Ученым доступно множество инструментов, когда они пытаются описать, как работает природа и Вселенная в целом. Часто они сначала тянутся к законам и теориям. Какая разница?научный закон часто можно свести к математическому утверждению, например, E=mc²; это конкретное утверждение, основанное на эмпирических данных, и его истинность обычно ограничивается определенным набором условий. Например, в случае E=mc² c означает скорость света в вакууме.
Aнаучная теория часто стремится синтезировать совокупность доказательств или наблюдений за конкретными явлениями. Обычно - хотя далеко не всегда - это более масштабное и поддающееся проверке утверждение о том, как действует природа. Вы не обязательно можете свести научную теорию к содержательному утверждению или уравнению, но она представляет нечто фундаментальное в том, как работает природа.
И законы, и теории зависят от основных элементов научного метода, таких как создание гипотезы, проверка этой предпосылки, поиск (или не обнаружение) эмпирических доказательств и формулирование выводов. В конце концов, другие ученые должны быть в состоянии воспроизвести результаты, если эксперименту суждено стать основой для общепринятого закона или теории.
В этой статье мы рассмотрим 10 научных законов и теорий, которые вам, возможно, захочется освежить в памяти, даже если вы, скажем, не так уж часто работаете со сканирующим электронным микроскопом. Мы начнем с удара и перейдем к основным законам Вселенной, прежде чем перейти к эволюции. Наконец, мы приступим к более серьезному материалу, углубившись в область квантовой физики.
10: Теория большого взрыва
Если вы хотите узнать одну научную теорию, пусть она объясняет, как Вселенная пришла к своему нынешнему состоянию. Основываясь на исследованиях, проведенных Эдвином Хабблом, Жоржем Леметром и Альбертом Эйнштейном, среди прочих,теория большого взрыва постулирует, что Вселенная началась почти 14 миллиардов лет назад в результате массивного расширения. В то время Вселенная была ограничена одной точкой, охватывающей всю материю Вселенной. Это первоначальное движение продолжается и сегодня, поскольку Вселенная продолжает расширяться наружу.
Теория большого взрыва получила широкую поддержку в научном сообществе после того, как Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыликосмическое микроволновое фоновое излучение в 1965 году. Используя радиотелескопы, два астронома обнаружили космический шум или статические помехи, которые не рассеялись со временем. Сотрудничая с исследователем из Принстона Робертом Дике, пара подтвердила гипотезу Дике о том, что первоначальный Большой взрыв оставил после себя низкоуровневое излучение, обнаруживаемое по всей Вселенной.
9: Закон Хаббла о космическом расширении
Давайте на секунду задержимся на Эдвине Хаббле. В то время как 1920-е годы проносились мимо, а Великая депрессия хромала, Хаббл проводил новаторские астрономические исследования. Хаббл не только доказал, что помимо Млечного Пути существуют и другие галактики, он также обнаружил, что эти галактики стремительно удаляются от нашей, движение, которое он назвалрецессией.
Чтобы количественно определить скорость этого галактического движения, Хаббл предложилзакон космического расширения Хаббла, также известный как закон Хаббла, уравнение, которое гласит:скорость=H × расстояниеСкоростьпредставляет скорость удаления галактики;H- постоянная Хаббла или параметр, указывающий скорость расширения Вселенной; аdistance - расстояние галактики от той, с которой она сравнивается.
Постоянная Хаббла была рассчитана для различных значений с течением времени, но текущее принятое значение составляет 70 километров в секунду на мегапарсек, последнее является единицей расстояния в межгалактическом пространстве. Для наших целей это не так важно. Что важнее всего, так это то, что закон Хаббла предлагает краткий метод измерения скорости галактики по отношению к нашей собственной. И, возможно, наиболее важно то, что закон установил, что Вселенная состоит из множества галактик, движение которых восходит к Большому взрыву.
8: Законы движения планет Кеплера
Веками ученые спорили друг с другом и с религиозными лидерами об орбитах планет, особенно о том, вращаются ли они вокруг нашего Солнца. В 16 веке Коперник выдвинул свою спорную концепцию гелиоцентрической солнечной системы, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли. Но понадобился Иоганн Кеплер, основываясь на работах Тайко Браге и других, чтобы создать четкую научную основу для движения планет.
Кеплертри закона движения планет, сформулированные в начале 17 века, описывают, как планеты вращаются вокруг Солнца. Первый закон, иногда называемыйзаконом орбит, гласит, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллипсу. Второй закон,закон площадей, гласит, что линия, соединяющая планету с Солнцем, покрывает равную площадь за равные периоды времени. Другими словами, если вы измеряете площадь, созданную путем проведения линии от Земли до Солнца и отслеживания движения Земли в течение 30 дней, площадь будет одинаковой независимо от того, где находится Земля на своей орбите в момент начала измерений.
