10 قانون و نظریه علمی که احتمالا نمی‌دانید

آیا می‌خواهید یک شاتل به فضا پرتاب کنید؟ شاید به دنبال یک سیاره دیگر مانند زمین می‌گردید. برای هر کاری ما به راهنما نیاز داریم. باید به قوانین و نظریه‌های علمی به عنوان راهنما در این مسیر اعتماد ‌کنیم.

طبیعت و جهان چطور کار می‌کنند؟ دانشمندان برای توصیف آن ابزارهای زیادی دارند. آن‌ها ابتدا به دنبال قوانین و نظریه‌ها می‌روند.

یک قانون علمی می‌تواند به شکل ریاضی نوشته شود. مانند قانون E = mc². این قانون نتیجه مطالعات انیشتین است. اما تنها در شرایط خاص کاربرد دارد.

در این فرمول، حرف سی به معنی سرعت نور در خلا است. آیا خلا در طبیعت ممکن است؟ خیر.

اما باید بدانید خلا یعنی فضایی که در آن هیچ ماده‌ای وجود ندارد.

یک نظریه علمی معمولا به دنبال بررسی مجموعه‌ای از مواردی است که می‌بینیم. شما تا به حال یک اتفاق خاص را دیده‌اید؟ دانشمندان دلایل این اتفاقات را جست و جو می‌کنند.

ما نمی‌توانیم یک نظریه علمی را فقط به یک معادله محدود کنیم. آن‌ها پایه‌های کارکرد طبیعت را برای ما می‌گویند.

قانون و نظریه‌های علمی با روش علمی ساخته می‌شوند. ابتدا دانشمندان یک فرضیه ایجاد می‌کنند. سپس این فرضیه را آزمایش می‌کنند. در آزمایش فرضیه دانشمندان به دنبال شواهد و مدارک می‌گردند.

فرضیه یک توضیح پیشنهادی برای یک پدیده یا اتفاق است.

آیا می‌خواهیم این فرضیه را پایه‌ای برای یک قانون و نظریه قرار دهیم؟ برای این کار دانشمندان دیگر هم باید بتوانند فرضیه ما را آزمایش کنند. بعد از آزمایش فرضیه باید به همان نتایج برسند.

در ادامه‌ی این مطلب: ما در روکیدا 10 قانون و نظریه علمی را برای شما بررسی می‌کنیم. دانستن این قوانین و نظریه‌ها برای همه مفید است.

ابتدا از یک انفجار شروع می‌کنیم و به سمت قوانین پایه‌ای دنیا می‌رویم. آیا روند تکامل را می‌شناسید؟ در انتهای این مقاله برای شما بخشی از فیزیک کوانتوم را توضیح داده‌ایم.

تا به حال فیزیک را انقدر جذاب خوانده بودید؟

10. تئوری بیگ بنگ

این نظریه به شما می‌گوید که جهان چطور شکل گرفته است. ادوین هابل، ژِرژ لمیتر و آلبرت انیشتن به همراه دانشمندان دیگر تحقیقات زیادی برای این نظریه انجام داده‌اند.

این نظریه می‌گوید: جهان 14 میلیارد سال پیش با یک انفجار بزرگ آغاز شده است. تا قبل از این انفجار جهان در یک نقطه قرار داشته است.

این نقطه تمام مواد تشکیل دهنده جهان را در خود جای داده بود. باید بدانید که حرکت اصلی هنوز ادامه دارد. امروز جهان در حال گسترش و بزرگ شدن است.

آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون در سال 1965 نوعی از امواج کهکشانی را کشف کردند. جامعه علمی بعد از کشف این امواج از نظریه انفجار بزرگ حمایت کردند.

این دو ستاره شناس از تلسکوپ‌های رادیویی برای کشف صدای کهکشان استفاده کردند. این صدا با گذشت زمان از بین نمی‌رفت.

این زوج دانشمند با یک محقق در دانشگاه پریستون همکاری کردند. آن محقق رابرت دیکه نام داشت.

دیکه در فرضیه خود گفت: انفجار بزرگ یک تابش از خود به جا گذاشته است. این تابش در تمام کیهان قابل شناسایی است.

