10 نظريات وقوانين علمية يجب أن تعرفها

عندما يرغب العلماء في إطلاق صاروخٍ إلى الفضاء أو تفسير ظاهرةٍ أو وصف الطّبيعة والكون فإنّهم يعتمدون على النّظريّات والقوانين العلميّة من أجل تحقيق ذلك، ولكن هل تساءلتم يومًا عن الفرق بين النّظريّة والقانون؟

 القانون العلميّ هو مجموعةُ عوامل يمكن تمثيلها رياضيًّا وهو تصريح “محدّد” تم استنتاجه بناءً على البيانات النّاتجة عن التّجارب وصحّته في الغالب تكون مقيّدةً بمجموعة شروط، فعلى سبيل المثال قانون أينشتاين الشّهير (E = mc²) الّذي يعني أنّ الطّاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربّع سرعة الضّوء مشروطٌ بأن تكون سرعة الضّوء (C) في الفراغ.

 أمّا النّظريّة العلميّة فهي تصريحٌ يسعى لتوليف مجموعةٍ من الأدلّة أو الملاحظات حول ظاهرةٍ معيّنةٍ في سياقٍ عامٍّ يفسّرها، ويجب أن تكون هذه النّظريّة قابلةً للاختبار، وفي الغالب لا يمكن تمثيل هذه النّظريّة في شكلٍ رياضيّ.

 يعتمد كلٌّ من القانون والنّظريّة العلميّة على العناصر الأساسيّة للمنهج العلميّ  scientific method والّتي تتكوّن من خمسة عناصر أساسيّةٍ، وهي وضع فرضيّة (بعد ملاحظة ظاهرةٍ معيّنة)، ثم اختبار هذه الفرضيّة، ثمّ الوصول أو عدمه إلى دليلٍ تجريبيٍّ يدعم الفرضيّة ثم أخيرًا النتيجة، وفي النّهاية يجب أن يكون بمقدور العلماء الآخرين الوصول إلى نفس النّتائج الّتي توصّل إليها صاحب الفرضيّة لتتحقّق المصداقيّة والدّعم العالميّ للنّظريّة، وقد نتحدث عن هذا المنهج بإسهاب في مقامٍ آخر.

سنتحدّث في هذا المقال بشكل مبسّط عن 10 نظريات وقوانين علميّة أساسيّة ساهمت في تفسير العديد من الظّواهر، لذلك حتّى وإن لم تكن هذه النّظريات في نطاق عملك ودراستك فيجب أن تعرفها.

إن كنت ترغب في معرفة نظريّةٍ واحدةٍ على الأقل فلتكن النّظريّة الّتي تُفسّر وصول الكون إلى الحالة الّتي هو عليها الآن. بناءً على دراساتٍ وأبحاثٍ قدّمها كلٌّ من Edwin Hubble وGeorges Lemaitre وAlbert Einstein وآخرين، تُخبرنا نظريّة الانفجار العظيم أنّ الكون قد بدأ منذ 14 مليار سنةٍ تقريبًا بانفجارٍ عظيم، كان الكون في ذلك الوقت مُنضغطًا في نقطةٍ واحدةٍ صغيرةٍ وعالية الكثافة، وتحتوي بداخلها على كلّ المادّة الموجودة في الكون، ثمّ تمدّدت هذه النّقطة في أقل من تريليون تريليون تريليون جزء من الثّانية، ومازال هذا التّمدّد مستمرًّا إلى يومنا هذا، وهذه أحد الأدلّة التي تدعم النظرية.

انتشرت هذه النّظريّة وحصلت على دعم العديد من العلماء بعد اكتشاف كلٍّ من Arno Penzias وRobert Wilson لإشعاع الخلفيّة الكونيّة الميكرويّ cosmic microwave background radiation في عام 1965، وهو إشعاعٌ حراريٌّ بقي من آثار الانفجار ولا يتبدّد مع مرور الوقت، وتوجد في المسافات بين النّجوم والمجرّات وهي المسافة المقصودة بكلمة “الخلفية Background”. من المُفترض أن تكون هذه المسافات قاتمةً تمامًا ولكن باستخدام التيليسكوب الراديويّ Radio Telescope تمكّن روبرت وأرنو من اكتشاف هذه الإشعاعات مصادفةً وحازا بذلك على جائزة نوبل.

