Научное право - Scientific law

Научные теории объясняют, почему что-то происходит, тогда как научный закон описывает то, что происходит.

Научные законы или же законы науки заявления, основанные на повторяется эксперименты или же наблюдения, которые описывают или предсказывать диапазон природный феномен.^[1] Период, термин закон во многих случаях используется по-разному (приблизительный, точный, широкий или узкий) во всех областях естественные науки (физика, химия, астрономия, геонаука, биология ). Законы разрабатываются на основе данных и могут быть дополнительно развиты с помощью математика; во всех случаях они прямо или косвенно основаны на эмпирическое доказательство. Обычно считается, что они неявно отражают, хотя и не утверждают явно, причинно-следственные связи, фундаментальные для реальности, и скорее обнаруживаются, чем изобретаются.^[2]

Научные законы суммируют результаты экспериментов или наблюдений, обычно в пределах определенного диапазона применения. В общем, точность закона не меняется, когда разрабатывается новая теория соответствующего явления, а, скорее, объем применения закона, поскольку математика или утверждение, представляющее закон, не изменяется. Как и в случае с другими видами научного знания, законы не имеют абсолютной определенности (как математические теоремы или же идентичности do), и всегда возможно, что закон будет противоречить, ограничен или расширен будущими наблюдениями. Закон обычно можно сформулировать в виде одного или нескольких утверждений или уравнения, так что его можно использовать для прогнозирования результата эксперимента с учетом обстоятельств происходящих процессов.

Законы отличаются от гипотезы и постулаты, которые предлагаются во время научный процесс до и во время проверки экспериментом и наблюдением. Гипотезы и постулаты не являются законами, поскольку они не были проверены в той же степени, хотя они могут привести к формулированию законов. Законы уже по объему, чем научные теории, что может повлечь за собой один или несколько законов.^[3] Наука отличает закон или теорию от фактов.^[4] Называя закон факт является двусмысленный, преувеличение, или двусмысленность.^[5] Природа научных законов много обсуждалась в философия, но по сути научные законы - это просто эмпирические выводы, сделанные научным методом; они не должны быть нагружены онтологический обязательства или утверждения логических абсолюты.

Обзор

Научный закон всегда применим к физическая система в повторяющихся условиях, и это подразумевает, что существует причинно-следственная связь с участием элементов системы. Фактический и хорошо подтвержденные утверждения вроде «Ртуть жидкая при стандартной температуре и давлении» считаются слишком конкретными, чтобы их можно было квалифицировать как научные законы. Центральная проблема в философия науки, возвращаясь к Дэвид Хьюм, заключается в различении причинно-следственных связей (например, подразумеваемых законами) от принципов, возникающих из-за постоянное соединение.^[6]

Законы отличаются от научные теории в том, что они не постулируют механизм или объяснение явлений: они просто квинтэссенция результатов многократного наблюдения. Таким образом, применимость закона ограничена обстоятельствами, сходными с уже наблюдаемыми, и при экстраполяции закон может оказаться ложным. Закон Ома относится только к линейным сетям; Закон всемирного тяготения Ньютона применимо только в слабых гравитационных полях; ранние законы аэродинамика, Такие как Принцип Бернулли, не применяются в случае сжимаемый поток как это происходит в трансзвуковой и сверхзвуковой полет; Закон Гука относится только к напряжение ниже предел упругости; Закон Бойля применяется с идеальной точностью только к идеальному газу и т. д. Эти законы остаются полезными, но только при определенных условиях, в которых они применяются.

Многие законы принимают математический формы и, таким образом, могут быть представлены в виде уравнения; например, закон сохранения энергии можно записать как ${\displaystyle \Delta E=0}$, куда ${\displaystyle E}$ это общее количество энергии во Вселенной. Точно так же первый закон термодинамики можно записать как ${\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,}$, и Второй закон Ньютона можно записать как ${\displaystyle F=}$ ​^дп⁄_dt. Хотя эти научные законы объясняют то, что воспринимают наши органы чувств, они все же являются эмпирическими (приобретенными путем наблюдения или научного эксперимента) и поэтому не похожи на математические теоремы, которые могут быть доказаны чисто математически.

Подобно теории и гипотезам, законы делают прогнозы; в частности, они предсказывают, что новые наблюдения будут соответствовать данному закону. Законы могут быть фальсифицированный если они будут найдены в противоречии с новыми данными.

Некоторые законы являются только приближениями к другим более общим законам и являются хорошими приближениями с ограниченной областью применимости. Например, Ньютоновская динамика (который основан на преобразованиях Галилея) - это низкоскоростной предел специальной теории относительности (поскольку преобразование Галилея является низкоскоростным приближением преобразования Лоренца). Точно так же Закон тяготения Ньютона является маломассивным приближением общей теории относительности, и Закон Кулона представляет собой приближение квантовой электродинамики на больших расстояниях (по сравнению с областью слабых взаимодействий). В таких случаях обычно используются более простые приблизительные версии законов вместо более точных общих законов.

