10 videnskabelige love og teorier, du virkelig burde kende

Forskere har mange værktøjer til rådighed, når de forsøger at beskrive, hvordan naturen og universet i det store og hele fungerer. Ofte når de først til love og teorier. Hvad er forskellen? EN videnskabelig lov kan ofte reduceres til en matematisk erklæring, såsom E =mc²; det er en specifik erklæring baseret på empiriske data, og dens sandhed er generelt begrænset til et bestemt sæt betingelser. For eksempel, for E =mc², c refererer til lysets hastighed i et vakuum.

EN videnskabelig teori søger ofte at syntetisere et bevismateriale eller observationer af bestemte fænomener. Det er generelt - dog på ingen måde altid - en større, testbar erklæring om, hvordan naturen fungerer. Du kan ikke nødvendigvis reducere en videnskabelig teori til en beskeden sætning eller ligning, men det repræsenterer noget fundamentalt om, hvordan naturen fungerer.

Både love og teorier afhænger af grundlæggende elementer i den videnskabelige metode, såsom at generere en hypotese, tester den forudsætning, finde (eller ikke finde) empirisk bevis og komme med konklusioner. Til sidst, andre forskere skal være i stand til at replikere resultaterne, hvis eksperimentet er bestemt til at blive grundlaget for en almindeligt accepteret lov eller teori.

I denne artikel, vi ser på 10 videnskabelige love og teorier, som du måske vil børste op på, selvom du ikke finder dig selv, sige, opererer et scanningselektronmikroskop alt for ofte. Vi starter med et brag og går videre til universets grundlæggende love, inden vi rammer evolutionen. Endelig, vi tager fat i noget mere overskueligt materiale, fordybe sig i kvantefysikkens område.

1. Teorien om Big Bang
2. Hubbles lov om kosmisk ekspansion
3. Keplers love om planetarisk bevægelse
4. Universal gravitationslov
5. Newtons bevægelseslove
6. Love for termodynamik
7. Archimedes 'opdriftsprincip
8. Evolution og naturligt udvalg
9. Teori om generel relativitet
10. Heisenbergs usikkerhedsprincip

10:Big Bang -teorien

Hvis du vil kende en videnskabelig teori, gør det til det, der forklarer, hvordan universet nåede frem til dets nuværende tilstand. Baseret på forskning udført af Edwin Hubble, Georges Lemaitre og Albert Einstein, blandt andre, det teorien om Big Bang postulerer, at universet begyndte for næsten 14 milliarder år siden med en massiv ekspansion. På det tidspunkt, universet var begrænset til et enkelt punkt, dækker hele universets materie. Den originale bevægelse fortsætter i dag, som universet bliver ved med at ekspandere udad.

Teorien om big bang fik udbredt støtte i det videnskabelige samfund efter Arno Penzias og Robert Wilson opdagede kosmisk mikrobølge baggrundsstråling i 1965. Ved hjælp af radioteleskoper, de to astronomer opdagede kosmisk støj, eller statisk, der forsvandt ikke med tiden. Samarbejde med Princeton -forsker Robert Dicke, parret bekræftede Dickes hypotese om, at det oprindelige big bang efterlod lavt niveau af stråling, der kan påvises i hele universet.

9:Hubbles lov om kosmisk ekspansion

Lad os holde os til Edwin Hubble et sekund. Mens 1920'erne brølede forbi og den store depression haltede af, Hubble udførte banebrydende astronomisk forskning. Hubble beviste ikke kun, at der var andre galakser udover Mælkevejen, han opdagede også, at disse galakser lynede væk fra vores egne, et forslag, han kaldte recession .

For at kvantificere hastigheden af ​​denne galaktiske bevægelse, Hubble foreslog Hubbles lov om kosmisk ekspansion , alias Hubbles lov, en ligning, der siger: hastighed =H × afstand . Hastighed repræsenterer galaksens recessionshastighed; H er Hubble -konstanten, eller parameter, der angiver den hastighed, hvormed universet ekspanderer; og afstand er galaksens afstand fra den, den sammenlignes med.

