قوانين ونظريات علمية
تتعدد الأدوات التي يستخدمها العلماء في محاولتهم لفهم الطبيعة المحيطة بالبشر، ويتضح ذلك من خلال قوانين ونظريات علمية يلجئون لها للوصول إلى ما يسعون من أهداف تخدم البشرية والمجتمع.
الفرق بين القوانين والنظريات العلمية
يعتمد العلماء على العديد من القوانين والنظريات العلمية التي تساعدهم على تحقيق أهدافهم العلمية، ولكن بالطبع توجد فروق بين مفهوم القانون والنظرية العلمية، وهو ما يقدمه موقع البوابة في السطور التالية:
القانون العلمي: يُعرف بأنه تمثيل رياضي محدد تم استنتاجه بناءً على معطيات تجريبية تتوقف صحته بمجموعة من الشروط.
مثل: قانون أينشتاين الشّهير (E = mc²) وهو يعبر عن أن الطّاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربّع سرعة الضّوء بشرط أن تكون سرعة الضوء (C) في الفراغ.
نظرية علمية: هي تصريح يهدف إلى تركيب مجموعة من الأدلة أو الملاحظات حول ظاهرة معينة في سياق عام يمكن تفسيرها، والتي يمكن اختبارها للاختبار ولا يمكن تمثيلها في شكلٍ رياضي.
العناصر الأساسية للمنهج العلمي في القوانين والنظريات العلمية
تتكون العناصر الأساسية للمنهج العلمي التي تعتمد عليها قوانين ونظريات علمية، على خمسة من العناصر الأساسية، والتي يجب للعلماء الآخرين الوصول إلى نفس نتائجها لتدعيم هذه النظرية، وهي كالتالي:
- ملاحظة ظاهرة معيّنة.
- وضع فرضية لهذه الظاهرة.
- اختبار هذه الفرضية.
- الوصول أو عدم الوصول إلى دليلٍ تجريبيٍّ يؤكد هذه الفرضية.
- ثم النتيجة.
أهم قوانين ونظريات علمية للعديد من الظواهر الطبيعة
نظرية علمية عن النسبية العامة
تُعد نظرية أينشتاين (النسبية العامة) من أهم الاكتشافات التي تم الاستنتاج منها أن الزمان والمكان غير مطلقين، وأن الجاذبية أكثر من فكرة قوة يتم تطبيقها على جسم أو كتلة ما.
تخيل أنك تسافر على الأرض من مكان ما في نصف الكرة الأرضية الشمالي نحو الشرق في خطٍّ مستقيم، ونظرًا لأن الأرض منحنية، فسوف يظهر موقعه بعد قليل على الخريطة بالحقيقة في الشرق والجنوب بعيدًا عن موقعك الأصلي.
ونفس الشيء بالنسبة للفضاء، أي أن المقيمين في مركبة فضائية تدور حول الأرض، قد يبدوا وكأنهم يتحركون وفق خط مستقيم في الفضاء، إنما في حقيقة الأمر، فإن المكان حولهم ينحني وفقًا لجاذبية، مما يؤدي إلى تحركهم للأمام وإظهارهم يدورون حول الأرض بنفس الوقت.
فكانت لنظرية أينشتاين تأثير كبير على الفيزياء الفضائية وعلم الكونيات في المستقبل، كما فسّرت انحرف بسيط غير متوقع في مدار كوكب عطارد، بالإضافة إلى أنها أوضحت كيف ينحني الضوء المنبعث من النجوم، كما وضعت الأسس النظرية للثقوب السوداء.
مبدأ عدم التعيين لهايزنبرج
طرح العالم الألماني (فيرنر هايزنبرج) Werner Heisenberg مبدأ عدم التعيين الذي ينص على “أنه كان من المستحيل معرفة خاصيتين لجزيءٍ ما معًا وبدرجة عالية من الدقة”، أي أنك تستطيع تحديد موضع إلكترونٍ معين وبدقة عالية، ولكنك لا تستطيع معرفة كمية حركته، والعكس صحيح.
ولكن توصل العالم (نيلز بور Niels Bohr) فيما بعد اكتشاف دعم شرح مبدأ (هايزنبرج)، حيث وجد (بور) أن الإلكترون له خصائص الجزيء والموجة، والذي عُرف بثنائية (موجة-جسيم) التي أصبحت حجر أساس لفيزياء الكم.
التطور والانتقاء الطبيعي
أوضح معظم العلماء أن جميع أشكال الحياة التي وُجدت على الأرض كان لها سلف مشترك ولكنه تتطور إلى أنواع تمايزت من خلال التطور والتوارث مع تعديل التغيير الجيني، بحيث أصبح يملكون صفات تساعدهم إلى البقاء على قيد الحياة وهذا ما يُقصد به مصطلح (الانتقاء الطبيعي).
ويعود أساس هذا الاكتشاف إلى العالم (داروين) وهو ينص على: “إن الفضل في التنوع الكبير للحياة على الأرض يعود للتطور، الذي حدث من خلال الاصطفاء الطبيعي”.