Законы постоянно подвергаются экспериментальной проверке с возрастающей степенью точности, что является одной из основных целей науки. Тот факт, что законы никогда не нарушались, не препятствует их проверке с повышенной точностью или в новых условиях, чтобы подтвердить, продолжают ли они соблюдаться или нарушаются, и что можно обнаружить в процессе. Всегда возможно, что законы будут признаны недействительными или имеют ограничения с помощью повторяемых экспериментальных данных, если они будут соблюдены. В некоторых особых случаях устоявшиеся законы действительно были признаны недействительными, но новые формулировки, созданные для объяснения несоответствий, обобщают, а не опровергают оригиналы. То есть было обнаружено, что признанные недействительными законы являются лишь близкими приближениями, к которым должны быть добавлены другие условия или факторы, чтобы охватить ранее неучтенные условия, например очень большие или очень маленькие масштабы времени или пространства, огромные скорости или массы и т. д. Таким образом, вместо неизменного знания, физические законы лучше рассматривать как серию улучшающихся и более точных обобщений.

Характеристики

Научные законы обычно представляют собой выводы, основанные на многократных научных исследованиях. эксперименты и наблюдения на протяжении многих лет и которые стали общепринятыми в научное сообщество. Научный закон "предполагаемый из конкретных фактов, применимых к определенной группе или классу явления и выражается утверждением, что определенное явление всегда происходит при наличии определенных условий ».^[7] Составление краткого описания нашей окружающей среды в форме таких законов является фундаментальной целью наука.

Некоторые общие свойства научных законов, особенно когда речь идет о законах в физика, были идентифицированы. Научные законы:

• Верно, по крайней мере, в пределах их срока действия. По определению, никогда не было повторяемых противоречащих друг другу наблюдений.
• Универсальный. Кажется, они применимы повсюду во Вселенной.^[8]:82
• Простой. Обычно они выражаются одним математическим уравнением.
• Абсолютно. Кажется, ничто во вселенной не влияет на них.^[8]:82
• Стабильный. Не изменились с момента первого открытия (хотя могло быть показано, что они являются приближениями более точных законов),
• Всеохватывающе. По-видимому, все во Вселенной должно им соответствовать (по наблюдениям).
• В общем консервативный количества.^[9]:59
• Часто выражения существующих однородностей (симметрии ) из Космос и время.^[9]
• Обычно теоретически обратимый во времени (если неквант ), несмотря на то что само время необратимо.^[9]

Термин «научный закон» традиционно ассоциируется с естественные науки хотя социальные науки также содержат законы.^[10] Например, Закон Ципфа закон социальных наук, основанный на математическая статистика. В этих случаях законы могут описывать общие тенденции или ожидаемое поведение, а не быть абсолютными.

Законы как следствия математических симметрий

Основная статья: Симметрия (физика)

Некоторые законы отражают математические симметрии, встречающиеся в природе (например, Принцип исключения Паули отражает идентичность электронов, законы сохранения отражают однородность из Космос, время и Преобразования Лоренца отражать вращательную симметрию пространство-время ). Многие фундаментальные физические законы являются математическими следствиями различных симметрии пространства, времени или других аспектов природы. Конкретно, Теорема Нётер связывает некоторые законы сохранения с определенными симметриями. Например, сохранение энергии является следствием сдвиговой симметрии времени (ни один момент времени не отличается от любого другого), в то время как сохранение количества движения является следствием симметрии (однородности) пространства (нет места в пространстве особенного, или отличается от любого другого). Неразличимость всех частиц каждого фундаментального типа (скажем, электронов или фотонов) приводит к Дирак и Bose квантовая статистика, которая, в свою очередь, приводит к Принцип исключения Паули за фермионы И в Конденсация Бозе – Эйнштейна за бозоны. Вращательная симметрия между временем и Космос оси координат (когда одна принимается за воображаемую, а другая за действительную) приводит к Преобразования Лоренца что, в свою очередь, приводит к специальная теория относительности теория. Симметрия между инерционный и гравитационный масса приводит к общая теория относительности.

В закон обратных квадратов взаимодействий, опосредованных безмассовыми бозонами, является математическим следствием трехмерности Космос.

Одна из стратегий поиска наиболее фундаментальных законов природы - это поиск наиболее общей математической группы симметрии, которую можно применить к фундаментальным взаимодействиям.

Законы физики

Законы сохранения

Сохранение и симметрия

Основная статья: Симметрия (физика)

Законы сохранения являются фундаментальными законами, вытекающими из однородности пространства, времени и фаза, другими словами симметрия.

• Теорема Нётер: Любая величина, имеющая непрерывную дифференцируемую симметрию действия, имеет связанный закон сохранения.
• Сохранение массы был первым законом этого типа, который нужно понять, поскольку большинство макроскопических физических процессов, связанных с массами, например столкновения массивных частиц или потока жидкости, предполагают очевидное убеждение в том, что масса сохраняется. Сохранение массы наблюдалось для всех химических реакций. В общем, это только приблизительное значение, потому что с появлением теории относительности и экспериментов в ядерной физике и физике элементарных частиц: масса может быть преобразована в энергию и наоборот, поэтому масса не всегда сохраняется, а является частью более общего закона сохранения массы-энергии.
• Сохранение энергии, импульс и угловой момент для изолированных систем можно найти симметрии во времени, перевод и вращение.
• Сохранение заряда был также реализован, поскольку никогда не наблюдалось создания или уничтожения заряда, а обнаруживалось, что он перемещается только с места на место.

