Oavsett om vi lanserar en rymdfärja eller försöker upptäcka en annan jordliknande planet, vi förlitar oss på vetenskapliga lagar och teorier för att vägleda oss. © 2018 HowStuffWorks Forskare har många verktyg tillgängliga för dem när de försöker beskriva hur naturen och universum i stort fungerar. Ofta når de lagar och teorier först. Vad är skillnaden? A vetenskaplig lag kan ofta reduceras till ett matematiskt uttalande, såsom E =mc²; det är ett specifikt uttalande baserat på empiriska data, och dess sanning är i allmänhet begränsad till en viss uppsättning villkor. Till exempel, för E =mc², c avser ljusets hastighet i ett vakuum.
A vetenskaplig teori försöker ofta syntetisera en mängd bevis eller observationer av särskilda fenomen. Det är i allmänhet - fast inte alltid - en större, testbart uttalande om hur naturen fungerar. Du kan inte nödvändigtvis reducera en vetenskaplig teori till ett litet uttalande eller en ekvation, men det representerar något grundläggande om hur naturen fungerar.
Både lagar och teorier beror på grundläggande element i den vetenskapliga metoden, som att skapa en hypotes, testar den förutsättningen, hitta (eller inte hitta) empiriska bevis och komma med slutsatser. Så småningom, andra forskare måste kunna replikera resultaten om experimentet är avsett att bli grunden för en allmänt accepterad lag eller teori.
I den här artikeln, vi kommer att titta på tio vetenskapliga lagar och teorier som du kanske vill borsta upp, även om du inte hittar dig själv, säga, att använda ett svepelektronmikroskop så ofta. Vi börjar med en smäll och går vidare till universums grundlagar, innan du träffar evolutionen. Till sist, vi kommer att ta itu med något rubrikmaterial, fördjupa sig i kvantfysikens område.
Innehåll
Big bang -teorin © 2018 HowStuffWorks Om du ska känna till en vetenskaplig teori, gör det till det som förklarar hur universum kom till dess nuvarande tillstånd. Baserat på forskning utförd av Edwin Hubble, Georges Lemaitre och Albert Einstein, bland andra, de Big Bang teorin postulerar att universum började för nästan 14 miljarder år sedan med en massiv expansion. Just då, universum var begränsat till en enda punkt, omfattar hela universums materia. Den ursprungliga rörelsen fortsätter idag, som universum fortsätter att expandera utåt.
Teorin om big bang fick utbrett stöd i det vetenskapliga samfundet efter att Arno Penzias och Robert Wilson upptäckte kosmisk mikrovågsbakgrundstrålning 1965. Med hjälp av radioteleskop, de två astronomerna upptäckte kosmiskt ljud, eller statisk, som inte försvann med tiden. Samarbetar med Princeton -forskaren Robert Dicke, paret bekräftade Dickes hypotes om att den ursprungliga big bang lämnade efter sig lågnivåstrålning som kan detekteras i hela universum.
Hubble och hans berömda lag hjälpte till att kvantifiera rörelsen i universums galaxer. © 2018 HowStuffWorks Låt oss hålla fast vid Edwin Hubble för en sekund. Medan 1920 -talet vrålade förbi och den stora depressionen haltade av, Hubble utförde banbrytande astronomisk forskning. Hubble bevisade inte bara att det fanns andra galaxer förutom Vintergatan, han upptäckte också att dessa galaxer zippade bort från våra egna, en motion han kallade lågkonjunktur .
För att kvantifiera hastigheten för denna galaktiska rörelse, Hubble föreslog Hubbles lag om kosmisk expansion , aka Hubbles lag, en ekvation som säger: hastighet =H × distans . Hastighet representerar galaxens recessionshastighet; H är Hubble -konstanten, eller parameter som anger hastigheten med vilken universum expanderar; och distans är galaxens avstånd från den som den jämförs med.
Hubbles konstant har beräknats till olika värden över tiden, men det nuvarande accepterade värdet är 70 kilometer/sekund per megaparsek, den senare är en avståndsenhet i intergalaktiskt utrymme [källa:Vit]. För våra syften, det är inte så viktigt. Det viktigaste är att Hubbles lag ger en kortfattad metod för att mäta en galax hastighet i förhållande till vår egen. Och kanske viktigast, lagen fastställde att universum består av många galaxer, vars rörelser spårar tillbaka till big bang.
Keplers områdeslag © 2018 HowStuffWorks I århundraden, forskare kämpade med varandra och med religiösa ledare om planeternas banor, särskilt om de kretsade om vår sol. På 1500 -talet, Copernicus lade fram sitt kontroversiella koncept om ett heliocentriskt solsystem, där planeterna kretsade runt solen - inte jorden. Men det skulle ta Johannes Kepler, bygger på arbete utfört av Tyco Brahe och andra, att etablera en tydlig vetenskaplig grund för planeternas rörelser.
