Εισαγωγή στους βασικούς νόμους της φυσικής

Με τα χρόνια, ένα πράγμα που οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει είναι ότι η φύση είναι γενικά πιο περίπλοκη από ό, τι μας δίνουμε πίστωση. Οι νόμοι της φυσικής θεωρούνται θεμελιώδεις, αν και πολλοί από αυτούς αναφέρονται σε εξιδανικευμένα ή θεωρητικά συστήματα που είναι δύσκολο να αναπαραχθούν στον πραγματικό κόσμο.

Όπως και σε άλλους τομείς της επιστήμης, οι νέοι νόμοι της φυσικής βασίζονται ή τροποποιούν υπάρχοντες νόμους και θεωρητικές έρευνες. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν Θεωρία της σχετικότητας, που ανέπτυξε στις αρχές της δεκαετίας του 1900, βασίζεται στις θεωρίες που αναπτύχθηκαν αρχικά περισσότερο από 200 χρόνια νωρίτερα από τον Sir Isaac Newton.

Ο Sir Isaac Newton's πρωτοποριακή εργασία στη φυσική δημοσιεύθηκε για πρώτη φορά το 1687 στο βιβλίο του "Οι μαθηματικές αρχές της φυσικής φιλοσοφίας, κοινώς γνωστό ως "The Principia". Σε αυτό περιγράφει θεωρίες σχετικά με τη βαρύτητα και την κίνηση. Τα φυσικά του ο νόμος της βαρύτητας δηλώνει ότι ένα αντικείμενο προσελκύει άλλο αντικείμενο σε άμεση αναλογία με τη συνδυασμένη μάζα του και αντιστρόφως σχετιζόμενο με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους.

Ο Νεύτωνας τρεις νόμους κίνησης, που βρίσκονται επίσης στο "The Principia", διέπουν την αλλαγή της κίνησης των φυσικών αντικειμένων. Ορίζουν τη θεμελιώδη σχέση μεταξύ του επιτάχυνση ενός αντικειμένου και του δυνάμεις ενεργώντας επ 'αυτού.

• Πρώτος κανόνας: Ένα αντικείμενο θα παραμείνει σε ηρεμία ή σε ομοιόμορφη κατάσταση κίνησης, εκτός αν αλλάξει η κατάσταση από μια εξωτερική δύναμη.
• Δεύτερος κανόνας: Η δύναμη είναι ίση με τη μεταβολή της ορμής (ταχύτητα μάζας φορές) με την πάροδο του χρόνου. Με άλλα λόγια, ο ρυθμός μεταβολής είναι ευθέως ανάλογος με την ισχύουσα δύναμη.
• Τρίτος κανόνας: Για κάθε ενέργεια στη φύση υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση.

Μαζί, αυτές οι τρεις αρχές που περιγράφει ο Newton αποτελούν τη βάση της κλασσικής μηχανικής, η οποία περιγράφει πώς τα σώματα συμπεριφέρονται σωματικά υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων.

Albert Einstein εισήγαγε τη διάσημη εξίσωση του E = mc² σε μια υποβολή περιοδικών του 1905 με τίτλο "Σχετικά με την ηλεκτροδυναμική των κινούμενων σωμάτων". Το έγγραφο παρουσίασε τη θεωρία του για την ειδική σχετικότητα, με βάση δύο αξιώματα:

• Αρχή της σχετικότητας: Οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για όλα τα αδρανή πλαίσια αναφοράς.
• Αρχή της σταθερότητας της ταχύτητας του φωτός: Το φως διαδίδεται πάντα μέσα από ένα κενό με καθορισμένη ταχύτητα, η οποία είναι ανεξάρτητη από την κατάσταση κίνησης του σώματος που εκπέμπει.

Η πρώτη αρχή λέει απλά ότι οι νόμοι της φυσικής ισχύουν εξίσου για όλους σε όλες τις καταστάσεις. Η δεύτερη αρχή είναι η πιο σημαντική. Ορίζει ότι το ταχύτητα του φωτός σε ένα κενό συνεχής. Σε αντίθεση με όλες τις άλλες μορφές κίνησης, δεν μετράται διαφορετικά για τους παρατηρητές σε διαφορετικά αδρανή πλαίσια αναφοράς.

ο νόμους της θερμοδυναμικής είναι στην πραγματικότητα συγκεκριμένες εκδηλώσεις του νόμου της διατήρησης της μαζικής ενέργειας, καθώς σχετίζεται με τις θερμοδυναμικές διεργασίες. Το πεδίο διερευνήθηκε αρχικά στη δεκαετία του 1650 από τον Otto von Guericke στη Γερμανία και τον Robert Boyle και τον Robert Hooke στη Βρετανία. Και οι τρεις επιστήμονες χρησιμοποίησαν αντλίες κενού, τις οποίες πρωτοστάτησε ο von Guericke, για να μελετήσουν τις αρχές της πίεσης, της θερμοκρασίας και του όγκου.

• Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής κάνει την έννοια του θερμοκρασία δυνατόν.
• Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής καταδεικνύει τη σχέση μεταξύ εσωτερικής ενέργειας, προστιθέμενης θερμότητας και εργασίας μέσα σε ένα σύστημα.
• Ο Δεύτερος Νόμοςτης Θερμοδυναμικής αναφέρεται στη φυσική ροή της θερμότητας μέσα σε ένα κλειστό σύστημα.
• Ο Τρίτος Νόμοςτης Θερμοδυναμικής δηλώνει ότι είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ένα θερμοδυναμική διαδικασία που είναι απόλυτα αποτελεσματική.

Δύο νόμοι της φυσικής διέπουν τη σχέση μεταξύ των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων και της ικανότητάς τους να δημιουργούν ηλεκτροστατική δύναμη και ηλεκτροστατικά πεδία.

• Νόμος του Coulomb ονομάζεται για τον Charles-Augustin Coulomb, γαλλικός ερευνητής που εργάζεται στη δεκαετία του 1700. Η δύναμη μεταξύ των δύο φορτίων σημείων είναι άμεσα ανάλογη με το μέγεθος κάθε φορτίου και αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των κέντρων αυτών. Εάν τα αντικείμενα έχουν την ίδια χρέωση, θετική ή αρνητική, θα αποκρούσουν η μία την άλλη. Εάν έχουν αντίθετες χρεώσεις, θα προσελκύσουν ο ένας τον άλλο.
• Ο νόμος του Gauss ονομάστηκε για τον Carl Friedrich Gauss, Γερμανό μαθηματικό που εργάστηκε στις αρχές του 19ου αιώνα. Αυτός ο νόμος δηλώνει ότι η καθαρή ροή ενός ηλεκτρικού πεδίου μέσω μιας κλειστής επιφάνειας είναι ανάλογη του κλειστού ηλεκτρικού φορτίου. Ο Gauss πρότεινε παρόμοιους νόμους σχετικά με το μαγνητισμό και τον ηλεκτρομαγνητισμό στο σύνολό του.

Στον τομέα της σχετικότητας και κβαντική μηχανική, οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι αυτοί οι νόμοι εξακολουθούν να ισχύουν, αν και η ερμηνεία τους απαιτεί κάποια τελειοποίηση που πρέπει να εφαρμοστεί, με αποτέλεσμα τομείς όπως η κβαντική ηλεκτρονική και η κβαντική βαρύτητα.