على مر السنين، اكتشف العلماء شيئًا واحدًا وهو أن الطبيعة بشكل عام أكثر تعقيدًا مما نعطيها الفضل. تعتبر القوانين الرئيسية في الفيزياء أساسية، على الرغم من أن العديد منها يشير إلى أنظمة مثالية أو نظرية يصعب تكرارها في العالم الحقيقي.
مثل مجالات العلوم الأخرى، تبني قوانين الفيزياء الجديدة أو تعدل القوانين الحالية والبحوث النظرية.
تعتمد نظرية النسبية لألبرت أينشتاين، التي طورها في أوائل القرن العشرين، على النظريات التي طورها السير إسحاق نيوتن قبل أكثر من 200 عام.
قانون الجاذبية العام.
نُشر عمل السير إسحاق نيوتن الرائد في الفيزياء لأول مرة عام 1687 في كتابه “المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية”، المعروف باسم “المبادئ”.
في ذلك الكتاب، أوضح نظريات حول الجاذبية والحركة. ينص قانون الجاذبية الفيزيائي الخاص به على أن جسمًا ما يجذب جسمًا آخر في تناسب مباشر مع كتلته المجمعة ويرتبط عكسيًا بمربع المسافة بينهما.
إقرأ أيضاً… القوى الأساسية الأربعة في الفيزياء.
ثلاثة قوانين للحركة.
قوانين نيوتن الثلاثة للحركة، والموجودة أيضًا في كتاب “المبادئ”، تحكم كيفية تغير حركة الأشياء المادية. يحددون العلاقة الأساسية بين تسارع الجسم والقوى المؤثرة عليه.
- القاعدة الأولى: سيبقى الجسم في حالة سكون أو في حالة حركة موحدة ما لم يتم تغيير تلك الحالة بواسطة قوة خارجية.
- القاعدة الثانية: القوة تساوي التغير في الزخم (الكتلة مضروبة في السرعة) بمرور الوقت. وبعبارة أخرى، فإن معدل التغيير يتناسب طرديا مع مقدار القوة المطبقة.
- القاعدة الثالثة: لكل فعل في الطبيعة رد فعل متساوٍ ومعاكس.
تشكل هذه المبادئ الثلاثة التي حددها نيوتن معًا أساس الميكانيكا الكلاسيكية، والتي تصف كيف تتصرف الأجسام جسديًا تحت تأثير القوى الخارجية.
حفظ الكتلة والطاقة.
قدم ألبرت أينشتاين معادلته الشهيرة E = mc2 في مقال في مجلة عام 1905 بعنوان “في الديناميكا الكهربية للأجسام المتحركة”. قدمت الورقة نظريته في النسبية الخاصة، بناءً على افتراضين:
- مبدأ النسبية: قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.
- مبدأ ثبات سرعة الضوء: ينتشر الضوء دائمًا من خلال فراغ بسرعة محددة، مستقلة عن حالة حركة الجسم الباعث.
يقول المبدأ الأول ببساطة أن قوانين الفيزياء تنطبق بالتساوي على الجميع في جميع المواقف. المبدأ الثاني هو الأكثر أهمية. تنص على أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة.
على عكس جميع أشكال الحركة الأخرى، لا يتم قياسها بشكل مختلف للمراقبين في إطارات مرجعية بالقصور الذاتي المختلفة.
إقرأ أيضاً… ما هو الضوء الأسود؟
قوانين الديناميكا الحرارية.
قوانين الديناميكا الحرارية الثلاثة هي في الواقع مظاهر محددة لقانون الحفاظ على كتلة الطاقة من حيث صلتها بالعمليات الديناميكية الحرارية.
تم استكشاف الحقل لأول مرة في خمسينيات القرن السادس عشر بواسطة أوتو فون جيريك في ألمانيا وروبرت بويل وروبرت هوك في بريطانيا. استخدم العلماء الثلاثة مضخات التفريغ، التي ابتكرها فون جيريك، لدراسة مبادئ الضغط ودرجة الحرارة والحجم.
- يجعل القانون الصفري للديناميكا الحرارية فكرة درجة الحرارة ممكنة.
- يوضح القانون الأول للديناميكا الحرارية العلاقة بين الطاقة الداخلية والحرارة المضافة والعمل داخل النظام.
- يتعلق القانون الثاني للديناميكا الحرارية بالتدفق الطبيعي للحرارة داخل نظام مغلق.
- ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أنه من المستحيل إنشاء عملية ديناميكية حرارية فعالة تمامًا.
قوانين الكهرباء الساكنة.
يحكم قانونان فيزيائيان العلاقة بين الجسيمات المشحونة كهربائيًا وقدرتها على توليد القوة الكهروستاتيكية والمجالات الكهروستاتيكية.
- تم تسمية قانون كولوم على اسم تشارلز أوغستين كولوم، الباحث الفرنسي الذي كان يعمل في القرن الثامن عشر الميلادي. تتناسب القوة بين شحنتين نقطتين طرديًا مع حجم كل شحنة وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بين مركزيهما. إذا كان للأجسام نفس الشحنة، موجبة أو سالبة، فسوف تتنافر. إذا كانت لديهم شحنات معاكسة، فسوف يجتذبون بعضهم البعض.
- تم تسمية قانون جاوس على اسم كارل فريدريك جاوس، عالم الرياضيات الألماني الذي عمل في أوائل القرن التاسع عشر. ينص هذا القانون على أن التدفق الصافي للمجال الكهربائي عبر سطح مغلق يتناسب طرديًا مع الشحنة الكهربائية المغلقة. اقترح جاوس قوانين مماثلة تتعلق بالمغناطيسية والكهرومغناطيسية ككل.
ما وراء الفيزياء الأساسية.
في مجال النسبية وميكانيكا الكم، وجد العلماء أن هذه القوانين لا تزال سارية، على الرغم من أن تفسيرها يتطلب بعض الصقل ليتم تطبيقها، مما أدى إلى مجالات مثل الإلكترونيات الكمومية والجاذبية الكمومية.