Sia che stiamo lanciando una navetta spaziale o cercando di scoprire un altro pianeta simile alla Terra, ci affidiamo a leggi e teorie scientifiche per guidarci. © 2018 ComeFunzionaStuff Gli scienziati hanno molti strumenti a loro disposizione quando tentano di descrivere come funzionano la natura e l'universo in generale. Spesso cercano prima di tutto leggi e teorie. Qual è la differenza? UN diritto scientifico spesso può essere ridotto a un'affermazione matematica, come E =mc²; è un'affermazione specifica basata su dati empirici, e la sua verità è generalmente limitata a un certo insieme di condizioni. Per esempio, nel caso di E =mc², c si riferisce alla velocità della luce nel vuoto.
UN teoria scientifica spesso cerca di sintetizzare un corpo di prove o osservazioni di particolari fenomeni. È generalmente - anche se non sempre - un più grandioso, dichiarazione verificabile su come opera la natura. Non puoi necessariamente ridurre una teoria scientifica a un'affermazione o un'equazione concisa, ma rappresenta qualcosa di fondamentale su come funziona la natura.
Sia le leggi che le teorie dipendono da elementi di base del metodo scientifico, come generare un'ipotesi, testare questa premessa, trovare (o non trovare) prove empiriche e giungere a conclusioni. Infine, altri scienziati devono essere in grado di replicare i risultati se l'esperimento è destinato a diventare la base per una legge o una teoria ampiamente accettata.
In questo articolo, esamineremo 10 leggi e teorie scientifiche che potresti voler rispolverare, anche se non ti trovi, dire, utilizzare un microscopio elettronico a scansione così frequentemente. Inizieremo con il botto e passeremo alle leggi fondamentali dell'universo, prima di colpire l'evoluzione. Finalmente, affronteremo del materiale più importante, addentrandosi nel regno della fisica quantistica.
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La teoria del big bang © 2018 HowStuffWorks Se hai intenzione di conoscere una teoria scientifica, renderlo quello che spiega come l'universo è arrivato al suo stato attuale. Sulla base di una ricerca condotta da Edwin Hubble, Georges Lemaitre e Albert Einstein, tra gli altri, il teoria del Big Bang postula che l'universo sia iniziato quasi 14 miliardi di anni fa con un enorme evento di espansione. Al tempo, l'universo era confinato in un unico punto, che racchiude tutta la materia dell'universo. Quel movimento originale continua oggi, mentre l'universo continua ad espandersi verso l'esterno.
La teoria del big bang ha ottenuto un ampio sostegno nella comunità scientifica dopo la scoperta di Arno Penzias e Robert Wilson radiazione cosmica di fondo a microonde nel 1965. Utilizzando radiotelescopi, i due astronomi rilevarono il rumore cosmico, o statico, che non si è dissolto nel tempo. Collaborando con il ricercatore di Princeton Robert Dicke, la coppia ha confermato l'ipotesi di Dicke che il big bang originale ha lasciato dietro di sé radiazioni di basso livello rilevabili in tutto l'universo.
Hubble e la sua famosa legge hanno contribuito a quantificare il movimento delle galassie dell'universo. © 2018 ComeFunzionaStuff Rimaniamo con Edwin Hubble per un secondo. Mentre gli anni '20 ruggivano e la Grande Depressione passava zoppicando, Hubble stava effettuando ricerche astronomiche rivoluzionarie. Hubble non solo ha dimostrato che c'erano altre galassie oltre alla Via Lattea, scoprì anche che queste galassie stavano sfrecciando via dalla nostra, un movimento che ha chiamato recessione .
Per quantificare la velocità di questo movimento galattico, Hubble ha proposto La legge dell'espansione cosmica di Hubble , alias legge di Hubble, un'equazione che afferma: velocità =H × distanza . Velocità rappresenta la velocità recessiva della galassia; h è la costante di Hubble, o parametro che indica la velocità di espansione dell'universo; e distanza è la distanza della galassia da quella con cui viene confrontata.