Третий,закон периодов, позволяет нам установить четкую связь между периодом обращения планеты и ее расстоянием от Солнца. Благодаря этому закону мы знаем, что относительно близкая к Солнцу планета, такая как Венера, имеет гораздо более короткий период обращения, чем далекая планета, такая как Нептун.
7: Универсальный закон гравитации
Сейчас мы можем считать это само собой разумеющимся, но более 300 лет назад сэр Исаак Ньютон выдвинул революционную идею: любые два объекта, независимо от их массы, притягивают друг друга. Этот закон представлен уравнением, с которым сталкиваются многие старшеклассники на уроках физики. Это выглядит следующим образом:
F=G × [(m1m2)/r2]
F- гравитационная сила между двумя объектами, измеряемая в ньютонах. M1иm2- массы двух объектов, аr- расстояние между ними. G- гравитационная постоянная, число, которое в настоящее время рассчитывается как 6,672 × 10-11Н·м2кг.-2
Преимущество закона всемирного тяготения заключается в том, что он позволяет нам рассчитать гравитационное притяжение между любыми двумя объектами. Эта способность особенно полезна, когда ученые, скажем, планируют вывести спутник на орбиту или составить карту движения Луны.
6: Законы движения Ньютона
Раз уж мы заговорили об одном из величайших ученых, которые когда-либо жили, давайте перейдем к другим знаменитым законам Ньютона. Его три закона движения составляют существенный компонент современной физики. И, как многие научные законы, они довольно элегантны в своей простоте.
Первый из трех законов гласит, что движущийся объект остается в движении, если на него не действует внешняя сила. Для мяча, катящегося по полу, этой внешней силой может быть трение между мячом и полом, или это может быть малыш, который пинает мяч в другом направлении.
Второй закон устанавливает связь между массой тела (m) и его ускорением (a), в виде уравненияF=m × aFобозначает силу, измеряемую в ньютонах. Это также вектор, то есть он имеет компонент направления. Благодаря своему ускорению этот мяч, катящийся по полу, имеет особыйвектор, направление, в котором он движется, и это учитывается при расчете его силы.
Третий закон довольно лаконичен и должен быть вам знаком: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. То есть для каждой силы, приложенной к объекту или поверхности, этот объект отталкивается с равной силой.
5: Законы термодинамики
Британский физик и писатель К. П. Сноу однажды сказал, что неученый, не знающий второго закона термодинамики, подобен ученому, который никогда не читал Шекспира. Знаменитое заявление Сноу должно было подчеркнуть как важность термодинамики, так и необходимость ее изучения не учеными.
Термодинамика - это изучение того, как энергия работает в системе, будь то двигатель или ядро Земли. Его можно свести к нескольким основным законам, которые Сноу удачно сформулировал следующим образом:
- Вы не можете победить.
- Вы не можете безубыточности.
- Вы не можете выйти из игры.
Давайте немного распакуем это. Говоря, что вы не можете победить, Сноу имел в виду, что, поскольку материя и энергия сохраняются, вы не можете получить одно, не пожертвовав частью другого (например, E=mc²). Это также означает, что для того, чтобы двигатель производил работу, вы должны снабдить его теплом, хотя в любой системе, отличной от идеально закрытой, часть тепла неизбежно теряется во внешний мир, что затем приводит ко второму закону.
Второе утверждение - вы не можете безубыточности - означает, что из-за постоянно растущей энтропии вы не можете вернуться в прежнее энергетическое состояние. Энергия, сконцентрированная в одном месте, всегда будет течь в места с меньшей концентрацией.
Наконец, третий закон - вы не можете выйти из игры - относится к абсолютному нулю, самой низкой теоретической возможной температуре, измеренной при нуле Кельвина или (минус 273,15 градуса Цельсия и минус 459,67 градуса по Фаренгейту). Когда система достигает абсолютного нуля, молекулы прекращают всякое движение, а это означает, что кинетическая энергия отсутствует, а энтропия достигает минимально возможного значения. Но в реальном мире, даже в глубинах космоса, достичь абсолютного нуля невозможно - к нему можно только подобраться очень близко.
4: Принцип плавучести Архимеда
После того, как он открыл свой принцип плавучести, древнегреческий ученый Архимед якобы выкрикнул «Эврика!» и пробежал голым по городу Сиракузы. Это открытие было настолько важным. История гласит, что Архимед совершил свой великий прорыв, когда заметил, что вода поднялась, когда он залез в ванну.
Согласнопринципу плавучести Архимеда, сила, действующая на погруженный или частично погруженный объект или поддерживающая его, равна весу жидкости, которую вытесняет объект. Этот принцип имеет огромный спектр применений и необходим для расчета плотности, а также для проектирования подводных лодок и других океанских судов.