Hubbles konstant er blevet beregnet til forskellige værdier over tid, men den nuværende accepterede værdi er 70 kilometer/sekund pr. megaparsek, sidstnævnte er en afstandsenhed i intergalaktisk rum [kilde:Hvid]. Til vores formål, det er ikke så vigtigt. Det vigtigste er, at Hubbles lov giver en kortfattet metode til måling af en galakses hastighed i forhold til vores egen. Og måske mest markant, loven fastslog, at universet består af mange galakser, hvis bevægelser går tilbage til big bang.

8:Keplers love om planetarisk bevægelse

I århundreder, forskere kæmpede med hinanden og med religiøse ledere om planternes kredsløb, især om de kredsede om vores sol. I det 16. århundrede, Copernicus fremsatte sit kontroversielle koncept om et heliocentrisk solsystem, hvor planeterne kredsede om solen - ikke Jorden. Men det ville tage Johannes Kepler, bygger på arbejde udført af Tyco Brahe og andre, at etablere et klart videnskabeligt fundament for planeternes bevægelser.

Keplers tre love om planetarisk bevægelse - dannet i begyndelsen af ​​1600 -tallet - beskrive hvordan planeter kredser om solen. Den første lov, undertiden kaldet loven om baner , siger, at planeter kredser om solen elliptisk. Den anden lov, det områdelov , hedder det, at en linje, der forbinder en planet med solen, dækker et lige stort område over lige lange perioder. Med andre ord, hvis du måler det område, der er skabt ved at tegne en linje fra jorden til solen og spore Jordens bevægelse over 30 dage, området vil være det samme, uanset hvor Jorden er i sin bane, når målinger begynder.

Den tredje, det lov om perioder , giver os mulighed for at etablere et klart forhold mellem en planets kredsløbstid og dens afstand til solen. Takket være denne lov, vi ved, at en planet relativt tæt på solen, ligesom Venus, har en langt kortere omløbstid end en fjern planet, såsom Neptun.

7:Universel gravitationslov

Vi kan tage det for givet nu, men for mere end 300 år siden foreslog Sir Isaac Newton en revolutionerende idé:at to genstande, uanset deres masse, udøver tyngdekraften mod hinanden. Denne lov er repræsenteret ved en ligning, som mange gymnasieelever støder på i fysikklassen. Det går som følger:

F =G × [(m ₁ m ₂ )/r ² ]

F er tyngdekraften mellem de to objekter, målt i Newton. M ₁ og m ₂ er masserne af de to objekter, mens r er afstanden mellem dem. G er gravitationskonstanten, et tal, der i øjeblikket beregnes til at være 6,672 × 10 ^-11 N m ² kg ^-2 [kilde:Weisstein].

Fordelen ved den universelle gravitationslov er, at den giver os mulighed for at beregne tyngdekraften mellem to objekter. Denne evne er især nyttig, når forskere er, sige, planlægger at sætte en satellit i kredsløb eller kortlægge månens forløb.

6:Newtons bevægelseslove

Så længe vi taler om en af ​​de største videnskabsmænd, der nogensinde har levet, lad os gå videre til Newtons andre berømte love. Hans tre bevægelseslove udgør en væsentlig komponent i moderne fysik. Og som mange videnskabelige love, de er ret elegante i deres enkelhed.

Den første af de tre love siger, at et objekt i bevægelse forbliver i bevægelse, medmindre det påvirkes af en ydre kraft. For en bold der ruller hen over gulvet, at ydre kraft kan være friktionen mellem bolden og gulvet, eller det kan være barnet, der sparker bolden i en anden retning.

Den anden lov etablerer en forbindelse mellem et objekts masse ( m ) og dens acceleration ( -en ), i form af ligningen F =m × -en . F repræsenterer kraft, målt i Newton. Det er også en vektor, hvilket betyder, at den har en retningsbestemt komponent. På grund af sin acceleration, at bolden ruller hen over gulvet har en særlig vektor , en retning, den kører i, og det er medregnet i beregningen af ​​dens kraft.

