science >> Wetenschap >  >> anders

10 wetenschappelijke wetten en theorieën die u echt zou moeten kennen

Of we nu een spaceshuttle lanceren of een andere aardachtige planeet proberen te ontdekken, we vertrouwen op wetenschappelijke wetten en theorieën om ons te leiden. © 2018 HowStuffWorks

Wetenschappers hebben veel hulpmiddelen tot hun beschikking wanneer ze proberen te beschrijven hoe de natuur en het universum in het algemeen werken. Vaak grijpen ze eerst naar wetten en theorieën. Wat is het verschil? EEN wetenschappelijke wet kan vaak worden teruggebracht tot een wiskundige uitspraak, zoals E =mc²; het is een specifieke verklaring gebaseerd op empirische gegevens, en de waarheid ervan is over het algemeen beperkt tot een bepaalde reeks voorwaarden. Bijvoorbeeld, in het geval van E =mc², c verwijst naar de lichtsnelheid in een vacuüm.

EEN wetenschappelijke theorie probeert vaak een verzameling bewijzen of observaties van bepaalde verschijnselen te synthetiseren. Het is over het algemeen — hoewel lang niet altijd — een grootser, toetsbare uitspraak over hoe de natuur werkt. Je kunt een wetenschappelijke theorie niet noodzakelijkerwijs reduceren tot een kernachtige uitspraak of vergelijking, maar het vertegenwoordigt wel iets fundamenteels over hoe de natuur werkt.

Zowel wetten als theorieën zijn afhankelijk van basiselementen van de wetenschappelijke methode, zoals het genereren van een hypothese, dat uitgangspunt testen, empirisch bewijs vinden (of niet vinden) en conclusies trekken. Eventueel, andere wetenschappers moeten de resultaten kunnen repliceren als het experiment voorbestemd is om de basis te worden voor een algemeen aanvaarde wet of theorie.

In dit artikel, we zullen kijken naar 10 wetenschappelijke wetten en theorieën die je misschien wilt opfrissen, ook al vind je jezelf niet, zeggen, het zo vaak bedienen van een scanning elektronenmicroscoop. We beginnen met een knal en gaan verder met de basiswetten van het universum, voordat je op evolutie aankomt. Eindelijk, we zullen wat koppig materiaal aanpakken, zich verdiepen in het rijk van de kwantumfysica.

Inhoud
  1. Oerknaltheorie
  2. Hubble's wet van kosmische expansie
  3. Keplers wetten van planetaire beweging
  4. Universele wet van de zwaartekracht
  5. De bewegingswetten van Newton
  6. Wetten van de thermodynamica
  7. Het drijfvermogenprincipe van Archimedes
  8. Evolutie en natuurlijke selectie
  9. Algemene relativiteitstheorie
  10. Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg

10:Oerknaltheorie

De oerknaltheorie © 2018 HowStuffWorks

Als je één wetenschappelijke theorie wilt leren kennen, maak het degene die verklaart hoe het universum in zijn huidige staat is gekomen. Op basis van onderzoek uitgevoerd door Edwin Hubble, Georges Lemaitre en Albert Einstein, onder andere, de oerknaltheorie stelt dat het universum bijna 14 miljard jaar geleden begon met een enorme expansie. Destijds, het universum was beperkt tot een enkel punt, die alle materie van het universum omvat. Die oorspronkelijke beweging gaat vandaag door, terwijl het heelal naar buiten blijft uitdijen.

De theorie van de oerknal kreeg brede steun in de wetenschappelijke gemeenschap nadat Arno Penzias en Robert Wilson dit ontdekten kosmische microgolf achtergrondstraling in 1965. Met behulp van radiotelescopen, de twee astronomen ontdekten kosmisch geluid, of statisch, dat is in de loop van de tijd niet verdwenen. In samenwerking met Princeton-onderzoeker Robert Dicke, het paar bevestigde Dicke's hypothese dat de oorspronkelijke oerknal een laag stralingsniveau achterliet dat in het hele universum detecteerbaar is.