Преемственность и перенос

Законы сохранения можно выразить с помощью общего уравнение неразрывности (для сохраняющейся величины) может быть записано в дифференциальной форме как:

${\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}=-\nabla \cdot \mathbf {J} }$

где ρ - некоторое количество в единице объема, J это поток этого количества (изменение количества в единицу времени на единицу площади). Интуитивно расхождение (обозначается ∇ •) векторное поле представляет собой меру потока, расходящегося радиально наружу от точки, поэтому отрицательным является количество, накапливающееся в точке, следовательно, скорость изменения плотности в области пространства должна быть количеством потока, уходящего или собирающегося в некоторой области (см. основная статья для подробностей). В приведенной ниже таблице для сравнения собраны потоки, потоки для различных физических величин в переносе и связанные с ними уравнения неразрывности.

Физика, консервативное количество	Сохраненное количество q	Объемная плотность ρ (из q)	Поток J (из q)	Уравнение
Гидродинамика, жидкости	м = масса (кг)	ρ = объем плотность вещества (кг м^−3)	ρ ты, куда ты = поле скорости жидкости (мс^−1)	${\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}=-\nabla \cdot (\rho \mathbf {u} )}$
Электромагнетизм, электрический заряд	q = электрический заряд (C)	ρ = объем электрический плотность заряда (См^−3)	J = электрический плотность тока (Являюсь^−2)	${\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}=-\nabla \cdot \mathbf {J} }$
Термодинамика, энергия	E = энергия (Дж)	ты = объем плотность энергии (Дж м^−3)	q = поток горячего воздуха (Вт м^−2)	${\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial t}}=-\nabla \cdot \mathbf {q} }$
Квантовая механика, вероятность	п = (р, т) = ∫ | Ψ |^2d^3р = распределение вероятностей	ρ = ρ(р, т) = | Ψ |^2 = функция плотности вероятности (м^−3), Ψ = волновая функция квантовой системы	j = ток вероятности / поток	${\displaystyle {\frac {\partial |\Psi |^{2}}{\partial t}}=-\nabla \cdot \mathbf {j} }$

Более общие уравнения - это уравнение конвекции-диффузии и Уравнение переноса Больцмана, корни которых лежат в уравнении неразрывности.

Законы классической механики

Принцип наименьшего действия

Основная статья: Принцип наименьшего действия

Вся классическая механика, включая Законы Ньютона, Уравнения Лагранжа, Уравнения Гамильтона и т. д., можно вывести из этого очень простого принципа:

${\displaystyle \delta {\mathcal {S}}=\delta \int _{t_{1}}^{t_{2}}L(\mathbf {q} ,\mathbf {\dot {q}} ,t)dt=0}$

куда ${\displaystyle {\mathcal {S}}}$ это действие; интеграл Лагранжиан

${\displaystyle L(\mathbf {q} ,\mathbf {\dot {q}} ,t)=T(\mathbf {\dot {q}} ,t)-V(\mathbf {q} ,\mathbf {\dot {q}} ,t)}$

физической системы между двумя временами т₁ и т₂. Кинетическая энергия системы равна Т (функция скорости изменения конфигурация системы), и потенциальная энергия является V (функция конфигурации и скорости ее изменения). Конфигурация системы, имеющей N степени свободы определяется обобщенные координаты q = (q₁, q₂, ... q_N).

Есть обобщенные импульсы сопряжены с этими координатами, п = (п₁, п₂, ..., п_N), куда:

${\displaystyle p_{i}={\frac {\partial L}{\partial {\dot {q}}_{i}}}}$

И действие, и лагранжиан содержат динамику системы на все времена. Термин «путь» просто относится к кривой, начерченной системой с точки зрения обобщенные координаты в конфигурационное пространство, т.е. кривая q(т), параметризованный временем (см. также параметрическое уравнение для этой концепции).

Действие - это функциональный а не функция, поскольку он зависит от лагранжиана, а лагранжиан - от пути q(т), поэтому действие зависит от весь «форма» пути на все времена (на временном интервале от т₁ к т₂). Между двумя моментами времени существует бесконечно много путей, но тот, для которого действие является стационарным (до первого порядка), является истинным путем. Стационарное значение для весь континуум лагранжевых значений, соответствующих некоторому пути, не одно значение лагранжиана, требуется (другими словами, это нет так просто, как "дифференцировать функцию и установить ее равной нулю, а затем решить уравнения, чтобы найти точки максимумы и минимумы etc », скорее эта идея применяется ко всей« форме »функции, см. вариационное исчисление для получения более подробной информации об этой процедуре).^[11]

Уведомление L является нет полная энергия E системы из-за разницы, а не суммы:

${\displaystyle E=T+V}$

Следующее^[12][13] общие подходы к классической механике кратко излагаются ниже в порядке их установления. Это эквивалентные формулировки, Ньютона очень часто используются из-за простоты, но уравнения Гамильтона и Лагранжа являются более общими, и их диапазон может распространяться на другие области физики с соответствующими модификациями.