La costante di Hubble è stata calcolata a valori diversi nel tempo, ma il valore attualmente accettato è 70 chilometri/secondo per megaparsec, quest'ultima è un'unità di distanza nello spazio intergalattico [fonte:Bianco]. Per i nostri scopi, non è così importante. Ciò che conta di più è che la legge di Hubble fornisce un metodo conciso per misurare la velocità di una galassia in relazione alla nostra. E forse più significativamente, la legge stabiliva che l'universo è composto da molte galassie, i cui movimenti risalgono al big bang.
Legge delle aree di Keplero © 2018 HowStuffWorks Per secoli, scienziati hanno combattuto tra loro e con i leader religiosi sulle orbite dei pianeti, soprattutto se orbitano attorno al nostro sole. Nel XVI secolo, Copernico espose il suo controverso concetto di sistema solare eliocentrico, in cui i pianeti ruotavano attorno al sole, non alla Terra. Ma ci vorrebbe Johannes Kepler, basandosi sul lavoro svolto da Tyco Brahe e altri, stabilire una chiara base scientifica per i movimenti dei pianeti.
di Keplero tre leggi del moto planetario — formato all'inizio del XVII secolo — descrive come i pianeti orbitano attorno al sole. La prima legge, a volte chiamato il legge delle orbite , afferma che i pianeti orbitano intorno al sole in modo ellittico. La seconda legge, il legge delle aree , afferma che una linea che collega un pianeta al sole copre un'area uguale per periodi di tempo uguali. In altre parole, se stai misurando l'area creata disegnando una linea dalla Terra al sole e monitorando il movimento della Terra per 30 giorni, l'area sarà la stessa indipendentemente da dove si trova la Terra nella sua orbita quando iniziano le misurazioni.
Il terzo, il legge dei periodi , ci permette di stabilire una chiara relazione tra il periodo orbitale di un pianeta e la sua distanza dal sole. Grazie a questa legge, sappiamo che un pianeta relativamente vicino al sole, come Venere, ha un periodo orbitale molto più breve di un pianeta lontano, come Nettuno.
Grazie alla legge universale di Newton, possiamo calcolare la forza gravitazionale tra due oggetti qualsiasi. © 2018 ComeFunzionaStuff Possiamo darlo per scontato ora, ma più di 300 anni fa Sir Isaac Newton propose un'idea rivoluzionaria:che due oggetti qualsiasi, non importa la loro massa, esercitano una forza gravitazionale l'uno verso l'altro. Questa legge è rappresentata da un'equazione che molti liceali incontrano durante le lezioni di fisica. Va come segue:
F =G × [(m 1 m 2 )/R 2 ]
F è la forza gravitazionale tra i due oggetti, misurato in Newton. m 1 e m 2 sono le masse dei due oggetti, mentre R è la distanza tra loro. G è la costante gravitazionale, un numero attualmente calcolato come 6.672 × 10 -11 Nm 2 kg -2 [fonte:Weisstein].
Il vantaggio della legge di gravitazione universale è che ci permette di calcolare l'attrazione gravitazionale tra due oggetti qualsiasi. Questa capacità è particolarmente utile quando gli scienziati sono, dire, progettando di mettere in orbita un satellite o di tracciare il corso della luna.
Seconda legge del moto di Newton © 2018 HowStuffWorks Finché stiamo parlando di uno dei più grandi scienziati mai esistiti, passiamo alle altre famose leggi di Newton. Le sue tre leggi del movimento costituiscono una componente essenziale della fisica moderna. E come molte leggi scientifiche, sono piuttosto eleganti nella loro semplicità.
La prima delle tre leggi afferma che un oggetto in movimento rimane in movimento a meno che non venga azionato da una forza esterna. Per una palla che rotola sul pavimento, che la forza esterna potrebbe essere l'attrito tra la palla e il pavimento, o potrebbe essere il bambino che calcia la palla in un'altra direzione.