9:Hubble's wet van kosmische expansie

Hubble en zijn beroemde wet hielpen bij het kwantificeren van de beweging van de sterrenstelsels van het universum. © 2018 HowStuffWorks

Laten we even bij Edwin Hubble blijven. Terwijl de jaren twintig voorbij raasden en de Grote Depressie hinkte, Hubble deed baanbrekend astronomisch onderzoek. Hubble bewees niet alleen dat er naast de Melkweg nog andere sterrenstelsels waren, hij ontdekte ook dat deze melkwegstelsels uit de onze wegsnelden, een beweging die hij riep recessie .

Om de snelheid van deze galactische beweging te kwantificeren, Hubble voorgesteld Hubble's wet van kosmische expansie , oftewel de wet van Hubble, een vergelijking die stelt: snelheid =H × afstand . Snelheid vertegenwoordigt de recessiesnelheid van de melkweg; H is de Hubble-constante, of parameter die de snelheid aangeeft waarmee het heelal uitdijt; en afstand is de afstand van het sterrenstelsel tot het sterrenstelsel waarmee het wordt vergeleken.

Hubble's constante is in de loop van de tijd op verschillende waarden berekend, maar de huidige geaccepteerde waarde is 70 kilometer/seconde per megaparsec, de laatste is een eenheid van afstand in de intergalactische ruimte [bron:White]. Voor onze doeleinden, dat is niet zo belangrijk. Het belangrijkste is dat de wet van Hubble een beknopte methode biedt voor het meten van de snelheid van een melkwegstelsel in relatie tot de onze. En misschien wel het belangrijkste, de wet stelde vast dat het heelal uit vele sterrenstelsels bestaat, wiens bewegingen terugvoeren naar de oerknal.

8:Keplers wetten van planetaire beweging

Kepler's wet van gebieden © 2018 HowStuffWorks

Eeuwenlang, wetenschappers streden met elkaar en met religieuze leiders over de banen van de planeten, vooral over of ze om onze zon draaiden. In de 16e eeuw, Copernicus bracht zijn controversiële concept van een heliocentrisch zonnestelsel naar voren, waarin de planeten om de zon draaiden - niet om de aarde. Maar het zou Johannes Kepler nodig hebben, voortbouwend op het werk van Tyco Brahe en anderen, om een ​​duidelijke wetenschappelijke basis te leggen voor de bewegingen van de planeten.

Kepler's drie wetten van planetaire beweging - gevormd in het begin van de 17e eeuw - beschrijven hoe planeten om de zon draaien. De eerste wet, soms de genoemd wet van banen , stelt dat planeten elliptisch om de zon draaien. De tweede wet, de wet van gebieden , stelt dat een lijn die een planeet met de zon verbindt, een gelijk gebied beslaat over gelijke tijdsperioden. Met andere woorden, als je het gebied meet dat is ontstaan ​​door een lijn van de aarde naar de zon te trekken en de beweging van de aarde gedurende 30 dagen te volgen, het gebied zal hetzelfde zijn, ongeacht waar de aarde zich in zijn baan bevindt wanneer de metingen beginnen.

De derde, de wet van perioden , stelt ons in staat om een ​​duidelijk verband vast te stellen tussen de omlooptijd van een planeet en de afstand tot de zon. Dankzij deze wet we weten dat een planeet die relatief dicht bij de zon staat, zoals Venus, heeft een veel kortere omlooptijd dan een verre planeet, zoals Neptunus.

7:Universele wet van de zwaartekracht

Dankzij de universele wet van Newton, we kunnen de zwaartekracht tussen twee objecten berekenen. © 2018 HowStuffWorks

We kunnen het nu als vanzelfsprekend beschouwen, maar meer dan 300 jaar geleden kwam Sir Isaac Newton met een revolutionair idee:dat elke twee objecten, ongeacht hun massa, zwaartekracht op elkaar uitoefenen. Deze wet wordt weergegeven door een vergelijking die veel middelbare scholieren tegenkomen in de natuurkundeles. Het gaat als volgt:

F =G × [(m 1 m 2 )/R 2 ]

F is de zwaartekracht tussen de twee objecten, gemeten in Newton. m 1 en m 2 zijn de massa's van de twee objecten, terwijl R is de afstand tussen hen. G is de zwaartekrachtconstante, een getal dat momenteel wordt berekend als 6.672 × 10 -11 Nm 2 kg -2 [bron:Weisstein].