Законы движения
Принцип наименьшего действия: ${\displaystyle {\mathcal {S}}=\int _{t_{1}}^{t_{2}}L\,\mathrm {d} t\,\!}$
В Уравнения Эйлера – Лагранжа. находятся: ${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left({\frac {\partial L}{\partial {\dot {q}}_{i}}}\right)={\frac {\partial L}{\partial q_{i}}}}$ Используя определение обобщенного импульса, существует симметрия: ${\displaystyle p_{i}={\frac {\partial L}{\partial {\dot {q}}_{i}}}\quad {\dot {p}}_{i}={\frac {\partial L}{\partial {q}_{i}}}}$	Уравнения Гамильтона ${\displaystyle {\dfrac {\partial \mathbf {p} }{\partial t}}=-{\dfrac {\partial H}{\partial \mathbf {q} }}}$ ${\displaystyle {\dfrac {\partial \mathbf {q} }{\partial t}}={\dfrac {\partial H}{\partial \mathbf {p} }}}$ Гамильтониан как функция обобщенных координат и импульсов имеет общий вид: ${\displaystyle H(\mathbf {q} ,\mathbf {p} ,t)=\mathbf {p} \cdot \mathbf {\dot {q}} -L}$
	Уравнение Гамильтона – Якоби ${\displaystyle H\left(\mathbf {q} ,{\frac {\partial S}{\partial \mathbf {q} }},t\right)=-{\frac {\partial S}{\partial t}}}$
Законы Ньютона Законы движения Ньютона Это простые решения для относительность. Альтернативные формулировки механики Ньютона: Лагранжиан и Гамильтониан механика. Законы можно резюмировать двумя уравнениями (поскольку первое - это частный случай второго, нулевое результирующее ускорение): ${\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {p} }{\mathrm {d} t}},\quad \mathbf {F} _{ij}=-\mathbf {F} _{ji}}$ куда п = импульс тела, Fij = сила на тело я к тело j, Fджи = сила на тело j к тело я. Для динамическая система два уравнения (эффективно) объединяются в одно: ${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} \mathbf {p} _{\mathrm {i} }}{\mathrm {d} t}}=\mathbf {F} _{E}+\sum _{\mathrm {i} \neq \mathrm {j} }\mathbf {F} _{\mathrm {ij} }\,\!}$ в котором FE = результирующая внешняя сила (вызванная любым агентом, не являющимся частью системы). Тело я не оказывает на себя силы.

Из сказанного выше можно вывести любое уравнение движения в классической механике.

Следствия в механике

• Законы движения Эйлера
• Уравнения Эйлера (динамика твердого тела)

Следствия в механика жидкости

Уравнения, описывающие течение жидкости в различных ситуациях, могут быть получены с использованием приведенных выше классических уравнений движения и часто с сохранением массы, энергии и количества движения. Ниже приведены некоторые элементарные примеры.

• Принцип архимеда
• Принцип Бернулли
• Закон Пуазейля
• Закон Стокса
• Уравнения Навье – Стокса
• Закон Факсена

Законы гравитации и относительности

Некоторые из наиболее известных законов природы можно найти в Исаак Ньютон теории (сейчас) классическая механика, представленный в его Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, И в Альберт Эйнштейн с теория относительности.

Современные законы

Специальная теория относительности

Постулаты специальной теории относительности сами по себе не «законы», а предположения об их природе с точки зрения относительное движение.

Часто два говорится, что «законы физики одинаковы во всех инерциальные системы "и" скорость света постоянна ». Однако второй вариант избыточен, поскольку скорость света предсказывается Уравнения Максвелла. По сути, только один.

Указанный постулат приводит к Преобразования Лоренца - закон преобразования между двумя круг ссылок движутся относительно друг друга. Для любого 4-вектор

${\displaystyle A'=\Lambda A}$

это заменяет Преобразование Галилея закон из классической механики. Преобразования Лоренца сводятся к преобразованиям Галилея для малых скоростей, намного меньших скорости света. c.

Величины 4-векторов являются инвариантами - нет «сохраняется», но одинаково для всех инерциальных систем отсчета (т.е. каждый наблюдатель в инерциальной системе отсчета согласится с одним и тем же значением), в частности, если А это четырехимпульсный, величина может вывести известное инвариантное уравнение сохранения массы-энергии и импульса (см. инвариантная масса ):

${\displaystyle E^{2}=(pc)^{2}+(mc^{2})^{2}}$

в котором (более известный) эквивалентность массы и энергии E = MC² это особый случай.

Общая теория относительности

Общая теория относительности регулируется Уравнения поля Эйнштейна, которые описывают искривление пространства-времени из-за массы-энергии, эквивалентной гравитационному полю. Решение уравнения геометрии пространства, искривленного из-за распределения массы, дает метрический тензор. Используя уравнение геодезических, можно рассчитать движение масс, падающих по геодезическим.