[لمعلومات أكثر 1 2 3 4]

بينما كانت الولايات المتّحدة الأمريكيّة تمرّ بفترة الكساد الاقتصاديّ العظيم خلال عشرينيّات القرن الماضي، كان Edwin Hubble يقوم بأبحاثه الفلكيّة الرّائدة الّتي لم تثبت فقط أنّ هناك مجرّاتٍ أخرى بجانب مجرّة درب التّبانة الّتي تقع فيها مجموعتنا الشّمسيّة، ولكنّها ساهمت أيضًا في اكتشاف أنّها تندفع بعيدًا عن مجرّتنا في حركةٍ وصفها بالتّقهقر recession.

 من أجل قياس سرعة وكمّيّة الحركة تلك، قدّم هابل قانون التّمدّد الكونيّ والمعروف بقانون هابل، وينصّ على أنّ (velocity = H × distance) والمقصود بـvelocity هو سرعة تقهقر المجرّات عن مجرّتنا، أمّا H فهو ثابت هابل ويعبّر عن معدّل تمدّد الكون، وdistance هي المسافة بين مجرّتنا والمجرّة الّتي نقارن ابتعادنا عنها. تمّ حساب ثابت هابل بقيمٍ متفاوتةٍ منذ طرحه ولكنّه مستقرٌّ حاليًّا على 70 كيلومتر في الثانية لكل ميجا بارسيك Megaparsec (بارسيك هي وحدة طولٍ تُستخدم لقياس بعد الأجرام خارج مجموعتنا الشّمسيّة وتساوي 31 تريليون كيلومتر).

 من المهمّ ملاحظة كيف أنّ قانون هابل بالإضافة لإثباته وجود مجرّاتٍ أخرى يقدّم طريقةً مُختصرةً ومباشرةً لحساب سرعة ابتعاد المجرّات الأخرى بالنّسبة لمجرّتنا، كما أنّه يقدّم دليلًا مباشرًا على صحّة نظريّة الانفجار العظيم. . [لمعلومات أكثر 1 2 3 2 3]

قد تكون الجاذبيّة من المسلّمات الآن إلّا أنّها لم تكن كذلك منذ 300 عام، حتّى اقترح نيوتن فكرته الثوّريّة الّتي تُفيد بأن أيّ جسمين مهما كانت كتلتهما يُؤثّر كلٌّ منهما بقوة جذبٍ على الآخر، ولتحديد هذه القوّة صاغ هذا القانون الشّهير [F = G × [(m1m2)/r²]، حيث أنّ F هي قوّة الجذب بين الجسمين، بينما تمثّل M1 وM2 كتلة الجسم الأوّل والثّاني على التّوالي، وr هو المسافة بين الجسمين، أمّا G فهو ثابت الجاذبيّة ويساوي حاليًّا.

 (6.672 × 10-11 N m² kg-2)

 تكمن أهمّيّة هذا القانون في أنّه يسمح لنا بحساب قوّة الجذب بين أيّ جسمين في الكون مهما كانت كتلتهما أو المسافة بينهما، وهو أمرٌ مفيدٌ جدًّا في مجالاتٍ عدّةٍ بدءًا بالفضاء مثل دراسة حركة الأجرام السّماويّة وإطلاق الأقمار الصّناعيّة وصولًا إلى المستوى الذّريّ للمادّة. [لمعلومات أكثر 3]

الرّوائي والفيزيائيّ البريطانيّ C.P. Snow قال ذات مرّة: “الشّخص العاديّ الّذي لا يعرف القانون الثّاني للديناميكا الحراريّة هو كمثل العالم الّذي لم يقرأ في حياته شيئًا لشكسبير”، وهذه إشادة بمدى أهمّيّة الديناميكا الحراريّة وأنّ تعلمها ضرورةٌ مهمّةٌ حتّى لغير العلماء.

 الديناميكا الحراريّة هو علمٌ يدرس انتقال الطّاقة داخل أيّ نظامٍ سواءً كان محرّكًا أو مركز الأرض أو الكون كلّه، ويتكوّن من عدّة قوانين أساسيّةٍ جمعها Snow بشكلٍ ذكيٍّ في ثلاثة قوانين على الشكل التالي:

أولاً لا يمكنك الفوز                             ثانياً لا يمكنك حتّى أن تتوقف                            ثالثاً لا يمكنك أن تخرج من اللعبة

 لنفسّر الآن القوانين الثلاث، في الجزء الأوّل يقصد Snow بعدم قدرتك على الفوز بأنّه بما أنّ المادّة والطّاقة لا يُمكن فناؤهما فأنت لا يمكنك أن تحصل على إحداهما دون خسارة الأخرى (من القوانين التي تؤكّد ذلك E=mc²) ويعني أيضًا أنّه لكي يُنتج المحرّك حركةً أو شغلًا يجب أن تزوّده بالحرارة (الاحتراق). في حالة أيّ نظامٍ غير النظام المغلق المثاليّ (نظامٌ معزولٌ حراريًّا بشكلٍ مثاليّ) فإن جزءًا من الحرارة سيخرج خارج النّظام وهو ما يقودنا للقانون الثّاني.

