10 vetenskapliga lagar och teorier som alla borde känna till

10 vetenskapliga lagar och teorier som alla borde veta.

Forskare från planeten Jorden använder massor av verktyg för att försöka beskriva hur naturen och universum i stort fungerar. Att de kommer till lagar och teorier. Vad är skillnaden? Vetenskaplig lag kan ofta reduceras till ett matematiskt uttalande som E = mc²; detta uttalande är baserat på empiriska data och dess sanning är vanligtvis begränsad till en viss uppsättning villkor. När det gäller E = mc² - ljusets hastighet i vakuum.

Vetenskaplig teori försöker ofta syntetisera en serie fakta eller observationer av specifika fenomen. Och i allmänhet (men inte alltid) finns det ett tydligt och testbart uttalande om hur naturen fungerar. Det är inte nödvändigt att reducera vetenskaplig teori till en ekvation, men den representerar faktiskt något grundläggande om naturens funktion.

Lagar och teorier beror båda på de grundläggande elementen i den vetenskapliga metoden, såsom att skapa hypoteser, utföra experiment, hitta (eller inte hitta) empiriska data och dra slutsatser. När allt kommer omkring bör forskare kunna replikera resultaten om experimentet ska bli grunden för en allmänt accepterad lag eller teori.

I den här artikeln tittar vi på tio vetenskapliga lagar och teorier som du kan borsta på, även om du till exempel inte använder ett svepelektronmikroskop. Låt oss börja med en explosion och avsluta med osäkerhet.

Big Bang Theory

Om det är värt att känna till minst en vetenskaplig teori, låt den förklara hur universum nådde sitt nuvarande tillstånd (eller inte nådde, om det motbevisades). Baserat på forskning av Edwin Hubble, Georges Lemaitre och Albert Einstein, postulerar Big Bang-teorin att universum började för 14 miljarder år sedan med massiv expansion. Vid någon tidpunkt var universum begränsat till en punkt och omfattade allt det aktuella universums materia. Denna rörelse fortsätter till denna dag, och själva universum expanderar ständigt.

Big Bang-teorin fick omfattande vetenskapligt stöd efter att Arno Penzias och Robert Wilson upptäckte den kosmiska mikrovågsbakgrunden 1965. Med hjälp av radioteleskop har två astronomer upptäckt kosmiskt eller statiskt brus som inte försvinner med tiden. I samarbete med Princeton-forskaren Robert Dicke har ett par forskare bekräftat Dickes hypotes om att den ursprungliga Big Bang lämnade efter sig lågnivåstrålning som finns i hela universum.

Hubbles lag om kosmisk expansion

Låt oss hålla Edwin Hubble en sekund. Medan den stora depressionen rasade på 1920-talet var Hubble banbrytande på banbrytande astronomisk forskning. Han bevisade inte bara att det fanns andra galaxer förutom Vintergatan, men han fann också att dessa galaxer svepte bort från våra egna, och denna rörelse kallade han lågkonjunktur.

För att kvantifiera hastigheten för denna galaktiska rörelse föreslog Hubble lagen om kosmisk expansion, aka Hubbles lag. Ekvationen ser ut så här: hastighet = H0 x avstånd. Hastighet är den hastighet med vilken galaxer rör sig bort; H0 är Hubble-konstanten eller parametern som indikerar universums expansionshastighet. avstånd är avståndet från en galax till den som jämförelsen görs med.

Hubble-konstanten beräknades vid olika värden under ganska lång tid, men för närvarande är den frusen vid en punkt av 70 km / s per megaparsek. Det är inte så viktigt för oss. Viktigt är att lagen är ett bekvämt sätt att mäta en galaxs hastighet i förhållande till vår egen. Och ännu viktigare, lagen fastställde att universum består av många galaxer, vars rörelse kan spåras tillbaka till Big Bang.

Keplers lagar om planetrörelse

I århundraden har forskare kämpat med varandra och med religiösa ledare om planeternas banor, särskilt om de kretsar kring solen. På 1500-talet lade Copernicus fram sitt kontroversiella koncept om ett heliosentriskt solsystem, där planeterna kretsar kring solen snarare än jorden. Det var dock bara med Johannes Kepler, som förlitade sig på Tycho Brahes och andra astronomers arbete, som en tydlig vetenskaplig grund för planeternas rörelse uppstod.