Den tredje lov er temmelig beskeden og burde være kendt for dig:For hver handling er der en lige og modsat reaktion. Det er, for hver kraft, der påføres et objekt eller en overflade, at objektet skubber tilbage med samme kraft.

5:love for termodynamik

Den britiske fysiker og romanforfatter C.P. Snow sagde engang, at en ikke -videnskabsmand, der ikke kendte termodynamikkens anden lov, var som en videnskabsmand, der aldrig havde læst Shakespeare [kilde:Lambert]. Snows nu berømte udtalelse skulle understrege både betydningen af ​​termodynamik og nødvendigheden af, at ikke-videnskabsfolk kan lære om det.

Termodynamik er studiet af, hvordan energi fungerer i et system, om det er en motor eller Jordens kerne. Det kan reduceres til flere grundlæggende love, som Snow på en smart måde opsummerede som følger [kilde:Physics Planet]:

• Du kan ikke vinde.
• Du kan ikke bryde lige.
• Du kan ikke afslutte spillet.

Lad os pakke disse lidt ud. Ved at sige, at du ikke kan vinde, Sne betød, at da stof og energi bevares, du kan ikke få en uden at opgive nogle af de andre (dvs. E =mc²). Det betyder også, at for at en motor kan producere arbejde, du skal levere varme, skønt i alt andet end et perfekt lukket system, noget varme går uundgåeligt tabt til omverdenen, som derefter fører til den anden lov.

Den anden erklæring-du kan ikke bryde lige-betyder, at på grund af en stadig stigende entropi, du kan ikke vende tilbage til den samme energitilstand. Energi koncentreret ét sted vil altid flyde til steder med lavere koncentration.

Endelig, den tredje lov - du kan ikke afslutte spillet - refererer til absolut nul, den lavest mulige teoretiske temperatur, målt ved nul Kelvin eller (minus 273,15 grader Celsius og minus 459,67 grader Fahrenheit). Når et system når absolut nul, molekyler stopper al bevægelse, hvilket betyder, at der ikke er nogen kinetisk energi, og entropi når sin lavest mulige værdi. Men i den virkelige verden, selv i rumets fordybninger, at nå absolut nul er umuligt - du kan kun komme meget tæt på det.

4:Archimedes 'opdriftsprincip

Efter at han opdagede sit opdriftsprincip, den gamle græske lærde Archimedes råbte angiveligt "Eureka!" og løb nøgen gennem byen Syracuse. Opdagelsen var så vigtig. Historien fortæller, at Archimedes fik sit store gennembrud, da han bemærkede vandstigningen, da han kom i karret [kilde:Quake].

Ifølge Archimedes 'opdriftsprincip , den kraft, der virker på, eller svævende, et nedsænket eller delvist nedsænket objekt svarer til vægten af ​​den væske, som objektet forskyder. Denne form for princip har et enormt anvendelsesområde og er afgørende for beregninger af densitet, samt at designe ubåde og andre oceangående fartøjer.

3:Evolution og naturligt udvalg

Nu hvor vi har etableret nogle af de grundlæggende begreber for, hvordan vores univers begyndte, og hvordan fysik spiller ud i vores daglige liv, lad os rette vores opmærksomhed mod den menneskelige form og hvordan vi skal være, som vi er. Ifølge de fleste forskere, alt liv på Jorden har en fælles forfader. Men for at producere den enorme forskel mellem alle levende organismer, visse måtte udvikle sig til forskellige arter.

I en grundlæggende forstand, denne differentiering skete gennem evolution, gennem nedstigning med modifikation [kilde:UCMP]. Befolkninger af organismer udviklede forskellige træk, gennem mekanismer som mutation. Dem med træk, der var mere fordelagtige for overlevelse, såsom, en frø, hvis brune farve gør det muligt at camoufleere den i en sump, blev naturligt udvalgt til overlevelse; derfor udtrykket naturlig selektion .