3: Эволюция и естественный отбор
Теперь, когда мы установили некоторые из фундаментальных представлений о том, как возникла наша Вселенная и как физика влияет на нашу повседневную жизнь, давайте обратим наше внимание на человеческую форму и на то, как мы стали такими, какие мы есть. По мнению большинства ученых, все живое на Земле имеет общего предка. Но для того, чтобы произвести огромное количество различий между всеми живыми организмами, некоторые из них должны были эволюционировать в отдельные виды.
В основном, эта дифференциация произошла в результате эволюции, через происхождение с модификацией. Популяции организмов развили различные черты посредством таких механизмов, как мутация. Те, у кого черты были более полезными для выживания, такие как лягушка, чья коричневая окраска позволяет ей маскироваться в болоте, были естественным образом отобраны для выживания; отсюда и терминестественный отбор
Обе эти теории можно расширить более подробно, но это основное и новаторское открытие, сделанное Дарвином в 19 веке: эволюция посредством естественного отбора объясняет огромное разнообразие жизни на Земле..
2: Общая теория относительности
Общая теория относительностиАльберта Эйнштейна остается важным и важным открытием, поскольку оно навсегда изменило наш взгляд на вселенную. Главный прорыв Эйнштейна заключался в том, что он сказал, что пространство и время не являются абсолютными и что гравитация - это не просто сила, приложенная к объекту или массе. Скорее, гравитация, связанная с любой массой, искривляет само пространство и время (часто называемое пространством-временем) вокруг нее.
Чтобы осмыслить это, представьте, что вы путешествуете по Земле по прямой линии, направляясь на восток, начиная где-то в северном полушарии. Через некоторое время, если бы кто-то указал ваше положение на карте, вы оказались бы и на востоке, и далеко на юге от вашего первоначального положения. Это потому, что Земля искривлена. Чтобы отправиться прямо на восток, вам нужно будет принять во внимание форму Земли и немного наклониться на север. (Подумайте о разнице между плоской бумажной картой и сферическим глобусом.)
Космос почти такой же. Например, пассажирам шаттла, вращающегося вокруг Земли, может показаться, что они путешествуют по прямой в космосе. На самом деле пространство-время вокруг них искривляется гравитацией Земли (как это было бы с любым большим объектом с огромной гравитацией, таким как планета или черная дыра), заставляя их двигаться вперед и казаться вращающимися вокруг Земли.
Теория Эйнштейна имела огромное значение для будущего астрофизики и космологии. Она объяснила небольшую, неожиданную аномалию на орбите Меркурия, показала, как искривляется звездный свет, и заложила теоретические основы черных дыр.
1: Принцип неопределенности Гейзенберга
Более широкая теория относительности Эйнштейна рассказала нам больше о том, как устроена Вселенная, и помогла заложить фундамент квантовой физики, но также внесла больше путаницы в теоретическую науку. В 1927 году это ощущение того, что законы Вселенной в некоторых контекстах гибки, привело к новаторскому открытию немецкого ученого Вернера Гейзенберга..
Постулируя свойпринцип неопределенности, Гейзенберг понял, что невозможно одновременно знать с высокой степенью точности два свойства частицы. Другими словами, вы можете с высокой степенью достоверности знать положение электрона, но не его импульс и наоборот.
Нильс Бор позже сделал открытие, которое помогло объяснить принцип Гейзенберга. Бор обнаружил, что электрон обладает качествами как частицы, так и волны, концепция, известная какдуализм волна-частица, которая стала краеугольным камнем квантовой физики. Поэтому, когда мы измеряем положение электрона, мы рассматриваем его как частицу в определенной точке пространства с неопределенной длиной волны. Когда мы измеряем его импульс, мы рассматриваем его как волну, то есть мы можем знать амплитуду его длины волны, но не его местоположение.
Продолжайте читать, чтобы узнать больше о научных материалах, которые могут вам понравиться.
Часто задаваемые вопросы по научной теории
Что такое научная теория?
Научная теория - это объяснение мира природы, которое можно многократно проверить и проверить с помощью научных методов и наблюдений. Научные теории - это не догадки, а надежное объяснение того, как работает определенное природное явление.
Что является примером научной теории?
Одной из самых популярных научных теорий является специальная теория относительности Эйнштейна, которая объясняет взаимосвязь между пространством и временем для объектов, движущихся с постоянной скоростью по прямой линии. Теория также исследует концепцию, известную как замедление времени.
Является ли научный закон более точным, чем научная теория?
Научная теория - это поддающееся проверке объяснение природного явления. Например, теория гравитации объясняет, почему яблоко при падении всегда падает на землю. Закон, с другой стороны, есть наблюдение. Проще говоря, закон предсказывает, что происходит, а теория объясняет, почему.
Каковы пять научных законов?
Пять самых популярных научных законов - это закон упругости Гука, принцип плавучести Архимеда, закон парциального давления Дальтона, закон гидродинамики Бернулли и закон теплопроводности Фурье.