Inleiding tot de belangrijkste natuurwetten

Wetenschappers hebben in de loop der jaren ontdekt dat de natuur over het algemeen complexer is dan we eren. De natuurwetten worden als fundamenteel beschouwd, hoewel veel ervan verwijzen naar geïdealiseerde of theoretische systemen die moeilijk te repliceren zijn in de echte wereld.

Net als andere wetenschapsgebieden bouwen nieuwe natuurwetten voort op bestaande wetten of theoretisch onderzoek of wijzigen deze. De relativiteitstheorie van Albert Einstein, die hij in de vroege jaren 1900 ontwikkelde, bouwt voort op de theorieën die meer dan 200 jaar eerder voor het eerst werden ontwikkeld door Sir Isaac Newton.

Wet van universele zwaartekracht

Het baanbrekende werk van de heer Isaac Newton in de natuurkunde werd voor het eerst gepubliceerd in 1687 in zijn boek "The Mathematical Principles of Natural Philosophy", algemeen bekend als "The Principia". Daarin schetste hij theorieën over zwaartekracht en beweging. Zijn fysieke wet van de zwaartekracht stelt dat een object een ander object aantrekt in directe verhouding tot hun gecombineerde massa en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen hen.

Drie bewegingswetten

De drie bewegingswetten van Newton, ook gevonden in "The Principia", bepalen hoe de beweging van fysieke objecten verandert. Ze definiëren de fundamentele relatie tussen de versnelling van een object en de krachten die erop inwerken.

• Eerste regel: Een object blijft in rust of in een uniforme staat van beweging tenzij die staat wordt gewijzigd door een externe kracht. 
• Tweede regel: Kracht is gelijk aan de verandering in momentum (massa maal snelheid) in de tijd. Met andere woorden, de mate van verandering is recht evenredig met de hoeveelheid uitgeoefende kracht. 
• Derde regel: Voor elke actie in de natuur is er een gelijke en tegengestelde reactie. 

Samen vormen deze drie principes die Newton schetste de basis van de klassieke mechanica, die beschrijft hoe lichamen zich fysiek gedragen onder invloed van externe krachten.

Behoud van massa en energie

Albert Einstein introduceerde zijn beroemde vergelijking E = mc2 in een tijdschriftinzending uit 1905 getiteld 'On the Electrodynamics of Moving Bodies'. Het artikel presenteerde zijn speciale relativiteitstheorie, gebaseerd op twee postulaten:

• Relativiteitsbeginsel: De natuurwetten zijn hetzelfde voor alle inertiële referentiekaders. 
• Principe van constantheid van de snelheid van het licht: Licht verspreidt zich altijd door een vacuüm met een bepaalde snelheid, onafhankelijk van de bewegingsstatus van het emitterende lichaam.

Het eerste principe zegt eenvoudig dat de natuurwetten in alle situaties op iedereen van toepassing zijn. Het tweede principe is het belangrijkste. Het bepaalt dat de snelheid van het licht in een vacuüm constant is. In tegenstelling tot alle andere vormen van beweging, wordt het niet anders gemeten voor waarnemers in verschillende inertiële referentiekaders.

Wetten van thermodynamica

De wetten van de thermodynamica zijn in feite specifieke uitingen van de wet van behoud van massa-energie in verband met thermodynamische processen. Het veld werd voor het eerst onderzocht in de jaren 1650 door Otto von Guericke in Duitsland en Robert Boyle en Robert Hooke in Groot-Brittannië. Alle drie wetenschappers gebruikten vacuümpompen, die von Guericke pionierde, om de principes van druk, temperatuur en volume te bestuderen.

• De nulwet van de thermodynamica maakt het begrip temperatuur mogelijk.
• De eerste wet van de thermodynamica toont de relatie tussen interne energie, toegevoegde warmte en werk binnen een systeem.
• De tweede wet van de thermodynamica heeft betrekking op de natuurlijke warmtestroom binnen een gesloten systeem.
• De derde wet van de thermodynamica stelt dat het onmogelijk is om een ​​thermodynamisch proces te creëren dat perfect efficiënt is.

Elektrostatische wetten

Twee natuurwetten regelen de relatie tussen elektrisch geladen deeltjes en hun vermogen om elektrostatische kracht en elektrostatische velden te creëren. 

• Wet van Coulomb is genoemd naar Charles-Augustin Coulomb, een Franse onderzoeker die rond 1700 werkte. De kracht tussen twee puntladingen is recht evenredig met de grootte van elke lading en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen hun middelpunten. Als de objecten dezelfde lading hebben, positief of negatief, stoten ze elkaar af. Als ze tegengestelde ladingen hebben, zullen ze elkaar aantrekken.
• De wet van Gauss is genoemd naar Carl Friedrich Gauss, een Duitse wiskundige die in de vroege 19e eeuw werkte. Deze wet stelt dat de netto stroom van een elektrisch veld door een gesloten oppervlak evenredig is met de ingesloten elektrische lading. Gauss stelde vergelijkbare wetten voor met betrekking tot magnetisme en elektromagnetisme als geheel.

Beyond Basic Physics

Op het gebied van relativiteit en kwantummechanica hebben wetenschappers ontdekt dat deze wetten nog steeds van toepassing zijn, hoewel hun interpretatie enige verfijning vereist, wat resulteert in velden zoals kwantumelektronica en kwantumzwaartekracht..