La seconda legge stabilisce una connessione tra la massa di un oggetto ( m ) e la sua accelerazione ( un ), sotto forma di equazione F =m × un . F rappresenta la forza, misurato in Newton. È anche un vettore, il che significa che ha una componente direzionale. A causa della sua accelerazione, quella palla che rotola sul pavimento ha un particolare vettore , una direzione in cui sta viaggiando, ed è contabilizzato nel calcolo della sua forza.
La terza legge è piuttosto concisa e dovrebbe esserti familiare:per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria. Questo è, per ogni forza applicata ad un oggetto o superficie, quell'oggetto respinge con uguale forza.
Le leggi della termodinamica in azione © 2018 HowStuffWorks Il fisico e romanziere britannico C.P. Snow una volta disse che un non scienziato che non conosceva la seconda legge della termodinamica era come uno scienziato che non aveva mai letto Shakespeare [fonte:Lambert]. L'ormai famosa affermazione di Snow aveva lo scopo di enfatizzare sia l'importanza della termodinamica sia la necessità per i non scienziati di impararla.
Termodinamica è lo studio di come funziona l'energia in un sistema, che si tratti di un motore o del nucleo terrestre. Può essere ridotto a diverse leggi fondamentali, che Snow ha abilmente riassunto come segue [fonte:Physics Planet]:
Apriamoli un po'. Dicendo che non puoi vincere, Neve significava che, poiché la materia e l'energia si conservano, non puoi ottenerne uno senza rinunciare a un po' dell'altro (cioè, E=mc²). Significa anche che per un motore per produrre lavoro, devi fornire calore, sebbene in qualcosa di diverso da un sistema perfettamente chiuso, un po' di calore si perde inevitabilmente nel mondo esterno, che poi porta alla seconda legge.
La seconda affermazione - non puoi andare in pari - significa che a causa dell'entropia sempre crescente, non puoi tornare allo stesso stato energetico. L'energia concentrata in un luogo fluirà sempre verso luoghi di minore concentrazione.
Finalmente, la terza legge - non puoi uscire dal gioco - si riferisce allo zero assoluto, la temperatura teorica più bassa possibile, misurato a zero Kelvin o (meno 273,15 gradi Celsius e meno 459,67 gradi Fahrenheit). Quando un sistema raggiunge lo zero assoluto, le molecole fermano ogni movimento, il che significa che non c'è energia cinetica, e l'entropia raggiunge il suo valore più basso possibile. Ma nel mondo reale, anche nei recessi dello spazio, raggiungere lo zero assoluto è impossibile:puoi solo avvicinarti molto.
La galleggiabilità tiene a galla tutto, dalle anatre di gomma ai transatlantici. © 2018 ComeFunzionaStuff Dopo aver scoperto il suo principio di galleggiabilità, l'antico studioso greco Archimede avrebbe gridato "Eureka!" e corse nudo per la città di Siracusa. La scoperta è stata così importante. La storia racconta che Archimede ha fatto la sua grande svolta quando ha notato l'aumento dell'acqua mentre entrava nella vasca [fonte:Quake].
Secondo Principio di galleggiamento di Archimede , la forza che agisce, o boa, un oggetto sommerso o parzialmente sommerso è uguale al peso del liquido che l'oggetto sposta. Questo tipo di principio ha una vasta gamma di applicazioni ed è essenziale per i calcoli di densità, così come la progettazione di sottomarini e altre navi oceaniche.
Un ipotetico (e semplificato) esempio di come potrebbe svolgersi la selezione naturale tra le rane. © 2018 ComeFunzionaStuff Ora che abbiamo stabilito alcuni dei concetti fondamentali di come è iniziato il nostro universo e di come si svolge la fisica nella nostra vita quotidiana, rivolgiamo la nostra attenzione alla forma umana ea come siamo diventati come siamo. Secondo la maggior parte degli scienziati, tutta la vita sulla Terra ha un antenato comune. Ma per produrre l'immensa differenza tra tutti gli organismi viventi, alcuni dovevano evolversi in specie distinte.