Het voordeel van de universele wet van de zwaartekracht is dat het ons in staat stelt de zwaartekracht tussen twee willekeurige objecten te berekenen. Dit vermogen is vooral handig wanneer wetenschappers, zeggen, plannen om een ​​satelliet in een baan om de aarde te brengen of de koers van de maan in kaart te brengen.

6:Bewegingswetten van Newton

De tweede bewegingswet van Newton © 2018 HowStuffWorks

Zolang we het hebben over een van de grootste wetenschappers die ooit heeft geleefd, laten we verder gaan met de andere beroemde wetten van Newton. Zijn drie bewegingswetten vormen een essentieel onderdeel van de moderne natuurkunde. En zoals veel wetenschappelijke wetten, ze zijn nogal elegant in hun eenvoud.

De eerste van de drie wetten stelt dat een bewegend object in beweging blijft tenzij er een kracht van buitenaf op inwerkt. Voor een bal die over de vloer rolt, die externe kracht zou de wrijving tussen de bal en de vloer kunnen zijn, of het kan de peuter zijn die de bal in een andere richting trapt.

De tweede wet legt een verband tussen de massa van een object ( m ) en zijn versnelling ( een ), in de vorm van de vergelijking F =m × een . F vertegenwoordigt kracht, gemeten in Newton. Het is ook een vector, wat betekent dat het een directionele component heeft. Door zijn versnelling die bal die over de vloer rolt heeft een bijzondere vector , een richting waarin het reist, en het wordt meegerekend bij het berekenen van zijn kracht.

De derde wet is nogal pittig en zou je bekend moeten zijn:voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie. Dat is, voor elke kracht die op een voorwerp of oppervlak wordt uitgeoefend, dat object duwt terug met dezelfde kracht.

5:Wetten van de thermodynamica

De wetten van de thermodynamica in actie © 2018 HowStuffWorks

De Britse natuurkundige en romanschrijver C.P. Snow zei ooit dat een niet-wetenschapper die de tweede wet van de thermodynamica niet kende, een wetenschapper was die nog nooit Shakespeare had gelezen [bron:Lambert]. De inmiddels beroemde uitspraak van Snow was bedoeld om zowel het belang van thermodynamica te benadrukken als de noodzaak voor niet-wetenschappers om erover te leren.

Thermodynamica is de studie van hoe energie werkt in een systeem, of het nu een motor is of de kern van de aarde. Het kan worden teruggebracht tot verschillende basiswetten, die Snow slim als volgt samenvatte [bron:Physics Planet]:

  • Je kunt niet winnen.
  • Je kunt niet break-even.
  • Je kunt het spel niet verlaten.

Laten we deze een beetje uitpakken. Door te zeggen dat je niet kunt winnen, Sneeuw betekende dat, aangezien materie en energie behouden blijven, je kunt het ene niet krijgen zonder een deel van het andere op te geven (d.w.z. E=mc²). Het betekent ook dat als een motor werk wil produceren, je moet warmte leveren, hoewel in iets anders dan een perfect gesloten systeem, er gaat onvermijdelijk wat warmte verloren aan de buitenwereld, wat vervolgens leidt tot de tweede wet.

De tweede verklaring - je kunt niet break-even - betekent dat als gevolg van de steeds toenemende entropie, je kunt niet terugkeren naar dezelfde energietoestand. Energie die op één plaats is geconcentreerd, zal altijd naar plaatsen met een lagere concentratie stromen.

Eindelijk, de derde wet - je kunt het spel niet verlaten - verwijst naar het absolute nulpunt, de laagst mogelijke theoretische temperatuur, gemeten bij nul Kelvin of (min 273,15 graden Celsius en min 459,67 graden Fahrenheit). Wanneer een systeem het absolute nulpunt bereikt, moleculen stoppen alle beweging, wat betekent dat er geen kinetische energie is, en entropie bereikt zijn laagst mogelijke waarde. Maar in de echte wereld, zelfs in de uithoeken van de ruimte, absoluut nul bereiken is onmogelijk - je kunt er alleen heel dichtbij komen.

