Inleiding tot de belangrijkste natuurwetten

In de loop der jaren hebben wetenschappers ontdekt dat de natuur over het algemeen complexer is dan we haar erkennen. De natuurkundige wetten 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 en theoretisch onderzoek. Albert Einstein's relativiteitstheorie, die hij begin 1900 ontwikkelde, bouwt voort op de theorieën die meer dan 200 jaar eerder door Sir Isaac Newton waren ontwikkeld.

Sir Isaac Newton's baanbrekend natuurkundig werk werd voor het eerst gepubliceerd in 1687 in zijn boek "De wiskundige principes van de natuurfilosofie, "algemeen bekend als" The Principia. "Daarin schetste hij theorieën over zwaartekracht en beweging. Zijn fysiek wet van de zwaartekracht stelt dat een object een ander object aantrekt dat in directe verhouding staat tot hun gecombineerde massa en omgekeerd gerelateerd is aan het kwadraat van de afstand ertussen.

Newton's drie bewegingswetten, ook te vinden 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 ernaar handelen.

• Eerste regel: Een object blijft in rust of in een uniforme bewegingstoestand, tenzij die toestand 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 krachten van buitenaf.

Albert Einstein introduceerde zijn beroemde vergelijking E = mc² in een tijdschriftinzending uit 1905 getiteld "Over de elektrodynamica van bewegende lichamen". De paper presenteerde zijn theorie van speciale relativiteitstheorie, gebaseerd op twee postulaten:

• Relativiteitsbeginsel: De natuurkundige wetten zijn hetzelfde voor alle traagheidsreferentieframes.
• Principe van bestendigheid van de lichtsnelheid: Licht verspreidt zich altijd door een vacuüm met een bepaalde snelheid, die onafhankelijk is van de bewegingstoestand van het emitterende lichaam.

Het eerste principe zegt simpelweg dat de wetten van de natuurkunde in alle situaties op iedereen van toepassing zijn. Het tweede principe is het belangrijkste. Het bepaalt dat de lichtsnelheid in een vacuüm is constante. In tegenstelling tot alle andere vormen van beweging, wordt het niet anders gemeten voor waarnemers in verschillende traagheidsreferentiekaders.

De wetten van thermodynamica zijn eigenlijk specifieke manifestaties van de wet van behoud van massa-energie in relatie tot thermodynamische processen. Het veld werd in de jaren 1650 voor het eerst verkend 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 Zeroeth-wet van de thermodynamica maakt het idee van temperatuur mogelijk.
• De eerste wet van de thermodynamica demonstreert de relatie tussen interne energie, toegevoegde warmte en werk binnen een systeem.
• De tweede wetvan thermodynamica heeft betrekking op de natuurlijke warmtestroom binnen een gesloten systeem.
• De derde wetvan thermodynamica stelt dat het onmogelijk is om een thermodynamisch proces dat is perfect efficiënt.

Twee natuurkundige wetten bepalen de relatie tussen elektrisch geladen deeltjes en hun vermogen om te creëren elektrostatische kracht en elektrostatische velden.

• De wet van Coulomb is genoemd naar Charles-Augustin Coulomb, een Franse onderzoeker die in de 18e eeuw 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 het begin van de 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 soortgelijke wetten voor met betrekking tot magnetisme en elektromagnetisme als geheel.

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