دافعة أرخميدس
اكتشف العالم اليوناني القديم (أرخميدس) قانون الطفو بعد أن لاحظ ارتفاع المياه عندما كان يدخل في حوض الاستحمام، وهي تقول: “فإن القوة التي تُطبق على جسم مغمور بالسائل كلياً أو جزئياً وتجعله يطفو هي مساوية لوزن السائل الذي حل محلّه هذا الجسم”.
قوانين الترموديناميك (الديناميك الحراري)
الترموديناميك هو قانون يدرس كيفية عمل الطاقة بنظام ما، سواء كان محركًا أو حتى نواة الأرض، يمكن توضيحه في مجموعة من القوانين الأساسية التي وضعها «سنو» وهي كما يلي:
- لا يمكنك أن تربح، أي أنه بما أن المادة والطاقة مصونتان، فإنه لا يمكن الحصول على إحداهما بدون أن تترك قدرًا مناسبًا من الأخرى.
- لا يمكنك أن تساوي بين الربح والخسارة، أي أنه بسبب زيادة العشوائية في نظام ما، فلا يمكنك أن تعود إلى حالة الطاقة نفسها.
- لا يمكنك أن تخرج من اللعبة، حيث يشير ذلك إلى درجة الصفر المطلق، حيث تتوقف الجزئيات عن الحركة تمامًا في حالة الوصول إلى هذه الدرجة، أي أنه لا يعود هناك طاقة حركية، وتصل العشوائية إلى أقل قيمة ممكنة.
قانون نيوتن للحركة
يُشكل قانون الحركة لنيوتن مكون أساسي للفيزياء الحديثة، وينص القانون الأول: “على أن الجسم المتحرك يبقى في حركته ما لم تُطبق عليه قوة خارجية”.
مثال على ذلك: قد تكون هذه القوة الخارجية لكرة متدحرجة على الأرض، ناتجة عن الاحتكاك بين الأرض وبين الكرة، أو قوة ركل الطفل لها باتجاهٍ معاكس.
أما القانون الثاني فيؤكد وجود علاقة بين كتلة الجسم (m) وتسارعه (a)، ويتلخص في العلاقة التالية:
F = m × a
ويشير F إلى القوة ويعبر عنها بوحدة (النيوتن)، كما أنها تملك عنصر الاتجاه، بما أن هذه الكرة المتدحرجة لها تسارع معين، فهي تملك اتجاه حركتها، وتعرف من خلال حساب القوة.
بينما القانون الثالث ينص على: “أن لكل فعل رد فعل مساوٍ له وذي اتجاه معاكس”، يعني ذلك أن عند تطبيق قوة على جسم أو سطح ما، فإن ذلك يسبب اندفاعه إلى الخلف بقوة مساوية لتلك المطبقة.
قانون الجاذبية العالمي
يُمكن من خلال هذا القانون، حساب قوة الجذب بين جسمين، وهو ينُص على: ” وهي أن أي جسمين يطبقان قوة جذب على بعضهما وذلك بغض النظر عن كتلتيهما”، ويُفيد هذا القانون في تخطيط وضع قمر اصطناعي في مدارٍ ما في الفضاء، أو عند يقوم العلماء برسم مدار القمر.
قوانين كيبلر لحركة الكواكب
- قام كليبر بوضع ثلاثة قوانين وصفت حركات الكواكب ودورانهم حول الشمس.
- ويوضح القانون الأول والذي يُعرف بقانون المدارات: “أن الكواكب تدور حول الشمس بمسار إهليلجي”.
- بينما ينُص القانون الثاني الذي يُعرف بقانون المساحات: “يقول إن الخط الذي يصل بين كوكب ما والشمس يغطي مساحة متساوية خلال فترات زمنية متساوية من دوران الكوكب”.
- أما القانون الثالث: ويُعرف بقانون الفترات المدارية الذي يؤكد على العلاقة القوية بين فترة الكواكب المدارية وبعده عن الشمس.
قانون (هابل) للتوسع الكوني
اقترح هابل قانون من أجل تحديد سرعة الحركة المجريّة وهو (قانون هابل للتوسع الكوني) وهو عبارة عن المعادلة التالية:
(السرعة = H × المسافة)، حيث (السرعة) هي سرعة تباعد مجرة درب التبانة.
و(H) هو ثابت هابل، وهو يدل على معدل توسع الكون، أما (المسافة) فهي المسافة بين مجرتنا وأي مجرة أخرى تتم المقارنة معها.
نظرية علمية عن الانفجار العظيم The Big Bag Theory
افترضت نظرية الانفجار العظيم التي اعتمادها كل من (إدوين هابل Edwin Hubble)، و(جورج لومترGeorges Lemaitre)، و(ألبرت أينشتاينAlbert Einstein) أن الكون بدأ منذ 14 مليار سنة نتيجة لتوسع هائل، حيث كان الكون منحصرًا في نقطة واحدة تضم كل مواد الكون، ثم بدأ في التوسع نحو الخارج والذي يستمر إلى الآن.