Гравитомагнетизм

В относительно плоском пространстве-времени из-за слабых гравитационных полей можно найти гравитационные аналоги уравнений Максвелла; в Уравнения GEM, чтобы описать аналогичный гравитомагнитное поле. Они хорошо обоснованы теорией, а экспериментальные испытания являются основой текущих исследований.^[14]

Уравнения поля Эйнштейна (EFE): ${\displaystyle R_{\mu \nu }+\left(\Lambda -{\frac {R}{2}}\right)g_{\mu \nu }={\frac {8\pi G}{c^{4}}}T_{\mu \nu }\,\!}$ где Λ = космологическая постоянная, рμν = Тензор кривизны Риччи, Тμν = Тензор напряжения-энергии, граммμν = метрический тензор	Геодезическое уравнение: ${\displaystyle {\frac {{\rm {d}}^{2}x^{\lambda }}{{\rm {d}}t^{2}}}+\Gamma _{\mu \nu }^{\lambda }{\frac {{\rm {d}}x^{\mu }}{{\rm {d}}t}}{\frac {{\rm {d}}x^{\nu }}{{\rm {d}}t}}=0\ ,}$ где Γ - Символ Кристоффеля из второй вид, содержащий метрику.
Уравнения GEM Если грамм гравитационное поле и ЧАС В гравитомагнитном поле решениями в этих пределах являются: ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {g} =-4\pi G\rho \,\!}$ ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {H} =\mathbf {0} \,\!}$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {g} =-{\frac {\partial \mathbf {H} }{\partial t}}\,\!}$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {H} ={\frac {4}{c^{2}}}\left(-4\pi G\mathbf {J} +{\frac {\partial \mathbf {g} }{\partial t}}\right)\,\!}$ где ρ - плотность вещества и J - массовая плотность тока или массовый поток.
Кроме того, есть гравитомагнитная сила Лоренца: ${\displaystyle \mathbf {F} =\gamma (\mathbf {v} )m\left(\mathbf {g} +\mathbf {v} \times \mathbf {H} \right)}$ куда м это масса покоя частицы, а γ - Фактор Лоренца.

Классические законы

Основные статьи: Законы движения планет Кеплера и Закон всемирного тяготения Ньютона

Законы Кеплера, хотя первоначально были обнаружены в результате планетных наблюдений (также из-за Тихо Браге ), верны для любых центральные силы.^[15]

Закон всемирного тяготения Ньютона: Для двухточечных масс: ${\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {Gm_{1}m_{2}}{\left|\mathbf {r} \right|^{2}}}\mathbf {\hat {r}} \,\!}$ При неоднородном массовом распределении локальной плотности массы ρ (р) тела объема V, это становится: ${\displaystyle \mathbf {g} =G\int _{V}{\frac {\mathbf {r} \rho \mathrm {d} {V}}{\left|\mathbf {r} \right|^{3}}}\,\!}$	Закон Гаусса для гравитации: Эквивалентное утверждение закона Ньютона: ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {g} =4\pi G\rho \,\!}$
1-й закон Кеплера: Планеты движутся по эллипсу со звездой в фокусе ${\displaystyle r={\frac {l}{1+e\cos \theta }}\,\!}$ куда ${\displaystyle e={\sqrt {1-(b/a)^{2}}}}$ это эксцентриситет эллиптической орбиты, большой полуоси а и малая полуось б, и л представляет собой прямую половину прямой кишки. Само по себе это уравнение не является физически фундаментальным; просто полярное уравнение из эллипс в котором полюс (начало полярной системы координат) расположен в фокусе эллипса, где находится вращающаяся звезда.
2-й закон Кеплера: равные площади выметаются за одинаковое время (площадь, ограниченная двумя радиальными расстояниями и окружностью орбиты): ${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} A}{\mathrm {d} t}}={\frac {\left|\mathbf {L} \right|}{2m}}\,\!}$ куда L орбитальный угловой момент частицы (т.е. планеты) с массой м о фокусе орбиты,
3-й закон Кеплера: Квадрат орбитального периода времени Т пропорциональна кубу большой полуоси а: ${\displaystyle T^{2}={\frac {4\pi ^{2}}{G\left(m+M\right)}}a^{3}\,\!}$ куда M масса центрального тела (т.е. звезды).