فرضیه او با کشف صدای کهکشان تایید شد.

9. قانون انبساط کیهانی هابل

هابل و قانون معروف او به ما کمک کرد که مقدار حرکت‌های کهکشانی را پیدا کنیم.

بیایید لحظاتی با ادوین هابل همراه شویم. در سال 1920 جهان با رکود بزرگ درگیر بود. او در رکود بزرگ تحقیقات چشم‌گیری در نجوم انجام داد.

هابل ثابت کرد که کهکشان‌هایی به غیر از راه شیری وجود دارد. او کشف کرد که این کهکشان‌ها از کهکشان ما دور می‌شوند.

هابل این حرکت را پس رفت نامید.

برای پیدا کردن سرعت این حرکت کهکشانی، هابل قانون انبساط کیهانی را پیشنهاد کرد. نام دیگر این قانون، قانون هابل است.

معدله هابل: سرعت = H × فاصله

سرعت در این معادله سرعت پس رفت کهکشان را نشان می‌دهد. H ثابت هابل است که سرعت گسترش جهان را نشان می‌دهد. فاصله در این معادله فاصله کهکشان از محلی است که با آن مقایسه می‌شود.

ثابت هابل در گذر زمان مقدار‌های متفاوتی داشته است. امروزه ما عدد 70 را در این معادله قرار می‌دهیم. واحد این عدد ثانیه در مگاپارسک است.

باید بدانید که پارسک واحد فاصله در فضای بین کهکشانی است.

قانون هابل به ما امکان اندازه گیری سرعت کهکشان به نسبت کهکشان دیگر را داد. مهم‌تر این‌ که قانون هابل نشان داد جهان از کهکشان‌های زیادی تشکیل شده است و حرکت آن‌ها به دلیل انفجار بزرگ است.

8. قوانین حرکت سیاره‌ای کپلر

تا به امروز دانشمندان با خود و رهبران مذهبی در مورد سیارات جنگیده‌اند. بزرگ‌ترین اختلاف آن‌ها این بود که آیا سیارات به دور خورشید ما می‌چرخند؟

در قرن شانزدهم کوپرنیک نظریه خود را در مورد منظومه شمسی ارائه داد. در این نظریه سیارات به دور خورشید می‌چرخند و به دور زمین نمی‌چرخند.

یوهانس کپلر در ادامه کار دیگر دانشمندان به نظریه چرخش سیارات رسید و آن را شرح داد.

سه قانون حرکت سیاره‌ای کپلر در اوایل قرن هفدهم شکل گرفت. این قوانین گردش سیارات به دور خورشید را توصیف می‌کنند.

قانون اول کپلر قانون مدار نامیده می‌شود. این قانون می‌گوید که سیاره‌ها به شکل بیضی به دور خورشید می‌چرخند.

قانون دوم قانون منطق نام دارد. اگر با یک خط یک سیاره را به خورشید وصل کنیم. در زمان‌های برابر مساحت برابری را طی می‌کند. یعنی زمانی که سیاره به خورشید نزدیک‌تر است با سرعت بیش‌تری حرکت می‌کند.

قانون سوم قانون دوره‌ها نام دارد. این قانون یک رابطه مشخص بین دوره گردش سیاره و فاصله آن سیاره از خورشید برقرار می‌کند.

کاربرد قانون سوم: همانطور که می‌دانید فاصله سیاره‌ها از خورشید برابر نیست. اگر یک سیاره به خورشید نزدیک تر باشد مدار کوتاه‌تری دارد. یعنی در مدت زمان کمتری به دور خورشید می‌چرخد.

برای مثال: سیاره زهره نزدیک‌تر از سیاره نپتون به خورشید است. سیاره زهره در مدت زمان کوتاه‌تری به دور خورشید می‌چرخد.

7. قانون جهانی جاذبه

این قانون برای ما بسیار عادی است. اما کمی بیش‌تر از 300 سال پیش جاذبه یک ایده انقلابی بود. آیزاک نیوتون این ایده را بیان کرد.

بین هر دو جسم نیروی جاذبه وجود دارد. این نیروی جاذبه ارتباطی با جرم دو جسم ندارد.