4:Het drijfvermogenprincipe van Archimedes

Het drijfvermogen houdt alles, van badeendjes tot oceaanstomers, drijvend. © 2018 HowStuffWorks

Nadat hij zijn principe van drijfvermogen had ontdekt, de oude Griekse geleerde Archimedes riep naar verluidt "Eureka!" en liep naakt door de stad Syracuse. De ontdekking was zo belangrijk. Het verhaal gaat dat Archimedes zijn grote doorbraak maakte toen hij het water zag stijgen toen hij in het bad stapte [bron:Quake].

Volgens Het drijfvermogenprincipe van Archimedes , de kracht die inwerkt, of boeien, een ondergedompeld of gedeeltelijk ondergedompeld object is gelijk aan het gewicht van de vloeistof die het object verplaatst. Dit soort principe heeft een enorm scala aan toepassingen en is essentieel voor berekeningen van dichtheid, evenals het ontwerpen van onderzeeërs en andere zeeschepen.

3:Evolutie en natuurlijke selectie

Een hypothetisch (en vereenvoudigd) voorbeeld van hoe natuurlijke selectie onder kikkers zou kunnen uitpakken. © 2018 HowStuffWorks

Nu we enkele fundamentele concepten hebben vastgesteld over hoe ons universum begon en hoe de natuurkunde zich afspeelt in ons dagelijks leven, laten we onze aandacht richten op de menselijke vorm en hoe we zijn geworden zoals we zijn. Volgens de meeste wetenschappers al het leven op aarde heeft een gemeenschappelijke voorouder. Maar om de enorme hoeveelheid verschil tussen alle levende organismen te produceren, sommige moesten evolueren tot verschillende soorten.

In fundamentele zin, deze differentiatie vond plaats door evolutie, door afdaling met wijziging [bron:UCMP]. Populaties van organismen ontwikkelden verschillende eigenschappen, via mechanismen zoals mutatie. Degenen met eigenschappen die gunstiger waren om te overleven, zoals, een kikker wiens bruine kleur het mogelijk maakt om te worden gecamoufleerd in een moeras, werden van nature geselecteerd om te overleven; vandaar de term natuurlijke selectie .

Het is mogelijk om deze beide theorieën uitgebreider uit te werken, maar dit is de basis, en baanbrekend, ontdekking die Darwin deed in de 19e eeuw:dat evolutie door natuurlijke selectie verantwoordelijk is voor de enorme diversiteit van het leven op aarde.

2:Algemene relativiteitstheorie

Einsteins algemene relativiteitstheorie veranderde ons begrip van het universum. © 2018 HowStuffWorks

Albert Einstein's algemene relativiteitstheorie blijft een belangrijke en essentiële ontdekking omdat het permanent veranderde hoe we naar het universum kijken. De belangrijkste doorbraak van Einstein was om te zeggen dat ruimte en tijd geen absolute waarden zijn en dat zwaartekracht niet simpelweg een kracht is die op een object of massa wordt uitgeoefend. Liever, de zwaartekracht die bij elke massa hoort, buigt de ruimte en tijd (vaak ruimte-tijd genoemd) eromheen.

Om dit te conceptualiseren, stel je voor dat je in een rechte lijn over de aarde reist, richting het oosten, ergens op het noordelijk halfrond beginnen. Na verloop van tijd, als iemand uw positie op een kaart zou bepalen, je zou eigenlijk zowel ten oosten als ver ten zuiden van je oorspronkelijke positie zijn. Dat komt omdat de aarde gekromd is. Om direct naar het oosten te reizen, je moet rekening houden met de vorm van de aarde en jezelf iets naar het noorden richten. (Denk aan het verschil tussen een platte papieren kaart en een bolvormige wereldbol.)

De ruimte is ongeveer hetzelfde. Bijvoorbeeld, aan de inzittenden van de shuttle die in een baan om de aarde draait, het kan lijken alsof ze in een rechte lijn door de ruimte reizen. In werkelijkheid, de ruimte-tijd om hen heen wordt gekromd door de zwaartekracht van de aarde (zoals het zou zijn met elk groot object met enorme zwaartekracht zoals een planeet of een zwart gat), waardoor ze allebei vooruit gaan en in een baan om de aarde lijken te draaien.