Термодинамика

Законы термодинамики
Первый закон термодинамики: Изменение внутренней энергии dU в закрытой системе полностью объясняется теплотой δQ поглощается системой, а работа δW выполняется системой: ${\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,}$ Второй закон термодинамики: Есть много формулировок этого закона, возможно, самое простое - «энтропия изолированных систем никогда не уменьшается», ${\displaystyle \Delta S\geq 0}$ это означает, что обратимые изменения имеют нулевое изменение энтропии, необратимые процессы положительны, а невозможные процессы отрицательны.	Нулевой закон термодинамики: Если две системы находятся в тепловое равновесие с третьей системой они находятся в тепловом равновесии друг с другом. ${\displaystyle T_{A}=T_{B}\,,T_{B}=T_{C}\Rightarrow T_{A}=T_{C}\,\!}$ Третий закон термодинамики: Поскольку температура Т системы приближается к абсолютному нулю, энтропия S приближается к минимальному значению C: в качестве Т → 0, S → C.
Для однородных систем первый и второй закон можно объединить в Фундаментальное термодинамическое соотношение: ${\displaystyle \mathrm {d} U=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V+\sum _{i}\mu _{i}\mathrm {d} N_{i}\,\!}$
Взаимные отношения Онзагера: иногда называют Четвертый закон термодинамики ${\displaystyle \mathbf {J} _{u}=L_{uu}\,\nabla (1/T)-L_{ur}\,\nabla (m/T)\!}$; ${\displaystyle \mathbf {J} _{r}=L_{ru}\,\nabla (1/T)-L_{rr}\,\nabla (m/T)\!}$.

• Закон охлаждения Ньютона
• Закон Фурье
• Закон идеального газа, объединяет ряд отдельно разработанных газовых законов;
  • Закон Бойля
  • Закон Чарльза
  • Закон Гей-Люссака
  • Закон Авогадро, в один

теперь улучшено другими уравнения состояния

• Закон Дальтона (парциальных давлений)
• Уравнение Больцмана
• Теорема Карно
• Закон Коппа

Электромагнетизм

Уравнения Максвелла дать временную эволюцию электрический и магнитный поля из-за электрический заряд и Текущий раздачи. Учитывая поля, Сила Лоренца закон это уравнение движения для сборов в полях.

Уравнения Максвелла Закон Гаусса для электричества ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}}$ Закон Гаусса для магнетизма ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}$ Закон Фарадея ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$ Обходной закон Ампера (с поправкой Максвелла) ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} +{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\ }$

Сила Лоренца закон: ${\displaystyle \mathbf {F} =q\left(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} \right)}$

Квантовая электродинамика (QED): Уравнения Максвелла в целом верны и согласуются с теорией относительности, но они не предсказывают некоторые наблюдаемые квантовые явления (например, распространение света как Электромагнитные волны, скорее, чем фотоны, видеть Уравнения Максвелла подробнее). Они модифицированы в теории КЭД.

Эти уравнения можно изменить, чтобы включить магнитные монополи, и согласуются с нашими наблюдениями монополей, существующих или не существующих; если они не существуют, обобщенные уравнения сводятся к приведенным выше, если они есть, уравнения становятся полностью симметричными по электрическим и магнитным зарядам и токам. В самом деле, существует преобразование двойственности, при котором электрические и магнитные заряды могут «вращаться друг в друге» и при этом удовлетворять уравнениям Максвелла.

Пре-Максвелла законы

Эти законы были найдены до формулировки уравнений Максвелла. Они не являются фундаментальными, поскольку могут быть выведены из уравнений Максвелла. Закон Кулона можно найти из закона Гаусса (электростатическая форма), а закон Био – Савара можно вывести из закона Ампера (магнитостатическая форма). Закон Ленца и закон Фарадея могут быть включены в уравнение Максвелла-Фарадея. Тем не менее, они по-прежнему очень эффективны для простых вычислений.

• Закон Ленца
• Закон Кулона
• Закон Био – Савара

Прочие законы

• Закон Ома
• Законы Кирхгофа
• Закон Джоуля

Фотоника

Классически оптика основан на вариационный принцип: свет перемещается из одной точки пространства в другую за кратчайшее время.

• Принцип Ферма

В геометрическая оптика законы основаны на приближениях в евклидовой геометрии (например, параксиальное приближение ).

• Закон отражения
• Закон преломления, Закон Снеллиуса

В физическая оптика, законы основаны на физических свойствах материалов.

• Угол Брюстера
• Закон малуса
• Закон Бера – Ламберта

В действительности оптические свойства материи значительно сложнее и требуют квантовой механики.

Законы квантовой механики

Квантовая механика уходит корнями в постулаты. Это приводит к результатам, которые обычно не называют «законами», но имеют тот же статус, поскольку вся квантовая механика следует из них.

Один постулат, что частица (или система многих частиц) описывается волновая функция, и это удовлетворяет квантовому волновому уравнению: а именно Уравнение Шредингера (которое может быть записано как нерелятивистское волновое уравнение, или релятивистское волновое уравнение ). Решение этого волнового уравнения предсказывает эволюцию поведения системы во времени, аналогично решению законов Ньютона в классической механике.

Другие постулаты меняют представление о физических наблюдаемых; с помощью квантовые операторы; некоторые измерения невозможно провести в один и тот же момент времени (Принципы неопределенности ) частицы принципиально неотличимы. Другой постулат; в коллапс волновой функции постулат, противоречит обычной идее измерения в науке.