Det er muligt at udvide begge disse teorier i større længde, men dette er det grundlæggende, og banebrydende, opdagelse, som Darwin gjorde i det 19. århundrede:at evolution gennem naturlig selektion tegner sig for den enorme mangfoldighed af liv på Jorden.

2:Teori om generel relativitet

Albert Einsteins generel relativitetsteori forbliver en vigtig og væsentlig opdagelse, fordi den permanent ændrede, hvordan vi ser på universet. Einsteins store gennembrud var at sige, at rum og tid ikke er absolutter, og at tyngdekraften ikke blot er en kraft, der påføres et objekt eller en masse. Hellere, tyngdekraften forbundet med enhver masse krummer selve rummet og tiden (ofte kaldet rumtid) omkring den.

For at konceptualisere dette, forestil dig, at du rejser over Jorden i en lige linje, på vej mod øst, startende et sted på den nordlige halvkugle. Efter et stykke tid, hvis nogen skulle fastslå din position på et kort, du ville faktisk være både øst og langt syd for din oprindelige position. Det er fordi Jorden er buet. At rejse direkte mod øst, du bliver nødt til at tage hensyn til Jordens form og vende dig lidt mod nord. (Tænk på forskellen mellem et fladt papirkort og en sfærisk globus.)

Rummet er stort set det samme. For eksempel, til beboerne i den shuttle, der kredser om Jorden, det kan se ud som om de rejser på en lige linje gennem rummet. I virkeligheden, rumtiden omkring dem bliver buet af Jordens tyngdekraft (som det ville være med ethvert stort objekt med enorm tyngdekraft som en planet eller et sort hul), får dem til både at bevæge sig fremad og til at se ud til at kredser om Jorden.

Einsteins teori havde enorme konsekvenser for fremtiden for astrofysik og kosmologi. Det forklarede en mindreårig, uventet anomali i Merkurius bane, viste hvordan stjernelys bøjer og lagde det teoretiske fundament for sorte huller.

1:Heisenbergs Usikkerhedsprincip

Einsteins bredere relativitetsteori fortalte os mere om, hvordan universet fungerer og hjalp med at lægge grundlaget for kvantefysik, men det introducerede også mere forvirring i teoretisk videnskab. I 1927, denne fornemmelse af, at universets love var, i nogle sammenhænge, fleksibel, førte til en banebrydende opdagelse af den tyske videnskabsmand Werner Heisenberg.

Ved postulering af hans Usikkerhedsprincip , Heisenberg indså, at det var umuligt samtidig at vide, med en høj præcision, to egenskaber ved en partikel. Med andre ord, du kan kende placeringen af ​​en elektron med en høj grad af sikkerhed, men ikke dens momentum og omvendt.

Niels Bohr lavede senere en opdagelse, der hjælper med at forklare Heisenbergs princip. Bohr fandt ud af, at en elektron har egenskaberne af både en partikel og en bølge, et begreb kendt som bølge-partikel dualitet , som er blevet en hjørnesten i kvantefysikken. Så når vi måler en elektronposition, vi behandler det som en partikel på et bestemt sted i rummet, med en usikker bølgelængde. Når vi måler dens momentum, vi behandler det som en bølge, hvilket betyder, at vi kan kende amplituden af ​​dens bølgelængde, men ikke dens placering.

Fortsæt med at læse for flere videnskabelige ting, du måske kan lide.

Oprindeligt udgivet:19. jan. 2011

Ofte stillede spørgsmål om videnskabelig teori

Hvad er videnskabelig teori?

Hvad er et eksempel på videnskabelig teori?

Er en videnskabelig lov mere præcis end en videnskabelig teori?

Hvad er de fem videnskabelige love?