Keplers tre lagar för planetrörelse - bildad i början av 1600 -talet - beskriv hur planeter kretsar runt solen. Den första lagen, kallas ibland för omloppslagen , säger att planeter kretsar runt solen elliptiskt. Den andra lagen, de områdeslag , säger att en linje som förbinder en planet med solen täcker ett lika stort område under lika lång tid. Med andra ord, om du mäter det område som skapats genom att dra en linje från jorden till solen och följa jordens rörelse under 30 dagar, området kommer att vara detsamma oavsett var jorden befinner sig i sin bana när mätningarna börjar.
Den tredje, de periodens lag , tillåter oss att upprätta ett tydligt samband mellan en planets omloppsperiod och dess avstånd från solen. Tack vare denna lag, vi vet att en planet relativt nära solen, som Venus, har en mycket kortare omloppstid än en avlägsen planet, som Neptunus.
Tack vare Newtons universella lag, vi kan räkna ut gravitationskraften mellan två objekt. © 2018 HowStuffWorks Vi kan ta det för givet nu, men för mer än 300 år sedan föreslog Sir Isaac Newton en revolutionär idé:att två objekt, oavsett massa utövar gravitationskraft mot varandra. Denna lag representeras av en ekvation som många gymnasieelever stöter på i fysikklassen. Det går enligt följande:
F =G × [(m 1 m 2 )/r 2 ]
F är gravitationskraften mellan de två föremålen, mätt i Newton. M 1 och m 2 är massorna av de två föremålen, medan r är avståndet mellan dem. G är gravitationskonstanten, ett tal som för närvarande beräknas vara 6,672 × 10 -11 N m 2 kg -2 [källa:Weisstein].
Fördelen med den universella gravitationslagen är att den tillåter oss att beräkna gravitationen mellan två objekt. Denna förmåga är särskilt användbar när forskare är, säga, planerar att sätta en satellit i en bana eller kartlägga månens gång.
Newtons andra rörelselag © 2018 HowStuffWorks Så länge vi talar om en av de största forskarna som någonsin har levt, låt oss gå vidare till Newtons andra kända lagar. Hans tre rörelselagar utgör en väsentlig del av modern fysik. Och som många vetenskapliga lagar, de är ganska eleganta i sin enkelhet.
Den första av de tre lagarna anger att ett objekt i rörelse förblir i rörelse om det inte påverkas av en yttre kraft. För en boll som rullar över golvet, den yttre kraften kan vara friktionen mellan bollen och golvet, eller så kan det vara barnet som sparkar bollen åt ett annat håll.
Den andra lagen upprättar en koppling mellan ett objekts massa ( m ) och dess acceleration ( a ), i form av ekvationen F =m × a . F representerar kraft, mätt i Newton. Det är också en vektor, vilket betyder att den har en riktningskomponent. På grund av sin acceleration, att bollen rullar över golvet har en speciell vektor , en riktning i vilken den färdas, och det redovisas i beräkningen av dess kraft.
Den tredje lagen är ganska spetsig och bör vara bekant för dig:För varje handling finns en lika och motsatt reaktion. Det är, för varje kraft som appliceras på ett föremål eller en yta, att föremålet skjuts tillbaka med samma kraft.
Termodynamikens lagar i aktion © 2018 HowStuffWorks Den brittiska fysikern och romanförfattaren C.P. Snow sa en gång att en icke -vetenskapsman som inte kände termodynamikens andra lag var som en forskare som aldrig hade läst Shakespeare [källa:Lambert]. Snows nu berömda uttalande var avsett att betona både vikten av termodynamik och nödvändigheten för icke-vetenskapsmän att lära sig om det.
Termodynamik är studiet av hur energi fungerar i ett system, oavsett om det är en motor eller jordens kärna. Det kan reduceras till flera grundlagar, som Snow summerade på ett smart sätt enligt följande [källa:Physics Planet]:
Låt oss packa upp dessa lite. Genom att säga att du inte kan vinna, Snö innebar att eftersom materia och energi bevaras, du kan inte få en utan att ge upp några av de andra (dvs. E =mc²). Det betyder också att för att en motor ska producera arbete, du måste tillföra värme, även om det finns något annat än ett helt slutet system, en del värme går oundvikligen förlorad för omvärlden, som sedan leder till den andra lagen.
Det andra påståendet-du kan inte bryta jämnt-betyder att på grund av ständigt ökande entropi, du kan inte återgå till samma energiläge. Energi koncentrerad på ett ställe kommer alltid att flöda till platser med lägre koncentration.
Till sist, den tredje lagen - du kan inte avsluta spelet - hänvisar till absolut noll, lägsta möjliga teoretiska temperatur, mätt vid noll Kelvin eller (minus 273,15 grader Celsius och minus 459,67 grader Fahrenheit). När ett system når absolut noll, molekyler stoppar all rörelse, betyder att det inte finns någon rörelseenergi, och entropin når sitt lägsta möjliga värde. Men i den verkliga världen, även i rymden, att nå absolut noll är omöjligt - du kan bara komma väldigt nära det.