Keplers tre lagar om planetrörelser, bildade i början av 1600-talet, beskriver planeternas rörelse runt solen. Den första lagen, ibland kallad banalagen, säger att planeterna kretsar kring solen i en elliptisk omloppsbana. Den andra lagen, områdeslagen, säger att linjen som förbinder planeten med solen bildar lika stora områden med jämna mellanrum. Med andra ord, om du mäter det område som skapats av en linje från jorden från solen och spårar jordens rörelse i 30 dagar, kommer området att vara detsamma oavsett jordens position i förhållande till ursprunget .

Den tredje lagen, periodens lag, gör det möjligt att etablera ett tydligt förhållande mellan planetens omloppsperiod och avståndet till solen. Tack vare denna lag vet vi att en planet som ligger relativt nära solen, som Venus, har en mycket kortare omloppsperiod än avlägsna planeter som Neptun.

Universal gravitationslag

Idag kan detta vara ordning på saker, men för mer än 300 år sedan föreslog Sir Isaac Newton en revolutionär idé: två objekt, oavsett massa, utövar gravitationsattraktion på varandra. Denna lag representeras av den ekvation som många skolbarn stöter på i gymnasiets fysik och matematik.

F = G × [(m1m2) / r²]

F är gravitationskraften mellan två objekt, mätt i newton. M1 och M2 är massorna av två objekt, medan r är avståndet mellan dem. G är gravitationskonstanten, beräknad för närvarande som 6, 67384 (80) · 10−11 eller N · m² · kg - 2.

Fördelen med den allmänna gravitationslagen är att den låter dig beräkna gravitationsattraktionen mellan två objekt. Denna förmåga är extremt användbar när forskare till exempel sänder en satellit i omloppsbana eller bestämmer månens gång.

Newtons lagar

Medan vi är föremål för en av de största forskarna som någonsin har bott på jorden, låt oss prata om några av Newtons andra berömda lagar. Hans tre rörelselagar utgör en väsentlig del av modern fysik. Och som många andra fysiklagar är de eleganta i sin enkelhet.

Den första av de tre lagarna säger att ett objekt i rörelse förblir i rörelse såvida inte en extern kraft verkar på det. För en boll som rullar på golvet kan den yttre kraften vara friktion mellan bollen och golvet eller en pojke som träffar bollen i en annan riktning.

Den andra lagen etablerar ett förhållande mellan massan av ett objekt (m) och dess acceleration (a) i form av ekvationen F = m x a. F är den kraft som mäts i newton. Det är också en vektor, det vill säga den har en riktad komponent. På grund av accelerationen har bollen som rullar på golvet en speciell vektor i riktning mot dess rörelse, och detta beaktas vid beräkning av kraften.

Den tredje lagen är ganska informativ och bör vara bekant för dig: för varje handling finns det en lika reaktion. Det vill säga, för varje kraft som appliceras på ett objekt på ytan, avvisas objektet med samma kraft.

Termodynamiklagar

Den brittiska fysikern och författaren C.P. Snow sa en gång att den icke-forskare som inte kände termodynamikens andra lag var som den forskare som aldrig hade läst Shakespeare. Snows nu berömda uttalande betonade vikten av termodynamik och behovet av att människor långt ifrån vetenskap vet det.

Termodynamik är vetenskapen om hur energi fungerar i ett system, vare sig det är motorns eller jordens kärna. Det kan reduceras till flera grundläggande lagar, som Snow skisserade enligt följande:

Du kan inte vinna.

Du kommer inte att undvika förluster.

Du kan inte sluta spelet.

Låt oss ta reda på det lite. Genom att säga att du inte kan vinna menade Snow att eftersom materia och energi bevaras kan du inte vinna en utan att förlora den andra (dvs. E = mc²). Det betyder också att du måste leverera värme för att köra motorn, men i avsaknad av ett perfekt slutet system kommer viss värme oundvikligen att gå in i den öppna världen, vilket leder till den andra lagen.

Den andra lagen - förluster är oundvikliga - betyder att på grund av den ökande entropin kan du inte återvända till det tidigare energiska tillståndet. Energi koncentrerad på ett ställe tenderar alltid till platser med lägre koncentration.

Slutligen hänvisar den tredje lagen - du kan inte komma ur spelet - absolut noll, den lägsta teoretiskt möjliga temperaturen - minus 273, 15 grader Celsius. När systemet når absolut noll stannar molekylernas rörelse, vilket innebär att entropin når sitt lägsta värde och det kommer inte ens att finnas kinetisk energi. Men i den verkliga världen är det omöjligt att nå absolut noll - kom bara väldigt nära det.