معادله این قانون را در دبیرستان و کلاس فیزیک دیده‌اید.

معادله جاذبه: F = G × [(m₁m₂)/r²]

در این معادله اف نیروی جاذبه بین دو جسم است. این نیرو با واحد نیوتون اندازه گیری می‌شود.

m1  و m2 جرم دو جسم است. r فاصله بین آن دو جسم است.

عدد G ثابت گرانش است.

این قانون جهانی به ما اجازه می‌دهد که جاذبه هر دو جسم را محاسبه کنیم. اما این قانون در کجا استفاده می‌شود؟ برای مثال: زمانی که دانشمندان می‌‌خواهند ماهواره‌ای را در مدار قرار دهند یا مسیر گردش ماه را رسم کنند.

6. قوانین حرکتی نیوتون

نیوتون یکی از بزرگ‌ترین دانشمندان تاریخ است. ما می‌خواهیم در مورد او صحبت کنیم. با روکیدا همراه شوید تا به سراغ قوانین معروف او برویم.

قانون اول بیان می‌کند: یک جسم در حال حرکت به حرکت ادامه می‌دهد تا زمانی که یک نیروی خارجی روی آن اثر بگذارد. برای مثال: یک توپ را تصور کنید که روی زمین می‌چرخد و بعد از مدتی می‌ایستد.

این نیروی خارجی برای توپ می‌تواند اصطکاک بین توپ و زمین باشد. یا شاید یک کودک توپ را شوت کند.

قانون دوم بین جرم و شتاب ارتباط ایجاد می‌کند.

معادله این قانون:  F = m × a. F

نتیجه این معادله در واحد نیوتون اندازه گیری شده است. در این معادله m به معنی جرم و a به معنی شتاب است.

این نیرو را باید مثل یک نیزه تصور کنید. به این معنی‌ که یک جهت دارد.

توپی که روی زمین می‌چرخید را به یاد دارید؟ این توپ در جهت خاص می‌چرخد، این جهت به دلیل شتاب است.

این معادله نیروی چرخیدن آن را محاسبه می‌کند.

قانون سوم نیوتون کوتاه اما سنگین است. برای هر عمل واکنشی برابر و مخالف آن وجود دارد. یعنی اگر شما به یک جسم یا سطح نیرو وارد کنید، آن جسم در جهت مخالف، آن نیرو را وارد می‌کند.

باید بدانید که نیرو در هر دو طرف برابر است، یعنی کنش و واکنش به یک مقدار نیرو جا به جا می‌کنند.

5. قوانین ترمودینامیک

ما می‌خواهیم قوانین ترمودینامیک را در عمل به شما بگوییم.

اما چرا دانستن این قوانین مهم است. رمان نویس انگلیسی سی.پی اسنو گفت: یک فرد عادی که قانون دوم ترمودینامیک را نمی‌داند مانند دانشمندی است که هرگز کتاب‌های شکسپیر را نخوانده است.

این جمله معروف از اسنو اهمیت قوانین ترمودینامیک را نشان می‌دهد. حالا می‌خواهید با این قوانین آشنا شوید؟

ترمودینامیک کارکرد انرژی در سیستم را به ما نشان می‌دهد. این سیستم می‌تواند موتور ماشین یا هسته‌ی زمین باشد.

ما می‌توانیم قوانین ترمودینامیک را در چند قانون اساسی کوتاه کنیم. در ادامه ما نسخه اسنو از این قوانین را می‌خوانیم.

1. شما نمی‌توانید برنده شویم
2. شما نمی‌توانید روند را بشکنید
3. شما نمی‌توانید از بازی خارج شوید

در ادامه ما این موارد را باز می‌کنیم. منظور از قانون اول این است که: ماده و انرژی در یک روند غیر قابل شکست قرار دارند. یعنی برای بدست آوردن باید موردی را رها کنید.

قانون E = mc² را به یاد دارید؟ این قانون می‌گوید: برای حرکت دادن یک موتور باید گرما ایجاد کنید.