 يقصد في الجزء الثّاني بأنّه لا يمكنك حتّى التّوقف بأنّه بسبب زيادة الإنتروبي المُستمرّة لا يمكنك العودة لنفس حالة الطّاقة، أي أنّ الطّاقة المُتمركزة في مكانٍ معيّنٍ ستنتشر دائمًا نحو الأماكن ذات التّركيز الأقلّ. الإنتروبي هو مقياسُ العشوائيّة في النّظام وهي في زيادةٍ دائمًا في أيّ نظامٍ معزولٍ.

 في الجزء الثّالث يشير بعدم قدرتك على الخروج من اللّعبة إلى الصفر المطلق، وهو أقلّ درجة حرارةٍ ممكنةٍ نظريًّا، وهي عند درجة صفر بمقياس كلفن أو -273.15 درجةٍ مئويّةٍ، عندما تصل درجة حرارة النّظام إلى الصّفر المُطلق تتوقّف الجزيئات عن الحركة، بمعنى أنّه لن يكون هناك طاقة حركةٍ وسيصل الإنتروبي إلى أقلّ قيمةٍ ممكنة (انعدام الحركة يعني انعدام وجود عشوائيّةٍ في النّظام) ولكن في العالم الحقيقي هذه الحالة غير ممكنةٍ وفي أفضل الأحوال يمكننا الاقتراب من هذه القيمة فقط. من الجدير بالذّكر أنّ درجة حرارة الفراغ حاليًّا قاسها العلماء بـ2.7 كيلفن. [لمعلومات أكثر 1 2 3 4 5 6 7]

مُعظمنا يعرف قصّة أرشميدس عندما اكتشف مبدأ الطّفو وبدأ في الرّكض عاريًا والصّراخ عاليًا بكلمة Eureka أي وجدتها، وقد توصّل لاكتشافه عندما لاحظ أنّ منسوب الماء يرتفع في حوض الاستحمام عندما يجلس فيه. وفقًا لمبدأ أرشميدس فإنّ القوّة المُؤثّرة أو المُسبّبة لطفو جسمٍ مغمورٍ كلّيًّا أو جزئيًّا في الماء تساوي وزن السّائل المُزاح وبفضل هذا المبدأ هناك عددٌ هائلٌ من التّطبيقات الّتي نستمتع بها اليوم بالإضافة لحسابات كثافة الموادّ وتصميم الغوّاصات والسّفن. [لمعلومات أكثر <a data-cke-saved-href="http://en.wikipedia.org/wiki/Archimedes" href="http://en.wikipedia.org/wiki/Archimedes" _principle"="" target="_blank" style="box-sizing: border-box; color: rgb(4, 113, 214); text-decoration: none; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0.298039); font-family: HelveticaNeue, sans-serif;">1 2 3 4 5]

بعد أن ذكرنا بعض المفاهيم الأساسيّة عن نشأة الكون ودور الفيزياء في حياتنا، ننتقل الآن إلى الإنسان نفسه. يعتقد معظم العلماء أنّ الحياة على الأرض كلّها مشتركةٌ في سلفٍ واحدٍ ومُنحدرةٌ من نفس الأصل، وتفسير التّنوّع الهائل في أشكال الكائنات الحيّة بأنّ بعض هذه الأسلاف قد تطوّرت إلى أنواعٍ مختلفةٍ، حيث طوّرت تلك الكائنات “خصائص” خاصّةً بها عبر وسائل مثل الطّفرات الجينيّة، تلك الخصائص كانت مهمّةً لبقائها وتكيّفها مع بيئتها، وهذا هو المقصود بمصطلح الانتخاب الطبيعي، حيث تحدّد الطّبيعة الخصائص المُهمّة الّتي يجب الإبقاء عليها أو الّتي يجب “تطويرها” لتظهر في الأجيال التّالية.