In senso fondamentale, questa differenziazione è avvenuta attraverso l'evoluzione, tramite discesa con modifica [fonte:UCMP]. Le popolazioni di organismi hanno sviluppato tratti diversi, attraverso meccanismi come la mutazione. Quelli con tratti che erano più vantaggiosi per la sopravvivenza come, una rana la cui colorazione bruna le permette di mimetizzarsi in una palude, sono stati naturalmente selezionati per la sopravvivenza; da qui il termine selezione naturale .
È possibile espandere più a lungo entrambe queste teorie, ma questa è la base, e innovativo, scoperta che Darwin fece nel 19° secolo:che l'evoluzione attraverso la selezione naturale spiega l'enorme diversità della vita sulla Terra.
La teoria della relatività generale di Einstein ha cambiato la nostra comprensione dell'universo. © 2018 ComeFunzionaStuff di Albert Einstein teoria della relatività generale rimane una scoperta importante ed essenziale perché ha alterato in modo permanente il modo in cui guardiamo l'universo. La principale scoperta di Einstein fu di dire che spazio e tempo non sono assoluti e che la gravità non è semplicemente una forza applicata a un oggetto oa una massa. Piuttosto, la gravità associata a qualsiasi massa curva lo spazio e il tempo stesso (spesso chiamato spazio-tempo) attorno ad essa.
Per concettualizzare questo, immagina di viaggiare attraverso la Terra in linea retta, in direzione est, iniziando da qualche parte nell'emisfero settentrionale. Dopo un po, se qualcuno dovesse individuare la tua posizione su una mappa, saresti effettivamente sia a est che a sud della tua posizione originale. Questo perché la Terra è curva. Per viaggiare direttamente verso est, dovresti prendere in considerazione la forma della Terra e inclinarti leggermente verso nord. (Pensa alla differenza tra una mappa cartacea piatta e un globo sferico.)
Lo spazio è più o meno lo stesso. Per esempio, agli occupanti della navetta in orbita attorno alla Terra, può sembrare che stiano viaggiando su una linea retta attraverso lo spazio. In realtà, lo spazio-tempo intorno a loro viene curvato dalla gravità terrestre (come accadrebbe con qualsiasi oggetto grande con gravità immensa come un pianeta o un buco nero), facendo sì che entrambi si muovano in avanti e sembrino orbitare attorno alla Terra.
La teoria di Einstein aveva enormi implicazioni per il futuro dell'astrofisica e della cosmologia. Ha spiegato un minore, anomalia inaspettata nell'orbita di Mercurio, ha mostrato come la luce delle stelle si piega e ha posto le basi teoriche per i buchi neri.
è una particella, un'onda o entrambi? © 2018 ComeFunzionaStuff La più ampia teoria della relatività di Einstein ci ha detto di più su come funziona l'universo e ha contribuito a gettare le basi per la fisica quantistica, ma ha anche introdotto più confusione nella scienza teorica. Nel 1927, questo senso che le leggi dell'universo erano, in alcuni contesti, flessibile, ha portato a una scoperta rivoluzionaria dello scienziato tedesco Werner Heisenberg.
Nel postulare il suo Principio di incertezza , Heisenberg si rese conto che era impossibile sapere contemporaneamente, con un alto livello di precisione, due proprietà di una particella. In altre parole, puoi conoscere la posizione di un elettrone con un alto grado di certezza, ma non il suo slancio e viceversa.
Niels Bohr in seguito fece una scoperta che aiuta a spiegare il principio di Heisenberg. Bohr scoprì che un elettrone ha le qualità sia di una particella che di un'onda, un concetto noto come dualità onda-particella , che è diventata una pietra miliare della fisica quantistica. Quindi, quando misuriamo la posizione di un elettrone, lo stiamo trattando come una particella in un punto specifico nello spazio, con lunghezza d'onda incerta. Quando misuriamo il suo slancio, lo stiamo trattando come un'onda, il che significa che possiamo conoscere l'ampiezza della sua lunghezza d'onda ma non la sua posizione.
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Pubblicato originariamente:19 gennaio 2011