Квантовая механика, Квантовая теория поля Уравнение Шредингера (общая форма): Описывает временную зависимость квантово-механической системы. ${\displaystyle i\hbar {\frac {d}{dt}}\left|\psi \right\rangle ={\hat {H}}\left|\psi \right\rangle }$ В Гамильтониан (в квантовой механике) ЧАС это самосопряженный оператор действуя в пространстве состояний, ${\displaystyle |\psi \rangle }$ (видеть Обозначение Дирака ) является мгновенным вектор квантового состояния вовремя т, позиция р, я это единица мнимое число, час = час/ 2π - приведенная Постоянная Планка.	Дуальность волна-частица Закон Планка – Эйнштейна: в энергия из фотоны пропорционально частота света (постоянная Постоянная Планка, час). ${\displaystyle E=h\nu =\hbar \omega }$ Длина волны де Бройля: это заложило основы дуализма волна-частица и было ключевым понятием в Уравнение Шредингера, ${\displaystyle \mathbf {p} ={\frac {h}{\lambda }}\mathbf {\hat {k}} =\hbar \mathbf {k} }$ Принцип неопределенности Гейзенберга: Неопределенность в положении, умноженном на неопределенность в импульс составляет не менее половины приведенная постоянная Планка, аналогично для времени и энергия; ${\displaystyle \Delta x\Delta p\geq {\frac {\hbar }{2}},\,\Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}}$ Принцип неопределенности может быть обобщен на любую пару наблюдаемых - см. Основную статью.
Волновая механика Уравнение Шредингера (исходная форма): ${\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\psi =-{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\nabla ^{2}\psi +V\psi }$
Принцип исключения Паули: Нет двух одинаковых фермионы может занимать одно и то же квантовое состояние (бозоны может). Математически, если две частицы поменять местами, фермионные волновые функции антисимметричны, а бозонные волновые функции симметричны: ${\displaystyle \psi (\cdots \mathbf {r} _{i}\cdots \mathbf {r} _{j}\cdots )=(-1)^{2s}\psi (\cdots \mathbf {r} _{j}\cdots \mathbf {r} _{i}\cdots )}$ куда ря это положение частицы я, и s это вращение частицы. Невозможно отслеживать частицы физически, метки используются только математически, чтобы избежать путаницы.

Радиационные законы

Применяя к атомам и молекулам электромагнетизм, термодинамику и квантовую механику, некоторые законы электромагнитное излучение и свет следующие.

• Закон Стефана-Больцмана
• Закон планка излучения черного тела
• Закон смещения Вина
• Закон радиоактивного распада

Законы химии

Основная статья: Химическое право

Химические законы те законы природы относится к химия. Исторически наблюдения привели к появлению множества эмпирических законов, хотя теперь известно, что химия имеет свои основы в квантовая механика.

Количественный анализ

Самым фундаментальным понятием в химии является закон сохранения массы, который утверждает, что нет заметного изменения количества вещества во время обычного химическая реакция. Современная физика показывает, что это действительно энергия что сохраняется, и что энергия и масса связаны; концепция, которая становится важной в ядерная химия. Сохранение энергии приводит к важным концепциям равновесие, термодинамика, и кинетика.

Дополнительные законы химии развивают закон сохранения массы. Джозеф Пруст с закон определенного состава говорит, что чистые химические вещества состоят из элементов в определенном составе; Теперь мы знаем, что структурное расположение этих элементов также важно.

Далтон с закон множественных пропорций говорит, что эти химические вещества будут представлены в небольших целых числах; хотя во многих системах (особенно биомакромолекулы и минералы ) отношения обычно требуют больших чисел и часто представлены в виде дроби.

Закон определенного состава и закон кратных пропорций - первые два из трех законов стехиометрия, пропорции, в которых химические элементы объединяются в химические соединения. Третий закон стехиометрии - это закон взаимных пропорций, что дает основу для установления эквивалентные веса для каждого химического элемента. Затем можно использовать элементарные эквивалентные веса для получения атомные веса для каждого элемента.

Более современные законы химии определяют взаимосвязь между энергией и ее преобразованиями.

Кинетика реакции и равновесие

• В равновесии молекулы существуют в смеси, определяемой превращениями, возможными на временной шкале равновесия, и находятся в соотношении, определяемом внутренней энергией молекул - чем ниже собственная энергия, тем более многочисленна молекула. Принцип Ле Шателье утверждает, что система противостоит изменениям условий из состояний равновесия, то есть существует противодействие изменению состояния равновесной реакции.
• Преобразование одной структуры в другую требует ввода энергии для преодоления энергетического барьера; это может происходить из внутренней энергии самих молекул или из внешнего источника, который обычно ускоряет превращения. Чем выше энергетический барьер, тем медленнее происходит превращение.
• Есть гипотетический промежуточный результат, или переходная структура, что соответствует структуре на вершине энергетического барьера. В Постулат Хаммонда – Леффлера утверждает, что эта структура больше всего похожа на продукт или исходный материал, имеющий внутреннюю энергию, наиболее близкую к энергии энергетического барьера. Стабилизация этого гипотетического промежуточного продукта посредством химического взаимодействия - один из способов достижения катализ.
• Все химические процессы обратимы (закон микроскопическая обратимость ) хотя некоторые процессы имеют такой энергетический сдвиг, они по существу необратимы.
• Скорость реакции имеет математический параметр, известный как константа скорости. В Уравнение Аррениуса дает температуру и энергия активации зависимость константы скорости, эмпирический закон.