أثبت داروين في القرن التاسع عشر عبر مشاهداتٍ كثيرةٍ دوّنها أنّ هاتين النّظريّتين هما سبب التّنوّع الهائل في الكائنات الحيّة الّتي نراها، وقد يمتدّ تفسير النّظريّتين لأبعد من ذلك، ولكن سنكتفي بهذا الجزء الأساسيّ. أودّ أن أذكر أنّنا كمؤمنين نختلف مع جزءٍ كبيرٍ من النّظريّة ولكن يجب أن أذكر أيضًا أنّ هناك أجزاء أخرى صحيحة في النّظرية لا تتعارض مع الإيمان. [لمعلومات أكثر 1 2 3 4 5 6 7 8] 

النّظريّة النّسبيّة العامّة لأينشتاين من الاكتشافات الأساسيّة الهامّة الّتي غيّرت بشكلٍ دائمٍ نظرتنا للكون، وذكر فيها أينشتاين أنّ الزّمان والمكان ليسا قيمًا مطلقةً وأنّ الجاذبيّة ليست مجرد قوّة جذبٍ  بل أنّ الجاذبيّة المُصاحبة لأيّ جسمٍ تُسبّب انحناءً في الزّمان والمكان حوله.

 لتبسيط الأمر تخيّل أنّك تُسافر عبر الأرض في خطٍّ مستقيمٍ من مكان ما في نصف الكرة الشماليّ وتتّجه نحو الشّرق، إذا أراد شخصٌ ما بعد فترةٍ أن يحدّد موقعك على الخريطة سيجد أنّك في الشّرق وفي أقصى الجنوب من الموقع الّذي انطلقت منه، والسّبب هو أنّ الأرض كرويّةٌ، أي أنّ المسار اتّخذ شكل منحنى.

الأمر مشابهٌ تمامًا للأرض في حالة الفراغ. بالنّسبة إلى روّاد الفضاء داخل مكّوكٍ فضائيٍّ يدور حول الأرض سيبدو لهم أنهم يتحركون في خط مستقيم في الفراغ ولكن في الواقع فالزمن والمكان من حولهم إتخذ شكل منحنى بسبب جاذبية الأرض وقد سبق وقدمت شرح وافي للنظرية في سلسلة أسئلة يجب أن تعرف أجوبتها – الجزء الأول.

كان لهذه النظرية أثر كبير على مستقبل الفيزياء الفلكية وعلم الكون وقد قدمت تفسيراً للشذوذ في مدار كوكب عطارد وفسّرت كذلك ظاهرةإنحناء الضوء النجمي والثقوب السوداء. [لمعلومات أكثر 1 2 3 4]

أخبرتنا النّظريّة النّسبيّة لأينشتاين الكثير عن الطّريقة الّتي يعمل بها الكون، وساهمت في إرساء قواعد فيزياء الكمّ (الفيزياء الحديثة)، ولكنّها سبّبت أيضًا الكثير من الإرباك. في عام 1927 قادت تلك الظّروف العالم الألمانيّ Werner Heisenberg إلى اكتشافٍ هامٍّ وهو مبدأ عدم اليقين. يرى هايزنبرج أنّه ليس ممكنًا أن نعرف بشكلٍ “متزامنٍ” وبدقّةٍ عاليةٍ خاصّيتين لأيّ جُسيم، بمعنى أنّه يمكنك أن تعرف موقع إلكترونٍ بشكلٍ دقيقٍ جدًّا في أيّ لحظةٍ ولكن لا يمكنك أن تحدّد كمّية حركته بنفس الدّقة في نفس تلك اللّحظة.

 في وقتٍ لاحقٍ لاكتشاف هايزنبرج، توصّل العالم  Niels Bohr لاكتشافٍ آخر ساهم في شرح مبدأ هايزنبرج، وجد بور أنّ الإلكترون له خصائص الجُسيمات والأمواج وهو ما يُعرف بمبدأ wave-particle duality والّذي أصبح حجر الزّاوية لنظريّة الكمّ. إذًا عندما نقيس موقع إلكترونٍ فنحن نعامله كجسيمٍ في نقطةٍ ما في الفراغ بطولٍ موجيٍّ غير مؤكّدٍ، ولكن عندما نقيس كمّية حركته فنحن نعامله كموجةٍ بحيث يمكننا معرفة قيمة طوله الموجيّ ولكن لا يمكننا تحديد موقعها. [لمعلومات اكثر 1 2 3 4]

وبهذا نكون قد استعرضنا معكم أهم النظريات والقوانين العلمية التي أثرت في نظرتنا للكون، وأرحب بالإضافة والنقاش