Uppdriften håller allt från gummiankor till havsfartyg flytande. © 2018 HowStuffWorks Efter att han upptäckte sin flytkraftsprincip, skrek den antika grekiske forskaren Archimedes påstås "Eureka!" och sprang naken genom staden Syracuse. Upptäckten var så viktig. Historien säger att Archimedes gjorde sitt stora genombrott när han märkte att vattnet steg när han kom in i badkaret [källa:Quake].
Enligt Archimedes uppdriftsprincip , kraften som verkar på, eller flytande, ett nedsänkt eller delvis nedsänkt föremål är lika med vikten av vätskan som föremålet förskjuter. Denna typ av princip har ett enormt användningsområde och är avgörande för beräkningar av densitet, samt att designa ubåtar och andra fartyg i havet.
Ett hypotetiskt (och förenklat) exempel på hur naturligt urval kan spela ut bland grodor. © 2018 HowStuffWorks Nu när vi har fastställt några av de grundläggande begreppen om hur vårt universum började och hur fysiken spelar ut i våra dagliga liv, låt oss rikta vår uppmärksamhet mot den mänskliga formen och hur vi fick vara som vi är. Enligt de flesta forskare, allt liv på jorden har en gemensam förfader. Men för att skapa en enorm skillnad mellan alla levande organismer, vissa måste utvecklas till olika arter.
I grundläggande mening, denna differentiering inträffade genom evolutionen, genom nedstigning med modifiering [källa:UCMP]. Befolkningar av organismer utvecklade olika egenskaper, genom mekanismer som mutation. De med egenskaper som var mer fördelaktiga för överlevnad, t.ex. en groda vars bruna färg gör att den kan kamoufleras i ett träsk, valdes naturligt för överlevnad; därav termen naturligt urval .
Det är möjligt att utvidga båda dessa teorier längre, men detta är det grundläggande, och banbrytande, upptäckt som Darwin gjorde på 1800 -talet:att evolution genom naturligt urval står för den enorma mångfalden av liv på jorden.
Einsteins allmänna relativitetsteori förändrade vår förståelse av universum. © 2018 HowStuffWorks Albert Einsteins allmän relativitetsteori förblir en viktig och viktig upptäckt eftersom den permanent förändrade hur vi ser på universum. Einsteins stora genombrott var att säga att rum och tid inte är absoluta och att tyngdkraften inte bara är en kraft som appliceras på ett föremål eller en massa. Snarare, tyngdkraften som är förknippad med någon massa böjer själva rummet och tiden (ofta kallad rymdtid) runt den.
För att förstå detta, tänk dig att du reser över jorden i en rak linje, på väg österut, börjar någonstans på norra halvklotet. Efter ett tag, om någon skulle hitta din position på en karta, du skulle faktiskt vara både öster och långt söder om din ursprungliga position. Det beror på att jorden är krökt. Att resa direkt österut, du måste ta hänsyn till jordens form och vinkla dig något norrut. (Tänk på skillnaden mellan en platt papperskarta och en sfärisk jordglob.)
Utrymmet är i stort sett detsamma. Till exempel, till passagerarna i pendelbanan som kretsar kring jorden, det kan se ut som om de reser på en rak linje genom rymden. I verkligheten, rymdtiden runt dem böjs av jordens gravitation (som det skulle vara med alla stora föremål med enorm tyngdkraft, till exempel en planet eller ett svart hål), vilket gör att de både går framåt och ser ut att kretsa runt jorden.
Einsteins teori hade enorma konsekvenser för framtiden för astrofysik och kosmologi. Det förklarade en mindreårig, oväntad avvikelse i Merkurius bana, visade hur stjärnljuset böjer sig och lade den teoretiska grunden för svarta hål.
Är det en partikel, en våg eller båda? © 2018 HowStuffWorks Einsteins bredare relativitetsteori berättade mer om hur universum fungerar och hjälpte till att lägga grunden för kvantfysik, men det introducerade också mer förvirring i teoretisk vetenskap. År 1927, denna känsla av att universums lagar var, i vissa sammanhang, flexibel, ledde till en banbrytande upptäckt av den tyska forskaren Werner Heisenberg.
I postulera hans Osäkerhetsprincip , Heisenberg insåg att det var omöjligt att samtidigt veta, med hög precision, två egenskaper hos en partikel. Med andra ord, du kan känna positionen för en elektron med en hög grad av säkerhet, men inte dess fart och vice versa.
Niels Bohr gjorde senare en upptäckt som hjälper till att förklara Heisenbergs princip. Bohr fann att en elektron har egenskaperna hos både en partikel och en våg, ett koncept som kallas våg-partikel dualitet , som har blivit en hörnsten i kvantfysiken. Så när vi mäter en elektronposition, vi behandlar den som en partikel vid en specifik punkt i rymden, med en osäker våglängd. När vi mäter dess fart, vi behandlar det som en våg, vilket betyder att vi kan känna amplituden för dess våglängd men inte dess plats.
Fortsätt läsa för mer vetenskapliga saker du kanske gillar.
Ursprungligen publicerat:19 jan. 2011