Archimedes styrka

Efter att den antika grekiska Archimedes upptäckte sin princip för flytkraft, ropade han påståenden "Eureka!" (Hittade det!) Och sprang naken över Syracuse. Så säger legenden. Upptäckten var så viktig. Legenden säger också att Archimedes upptäckte principen när han märkte att vattnet i badrummet stiger när kroppen är nedsänkt i den.

Enligt Archimedes flytkraftsprincip är kraften som verkar på ett nedsänkt eller delvis nedsänkt föremål lika med vätskans massa som objektet förskjuter. Denna princip är väsentlig i såväl densitetsberäkningar som i utformningen av ubåtar och andra havsgående fartyg.

Evolution och naturligt urval

Nu när vi har etablerat några av de grundläggande begreppen för hur universum började och hur fysiska lagar påverkar våra dagliga liv, låt oss rikta vår uppmärksamhet mot den mänskliga formen och ta reda på hur vi kom dit. Enligt de flesta forskare har allt liv på jorden en gemensam förfader. Men för att en så stor skillnad skulle bildas mellan alla levande organismer, var några av dem tvungna att förvandlas till en separat art.

I allmänhet har denna differentiering inträffat i utvecklingsprocessen. Populationer av organismer och deras egenskaper har gått igenom mekanismer som mutationer. De med egenskaper som var mer fördelaktiga för överlevnad, såsom bruna grodor som kamouflerar sig bra i träsk, valdes naturligt för överlevnad. Det är här termen naturligt urval kommer ifrån.

Du kan multiplicera dessa två teorier med mycket, mycket tid, och i själva verket gjorde Darwin det på 1800-talet. Evolution och naturligt urval förklarar det stora utbudet av liv på jorden.

Allmän relativitetsteori

Albert Einsteins allmänna relativitetsteori var och förblir den viktigaste upptäckten som för alltid förändrat vårt betraktande av universum. Einsteins stora genombrott var hans påstående att rum och tid inte är absoluta, och tyngdkraften är inte bara en kraft som appliceras på ett objekt eller massa. Snarare är tyngdkraften relaterad till det faktum att massan böjer rymden och tiden själv (rymdtid).

För att förstå detta, föreställ dig att du kör över jorden i en rak linje österut, säg från norra halvklotet. Efter ett tag, om någon vill bestämma din plats exakt, kommer du att vara mycket söder och öster om din startposition. Detta beror på att jorden är krökt. För att köra rakt österut måste du ta hänsyn till jordens form och köra i en vinkel något norrut. Jämför en rund boll och ett papper.

Rymden är ungefär samma sak. Till exempel för passagerare på en raket som flyger runt jorden kommer det att vara uppenbart att de flyger i en rak linje i rymden. Men i verkligheten böjer rumstiden runt dem under påverkan av jordens gravitation, vilket får dem att samtidigt gå framåt och stanna i jordens omlopp.

Einsteins teori hade en enorm inverkan på framtiden för astrofysik och kosmologi. Hon förklarade en liten och oväntad avvikelse i kvicksilverens bana, visade hur stjärnljus böjer sig och lade den teoretiska grunden för svarta hål.

Heisenbergs osäkerhetsprincip

En förlängning av Einsteins relativitetsteori berättade mer om hur universum fungerar och hjälpte till att lägga grunden för kvantfysik, vilket ledde till en helt oväntad förvirring inom teoretisk vetenskap. År 1927 ledde insikten att alla universums lagar i ett givet sammanhang är flexibla till den häpnadsväckande upptäckten av den tyska forskaren Werner Heisenberg.

Genom att postulera sin osäkerhetsprincip insåg Heisenberg att det är omöjligt att samtidigt med hög noggrannhet känna till de två egenskaperna hos en partikel. Du kan veta positionen för en elektron med hög noggrannhet, men inte dess momentum, och vice versa.

Konceptet blev känt som vågpartikel dualitet och blev grunden för kvantfysik. Därför, när vi mäter en elektronposition, definierar vi den som en partikel vid en viss punkt i rymden med en obestämd våglängd. När vi mäter momentum betraktar vi elektronen som en våg, vilket betyder att vi kan känna till amplituden för dess längd, men inte positionen.