Einsteins theorie had enorme implicaties voor de toekomst van astrofysica en kosmologie. Het verklaarde een minderjarige, onverwachte anomalie in de baan van Mercurius, liet zien hoe sterrenlicht buigt en legde de theoretische basis voor zwarte gaten.

1:Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg

Is het een deeltje, een golf of beide? © 2018 HowStuffWorks

Einsteins bredere relativiteitstheorie vertelde ons meer over hoe het universum werkt en hielp de basis te leggen voor de kwantumfysica, maar het bracht ook meer verwarring in de theoretische wetenschap. in 1927, dit gevoel dat de wetten van het universum waren, in sommige contexten, flexibel, leidde tot een baanbrekende ontdekking door de Duitse wetenschapper Werner Heisenberg.

Bij het postuleren van zijn Onzekerheidsprincipe , Heisenberg realiseerde zich dat het onmogelijk was om tegelijkertijd te weten, met een hoge mate van precisie, twee eigenschappen van een deeltje. Met andere woorden, je kunt de positie van een elektron met een hoge mate van zekerheid kennen, maar niet het momentum en vice versa.

Niels Bohr deed later een ontdekking die het principe van Heisenberg helpt verklaren. Bohr ontdekte dat een elektron de eigenschappen heeft van zowel een deeltje als een golf, een concept dat bekend staat als dualiteit golf-deeltjes , die een hoeksteen van de kwantumfysica is geworden. Dus als we de positie van een elektron meten, we behandelen het als een deeltje op een specifiek punt in de ruimte, met een onzekere golflengte. Als we het momentum meten, we behandelen het als een golf, wat betekent dat we de amplitude van de golflengte kunnen kennen, maar niet de locatie.

Blijf lezen voor meer wetenschappelijke dingen die je misschien leuk vindt.

Oorspronkelijk gepubliceerd:19 januari, 2011

Veelgestelde vragen over wetenschappelijke theorie

Wat is wetenschappelijke theorie?
Een wetenschappelijke theorie is een verklaring van de natuurlijke wereld die herhaaldelijk kan worden getest en geverifieerd met behulp van de wetenschappelijke methode en observatie. Wetenschappelijke theorieën zijn geen gissingen, maar zijn eerder een betrouwbaar verslag van hoe een bepaald natuurverschijnsel werkt.
Wat is een voorbeeld van wetenschappelijke theorie?
Een van de meest populaire wetenschappelijke theorieën is de speciale relativiteitstheorie van Einstein, wat de relatie tussen ruimte en tijd verklaart voor objecten die met een constante snelheid in een rechte lijn bewegen. De theorie onderzoekt ook een concept dat bekend staat als tijddilatatie.
Is een wetenschappelijke wet nauwkeuriger dan een wetenschappelijke theorie?
Een wetenschappelijke theorie is een verifieerbare verklaring van een natuurlijk fenomeen. Bijvoorbeeld, de theorie van de zwaartekracht verklaart waarom een ​​appel altijd op de grond valt als hij valt. Een wet, anderzijds, is een observatie. In eenvoudiger bewoordingen, een wet voorspelt wat er gebeurt en een theorie legt uit waarom.
Wat zijn de vijf wetenschappelijke wetten?
De vijf meest populaire wetenschappelijke wetten zijn Hooke's wet van elasticiteit, Het principe van het drijfvermogen van Archimedes, Dalton's wet van gedeeltelijke druk, De wet van vloeistofdynamica van Bernoulli en de wet van warmtegeleiding van Fourier.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Zwaartekrachtgolven! Of de piepjes die bewijzen dat Einstein gelijk had
  • Hoe de bewegingswetten van Newton werken
  • 10 wetenschappelijke woorden die u waarschijnlijk verkeerd gebruikt
  • Hoe de wetenschappelijke methode werkt