باید بدانید: تنها در یک سیستم بسته نسبت انرژی ورودی و خروجی برابر است. در روند عادی مقداری گرما به فضای بیرون از سیستم می‌رود. این گرمای بیرون رفته قانون دوم را تشکیل می‌دهد.

قانون دوم می‌گوید که شما نمی‌توانید بعد از تغییر حالت انرژی، به حالت قبلی باز گردید. بعد از سوختن بنزین، انرژی را نمی‌توانید به بنزین تبدیل کنید.

بخش مهم‌تر این قانون: تا به حال یک بادکنک را باد کرده‌اید؟ چرا هوای داخل بادکنک می‌خواهد خارج شود؟ شما هوا را در داخل بادکنک فشرده کرده‌اید. فشار هوا در داخل بادکنک بیش‌تر از خارج آن است.

انرژی همیشه به سمت فضایی با فشار (غلظت) کم‌تر می‌رود. شما در کجا راحت‌تر هستید؟ جایی که مجبور به نشستن باشید یا بتوانید دراز بکشید؟ انرژی هم دقیقا مثل شما عمل می‌کند.

حالا به سراغ قانون سوم می‌رویم. شما نمی‌توانید بازی را ترک کنید. منظور از ترک بازی رسیدن به دمای صفر مطلق است.

کم‌ترین دمایی که ممکن است به آن برسیم صفر کلوین نام دارد. منفی 273.15 درجه سانتی گراد یا منفی 459.67 درجه فارنهایت.

وقتی ما به صفر مطلق برسیم، مولکول‌ها حرکت خود را متوقف می‌کنند. در صفر مطلق انرژی جنبشی وجود ندارد.

اما در دنیای واقعی رسیدن به صفر مطلق غیر ممکن است. ما حتی در شکاف‌های فضایی به این دما نمی‌توانیم برسیم.

تا امروز تنها توانسته‌ایم که به این دما نزدیک شویم.

4. اصل شناوری ارشمیدس

حتما نام ارشمیدس را شنیده‌اید. او دانشمند یونان باستان است. پس از کشف اصل شناوری خود فریاد زد یورکا! او برهنه در میان شهر سیراکوز دوید.

کشف او بسیار مهم بود. اما او چطور به این کشف دست پیدا کرد؟ ارشمیدس به بالا آمد آب در وان نگاه کرد. حالا شاید فهمیده باشید که چرا او لباس بر تن نداشت.

اصل شناوری ارشمیدس چه می‌گوید؟ یک نیرو به جسم شناور در آب وارد می‌شود. نیروی وارد شده به جسم با وزن مایعی که جسم را جا به جا می‌کند برابر است.

شما یک جسم را درون یک ظرف قرار دهید. درون ظرف آب بریزید، جسم شروع به بالا آمدن می‌کند. وزن آبی که جسم را بالا می‌آورد با وزن جسم برابر است.

این قانون کاربردهای زیادی دارد. برای مثال: در محاسبه چگالی اجسام، طراحی زیر دریایی‌ها و کشتی‌های اقیانوس پیما ضروری است.

3. تکامل و انتخاب طبیعی

در این تصویر شما یک مثال از نحوه انتخاب طبیعی را در بین قورباغه‌ها می‌بینید. البته این عکس تنها یک مثال است و واقعی نیست.

بعد از بررسی آغاز دنیا و عملکرد فیزیک به خودمان می‌رسیم.

از نظر بیش‌تر دانشمندان تمام موجودات زنده یک جد مشترک دارند. پس چطور گونه‌های متفاوتی را در جهان می‌بینیم؟ جواب سوال شما تکامل است.

هر گونه از موجودات زنده از یک راه متفاوت تکامل یافته است.

تفاوت بین گونه‌های مختلف از طریق انتخاب طبیعی رخ داده است. یعنی نسل آن‌هایی که برای زندگی در طبیعت مقاوم‌تر بوده‌اند ادامه پیدا کرده است.

برای مثال: قورباغه‌ای را تصور کنید که قهوه‌ای رنگ است. این رنگ قهوه‌ای باعث پنهان شدن در باتلاق می‌شود. نسل قورباغه‌ای که بهتر پنهان شود ادامه پیدا می‌کند.

