وهو ضروري لحساب الكثافة ، فضلاً عن تصميم الغواصات والسفن الأخرى التي تمر عبر المحيطات.
3: التطور والانتقاء الطبيعي
الآن بعد أن أنشأنا بعض المفاهيم الأساسية لكيفية بدء كوننا وكيف تلعب الفيزياء في حياتنا اليومية ، دعنا نوجه انتباهنا إلى الشكل البشري وكيف يجب أن نكون على ما نحن عليه. وفقًا لمعظم العلماء ، كل أشكال الحياة على الأرض لها سلف مشترك. ولكن من أجل إنتاج قدر هائل من الاختلاف بين جميع الكائنات الحية ، كان على كائنات معينة أن تتطور إلى أنواع مختلفة.
بالمعنى الأساسي ، حدث هذا التمايز من خلال التطور ، من خلال النسب مع التعديل [المصدر: UCMP]. طور سكان الكائنات الحية سمات مختلفة ، من خلال آليات مثل الطفرات. أولئك الذين لديهم سمات أكثر فائدة للبقاء على قيد الحياة ، مثل الضفدع الذي يسمح لونه البني له بالتمويه في المستنقع ، تم اختيارهم بشكل طبيعي للبقاء على قيد الحياة ؛ ومن هنا جاء مصطلح الانتقاء الطبيعي.
من الممكن التوسع في كلتا النظريتين بإسهاب ، لكن هذا هو الاكتشاف الأساسي والرائد الذي توصل إليه داروين في القرن التاسع عشر: هذا التطور من خلال الانتقاء الطبيعي يفسر التنوع الهائل للحياة على الأرض.
2: نظرية النسبية العامة
تظل نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين اكتشافًا مهمًا وأساسيًا لأنها غيرت بشكل دائم كيف ننظر إلى الكون. كان الاختراق الرئيسي لأينشتاين هو القول إن المكان والزمان ليسا أمرًا مطلقًا وأن الجاذبية ليست مجرد قوة مطبقة على جسم أو كتلة. بدلاً من ذلك ، فإن الجاذبية المرتبطة بأي كتلة تعمل على انحناء المكان والزمان (غالبًا ما يسمى الزمكان) حولها.
لتصور هذا ، تخيل أنك تسافر عبر الأرض في خط مستقيم ، متجهًا شرقًا ، وتبدأ في مكان ما في نصف الكرة الشمالي. بعد فترة ، إذا حدد شخص ما موقعك على الخريطة ، فستكون في الواقع شرقًا وجنوبًا بعيدًا عن موقعك الأصلي. ذلك لأن الأرض منحنية. للسفر مباشرة إلى الشرق ، يجب أن تأخذ في الاعتبار شكل الأرض وزاوية اتجاه الشمال قليلاً. (فكر في الاختلاف بين الخريطة الورقية المسطحة والكرة الأرضية الكروية.)
الفضاء هو نفسه إلى حد كبير. على سبيل المثال ، بالنسبة لركاب المكوك الذي يدور حول الأرض ، يمكن أن يبدو أنهم يسافرون في خط مستقيم عبر الفضاء. في الواقع ، ينحني الزمكان من حولهم بفعل جاذبية الأرض (كما هو الحال مع أي جسم كبير له جاذبية هائلة مثل كوكب أو ثقب أسود) ، مما يجعلهما يتحركان للأمام ويظهران وكأنهما يدوران حول الأرض.
كان لنظرية أينشتاين آثار هائلة على مستقبل الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات. وأوضح شذوذًا بسيطًا غير متوقع في مدار عطارد ، وأظهر كيف ينحني ضوء النجوم ويضع الأسس النظرية للثقوب السوداء.
1: مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ
أخبرتنا نظرية النسبية الأوسع نطاقًا لأينشتاين المزيد عن كيفية عمل الكون وساعدت في إرساء الأساس لفيزياء الكم ، ولكنها أيضًا أدخلت مزيدًا من الارتباك في العلوم النظرية. في عام 1927 ، أدى هذا الإحساس بأن قوانين الكون كانت مرنة في بعض السياقات ، إلى اكتشاف رائد من قبل العالم الألماني فيرنر هايزنبرغ.
في افتراضه لمبدأ عدم اليقين ، أدرك هايزنبرغ أنه من المستحيل أن نعرف في وقت واحد ، بدرجة عالية من الدقة ، خاصيتين للجسيم. بمعنى آخر ، يمكنك معرفة موضع الإلكترون بدرجة عالية من اليقين ، ولكن ليس زخمه والعكس صحيح.
قام نيلز بور لاحقًا باكتشاف يساعد في تفسير مبدأ هايزنبرغ. وجد بوهر أن الإلكترون له صفات كل من الجسيم والموجة ، وهو مفهوم يُعرف باسم ازدواجية الجسيم الموجي ، والذي أصبح حجر الزاوية في فيزياء الكم. لذلك عندما نقيس موقع الإلكترون ، فإننا نتعامل معه كجسيم في نقطة معينة في الفضاء ، بطول موجي غير مؤكد. عندما نقيس زخمها ، فإننا نتعامل معها على أنها موجة ، مما يعني أنه يمكننا معرفة سعة طولها الموجي وليس موقعها.
الأسئلة الشائعة حول النظرية العلمية
ما هي النظرية العلمية؟
النظرية العلمية هي شرح للعالم الطبيعي يمكن اختباره والتحقق منه بشكل متكرر باستخدام الطريقة العلمية والملاحظة. النظريات العلمية ليست تخمينات ، بل هي حساب موثوق لكيفية عمل ظاهرة طبيعية معينة.
مثال على النظرية العلمية؟
واحدة من أكثر النظريات العلمية شيوعًا هي النسبية الخاصة لأينشتاين ، والتي تشرح العلاقة بين المكان والزمان للأشياء التي تتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم. تستكشف النظرية أيضًا مفهومًا يُعرف باسم تمدد الوقت.
هل القانون العلمي أدق من النظرية العلمية؟
النظرية العلمية هي تفسير يمكن التحقق منه للظاهرة الطبيعية. على سبيل المثال ، تشرح نظرية الجاذبية سبب سقوط التفاحة دائمًا على الأرض عند سقوطها. من ناحية أخرى ، القانون هو ملاحظة. بعبارات أبسط ، يتنبأ القانون بما يحدث وتشرح النظرية السبب.
ما هي القوانين العلمية الخمسة؟
القوانين العلمية الخمسة الأكثر شيوعًا هي قانون هوكي للمرونة ، ومبدأ الطفو لأرخميدس ، وقانون دالتون للضغوط الجزئية ، وقانون برنولي لديناميكيات السوائل ، وقانون فورييه للتوصيل الحراري.