bronnen

  • Vraag het een astronoom. "De relativiteitstheorie." Cornell University Astronomy Dept. 21 maart 2008. (5 januari, 2011) http://curious.astro.cornell.edu/relativity.php
  • opschepperig, Melvyn. "De tweede wet van de thermodynamica." BBC. 16 december 2004. (5 januari, 2011) http://www.bbc.co.uk/programmes/p004y2bm
  • Glenn onderzoekscentrum. "Eerste wet van de thermodynamica." Nasa. 11 juli 2008. (5 januari, 2011) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo1.html
  • Lambertus, Frank L. "Shakespeare en thermodynamica:Dam de tweede wet!" Occidental College. 2008. (5 januari, 2011) http://shakespeare2ndlaw.oxy.edu/
  • LaRocco, Chris en Blair Rothstein. "De oerknal." Universiteit van Michigan. (5 jan., 2011) http://www.umich.edu/~gs265/bigbang.htm
  • Licht man, Alan. "Relativiteit en de kosmos." PBS Nova. Juni 2005. (5 januari, 2011) http://www.pbs.org/wgbh/nova/einstein/relativity/
  • Matson, Ronald H. "Wetenschappelijke wetten en theorieën." Kennesaw State University. (5 jan., 2011) http://science.kennesaw.edu/~rmatson/3380theory.html
  • schip, C.R. "De wet van Hubble en het uitdijende heelal." Staatsuniversiteit van Georgië. (5 jan., 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/hubble.html
  • schip, CR "Wetten van Kepler." Staatsuniversiteit van Georgië. (5 jan., 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kepler.html
  • schip, C.R. "Het onzekerheidsprincipe." Staatsuniversiteit van Georgië. (5 jan., 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/uncer.html
  • PBS. "Big bang-theorie wordt geïntroduceerd." 1998. (5 januari, 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27bi.html
  • PBS. "Heisenberg stelt het onzekerheidsprincipe." 1998. (5 januari, 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27un.html
  • PBS. "Penzias en Wilson ontdekken kosmische microgolfstraling." 1998. (5 januari, 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp65co.html
  • Pidwirny, Michaël. "Wetten van de thermodynamica." Fysische geografie. 6 april 2010. (5 jan., 2011) http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6e.html
  • aardbeving, Stefanus. "Praktisch zuiver." De New York Times. 8 november 2009. (5 januari, 2011) http://www.nytimes.com/2009/02/18/opinion/18iht-edquake.1.20274600.html
  • Streng, David P. "Kepler's drie wetten van planetaire beweging." Phy6.org. 21 maart, 2005. (5 januari, 2011) http://www.phy6.org/stargaze/Kep3laws.htm
  • Streng, David P. "Newton's theorie van 'universele zwaartekracht'." Nasa. 24 maart 2006. (5 januari, 2011) http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sgravity.htm
  • Museum voor paleontologie van de Universiteit van Californië (UCMP). "Evolutie begrijpen:een inleiding tot evolutie." (5 jan., 2011) http://evolution.berkeley.edu/evolubrary/article/0_0_0/evo_02
  • Museum voor paleontologie van de Universiteit van Californië (UCMP). "Evolutie begrijpen:natuurlijke selectie." (5 jan., 2011) http://evolution.berkeley.edu/evolubrary/article/evo_25
  • Universiteit van Tennessee, Knoxville, Afdeling Natuur- en Sterrenkunde. "De drie bewegingswetten van Newton." (5 jan., 2011) http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newton3laws.html
  • Universiteit van Tennessee, Knoxville, Afdeling Natuur- en Sterrenkunde. "Sir Isaac Newton:de universele wet van de zwaartekracht." (5 jan., 2011) http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newtongrav.html
  • Weisstein, Eric W. "Gravitatieconstante." Wolfram-onderzoek. (5 jan., 2011) http://scienceworld.wolfram.com/physics/GravitationalConstant.html
  • Weisstein, Eric W. "Wetten van Kepler." Wolfram-onderzoek. (5 jan., 2011) http://scienceworld.wolfram.com/physics/KeplersLaws.html
  • Wit, Martin. "De Hubble-uitbreiding." Universiteit van Californië, Berkeley. (5 jan., 2011) http://astro.berkeley.edu/~mwhite/darkmatter/hubble.html