هر دوی این نظریه‌ها درست است و دانشمندان هر دوی آن‌ها را گسترش داده‌اند. اما داروین کشف مهم خود را در قرن نوزدهم میلادی انجام داد. او گفت: تکامل از طریق انتخاب طبیعی گونه‌های زیادی از موجودات را بر روی زمین ایجاد کرده است.

2. نظریه نسبیت عام

نظریه نسبیت عام از آلبرت انیشتین یک کشف بسیار مهم است. این نظریه نگاه ما را به جهان تغییر می‌دهد.

بزرگ ترین موفقیت انیشتین اثبات چند مورد بود: مکان و زمان مطلق نیستند. گرانش یا جاذبه تنها به یک جسم وارد نمی‌شود.

گرانشی که در هر جسم وجود دارد، فضا و زمان اطراف خود را خم می‌کند.

فکر کنید که روی زمین در یک خط مستقیم حرکت می‌کنید و به سمت شرق می‌روید. مبدا مسیر شما جایی در نیم کره شمالی است.

بعد از مدتی اگر کسی موقعیت شما را بر روی نقشه مشخص کند هم در شرق و هم در جنوب موقعیت اصلی خود هستید.

دلیل این اتفاق خمیده بودن زمین است. برای سفر مستقیم به سمت شرق باید شکل زمین را در نظر بگیرید. کمی هم باید از شمال فاصله بگیرید.

برای درک بهتر به تفاوت نقشه کاغذی و کره زمین فکر کنید.

فضا هم تقریبا شرایک یکسانی دارد. برای مثال: کسانی که در شاتل فضایی نشسته‌اند و به دور زمین می‌چرخند را تصور کنید. به نظر می‌رسد که آن‌ها در یک خط مستقیم حرکت می‌کنند.

اما زمان و مکان اطراف آن‌ها توسط گرانش خم می‌شود. هر جسم بزرگ با گرانش زیاد باعث می‌شود که آن‌ها هم به جلو حرکت کنند و هم به دور آن جسم بچرخند. یک جسم بزرگ مانند: یک سیاره یا سیاهچاله.

نظریه انیشتین مسیر فوق العاده‌ای را به دانشمندان نشان داد. این نظریه دلیل ناهنجاری در مدار عطارد را توضیح داد. نشان داد که چگونه نور یک ستاره خم می‌شود.

هم‌چنین باید بدانید که این نظریه پایه‌ نظریه سیاه چاله را ایجاد کرد.

1. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

ما در زیر میکروسکوپ چه می‌بینیم؟ یک ذره یا یک موج؟ شاید هر دوی آن‌ها را می‌بینیم.

نظریه نسبیت عام انیشتین در مورد چگونگی کارکرد جهان به ما کمک کرد. این نظریه فیزیک کوانتوم را پایه گذاری کرد. اما سردرگمی بیش‌تری را به علوم وارد کرد.

در سال 1927 بیان شد: قوانین جهان در بعضی مواقع انعطاف پذیر است. این اصل باعث کشف دانشمند آلمانی یعنی ورنر هایزنبرگ شد.

هایزنبرگ گفت: شناخت هم زمان دو ویژگی از یک ذره غیر ممکن است. یعنی شما می‌توانید موقعیت یک الکترون را به خوبی پیدا کنید اما حرکت آن را نمی‌توانید و بلعکس.

نیلز بور با کشف خود به توضیح اصل هایزنبرگ کمک کرد. بور کشف کرد که الکترون ویژگی موج و ذره را با هم دارد.

این مفهوم سنگ بنای فیزیک کوانتوم است. در زمانی که موقعیت الکترون را اندازه می‌گیریم آن را به عنوان یک نقطه در فضا با طول موج نا مشخص می‌شناسیم.

هنگامی که حرکت آن را اندازه می‌گیریم با آن مثل یک موج رفتار می‌کنیم. یعنی ما از دامنه طول موج آن اطلاع داریم اما از مکان آن اطلاع نداریم.

از شما برای خواندن این مقاله تشکر می‌کنیم. نظرات خود را با روکیدا در میان بگذارید، منتظر شما هستیم.

منبع: howstuffworks.com