Masser mere information

relaterede artikler

• Gravitationsbølger! Eller de kvidre, der beviser, at Einstein havde ret
• Sådan fungerer Newtons bevægelseslove
• 10 videnskabelige ord, du sandsynligvis bruger forkert
• Sådan fungerer den videnskabelige metode

Kilder

• Spørg en astronom. "Relativitetsteorien." Cornell University Astronomy Dept. 21. marts kl. 2008. (5. januar, 2011) http://curious.astro.cornell.edu/relativity.php
• Bragg, Melvyn. "Termodynamikkens anden lov." BBC. 16. december kl. 2004. (5. januar, 2011) http://www.bbc.co.uk/programmes/p004y2bm
• Glenn Research Center. "Termodynamikens første lov." NASA. 11. juli kl. 2008. (5. januar, 2011) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo1.html
• Lambert, Frank L. "Shakespeare og termodynamik:dæmp den anden lov!" Occidental College. 2008. (5. januar, 2011) http://shakespeare2ndlaw.oxy.edu/
• LaRocco, Chris og Blair Rothstein. "Det store brag." University of Michigan. (5. januar, 2011) http://www.umich.edu/~gs265/bigbang.htm
• Lightman, Alan. "Relativitet og kosmos." PBS Nova. Juni 2005. (5. januar, 2011) http://www.pbs.org/wgbh/nova/einstein/relativity/
• Matson, Ronald H. "Videnskabelige love og teorier." Kennesaw State University. (5. januar, 2011) http://science.kennesaw.edu/~rmatson/3380theory.html
• Nave, C.R. "Hubble -loven og det ekspanderende univers." Georgia State University. (5. januar, 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/hubble.html
• Nave, C.R. "Keplers love". Georgia State University. (5. januar, 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kepler.html
• Nave, C.R. "Usikkerhedsprincippet". Georgia State University. (5. januar, 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/uncer.html
• PBS. "Big bang -teorien introduceres." 1998. (5. januar, 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27bi.html
• PBS. "Heisenberg angiver usikkerhedsprincippet." 1998. (5. januar, 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27un.html
• PBS. "Penzias og Wilson opdager kosmisk mikrobølgestråling." 1998. (5. januar, 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp65co.html
• Pidwirny, Michael. "Termodynamikkens love." Fysisk geografi. 6. april kl. 2010. (5. januar, 2011) http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6e.html
• Skælv, Stephen. "Praktisk talt rent." New York Times. 8. november kl. 2009. (5. januar, 2011) http://www.nytimes.com/2009/02/18/opinion/18iht-edquake.1.20274600.html
• Hård, David P. "Keplers tre love om planetarisk bevægelse." Phy6.org. 21. marts 2005. (5. januar, 2011) http://www.phy6.org/stargaze/Kep3laws.htm
• Hård, David P. "Newtons teori om 'Universal Gravitation'." NASA. 24. marts 2006. (5. januar, 2011) http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sgravity.htm
• University of California Museum of Paleontology (UCMP). "Forståelse af evolution:En introduktion til evolution." (5. januar, 2011) http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/0_0_0/evo_02
• University of California Museum of Paleontology (UCMP). "Forståelse af evolution:Naturligt udvalg." (5. januar, 2011) http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/evo_25
• University of Tennessee, Knoxville, Institut for Fysik &Astronomi. "Newtons tre love om bevægelse." (5. januar, 2011) http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newton3laws.html
• University of Tennessee, Knoxville, Institut for Fysik &Astronomi. "Sir Isaac Newton:Den universelle gravitationslov." (5. januar, 2011) http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newtongrav.html
• Weisstein, Eric W. "Gravitationskonstant". Wolfram Research. (5. januar, 2011) http://scienceworld.wolfram.com/physics/GravitationalConstant.html
• Weisstein, Eric W. "Keplers love." Wolfram Research. (5. januar, 2011) http://scienceworld.wolfram.com/physics/KeplersLaws.html
• Hvid, Martin. "Hubble -udvidelsen." University of California, Berkeley. (5. januar, 2011) http://astro.berkeley.edu/~mwhite/darkmatter/hubble.html