Термохимия

• Закон Дюлонга – Пети
• Уравнение Гиббса – Гельмгольца.
• Закон Гесса

Газовые законы

• Закон Рауля
• Закон Генри

Химический транспорт

• Законы диффузии Фика
• Закон Грэма
• Уравнение Ламма

Законы биологии

Основная статья: Биологические правила

Законы геологии

• Закон Арчи
• Закон покупателя-бюллетеня
• Закон березы
• Закон Байерли
• Принцип изначальной горизонтальности
• Закон суперпозиции
• Принцип боковой непрерывности
• Принцип сквозных отношений
• Принцип преемственности фауны
• Принцип включений и компонентов
• Закон Вальтера

Другие поля

Немного математический теоремы и аксиомы называются законами, потому что они обеспечивают логическое основание для эмпирических законов.

Примеры других наблюдаемых явлений, иногда описываемых как законы, включают Закон Тициуса – Боде позиций планет, Закон Ципфа лингвистики и Закон Мура технологического роста. Многие из этих законов подпадают под действие неудобная наука. Другие законы прагматичны и основаны на наблюдении, например закон непредвиденных последствий. По аналогии, принципы в других областях исследования иногда вольно называют «законами». К ним относятся бритва Оккама как принцип философии и Принцип Парето экономики.

История

Наблюдение за закономерностями природы восходит к доисторический раз, поскольку признание причинно-следственных связей - это неявное признание существования законов природы. Признание таких закономерностей, как независимые научные законы как таковой однако ограничивалась их запутанностью в анимизм, и приписыванием многих эффектов, не имеющих очевидных причин, таких как физический явления - к действиям боги, духи, сверхъестественные существа и т. д. Наблюдения и размышления о природе были тесно связаны с метафизикой и моралью.

В Европе систематическое теоретизирование о природе (физический ) началось с раннего Греческие философы и ученые и продолжил в Эллинистический и Римский имперский периоды, в течение которых интеллектуальное влияние римского права становилось все более важным.

Формула «закон природы» впервые появляется как «живая метафора», которую предпочитают латинские поэты. Лукреций, Вергилий, Овидий, Манилий, со временем получив прочное теоретическое присутствие в прозаических трактатах Сенека и Плиний. Почему это римское происхождение? Согласно убедительному рассказу [историка и классика Дарина] Лехукса,^[16] идея стала возможной благодаря ключевой роли кодифицированного права и судебной аргументации в римской жизни и культуре.

Для римлян. . . главным местом, где пересекаются этика, право, природа, религия и политика, является суд. Когда мы читаем Сенеки Естественные вопросы и снова и снова наблюдая за тем, как он применяет стандарты доказательств, оценки свидетелей, аргументов и доказательств, мы можем признать, что читаем одного из великих римских риторов того времени, полностью погруженного в методы судебной экспертизы. И не только Сенека. Юридические модели научного суждения появляются повсюду и, например, оказываются в равной степени неотъемлемой частью Птолемей подход к проверке, где разум отводится роль магистрата, чувства - раскрытия доказательств, а диалектический разум - самого закона.^[17]

Точная формулировка того, что сейчас признано современными и достоверными формулировками законов природы, восходит к XVII веку в Европе, с началом точных экспериментов и развития передовых форм математики. В течение этого периода, натурфилософы Такие как Исаак Ньютон находились под влиянием религиозного взгляда, согласно которому Бог установил абсолютные, универсальные и неизменные физические законы.^[18][19] В главе 7 книги Мир, Рене Декарт описал «природу» как саму материю, неизменную, как созданную Богом, поэтому изменения в частях «должны быть приписаны природе. Правила, согласно которым происходят эти изменения, я называю« законами природы »».^[20] Современный научный метод которая сложилась в это время (с Френсис Бэкон и Галилео ), направленный на полное отделение науки от богословия с минимальными предположениями о метафизика и этика. Естественный закон в политическом смысле, задуманный как универсальный (т.е. отделенный от сектантской религии и случайностей места), также был разработан в этот период ( Гроций, Спиноза, и Гоббс, назвать несколько).

Различие между естественный закон в политико-правовом смысле и закон природы или физический закон в научном смысле является современным, оба понятия в равной степени вытекают из физический, греческое слово (переводится на латынь как природа) за природа.^[21]

Смотрите также

• Эмпирический метод
• Эмпирические исследования
• Эмпирические статистические законы
• Список законов
• Гипотеза
• Закон (принцип)
• Философия науки
• Физическая постоянная
• Научные законы названы в честь людей
• Теория

Рекомендации

1. "Закон природы". Оксфордский словарь английского языка (Интернет-изд.). Издательство Оксфордского университета. (Подписка или членство участвующего учреждения требуется.)
2. Уильям Ф. МакКомас (30 декабря 2013 г.). Язык естественнонаучного образования: расширенный глоссарий ключевых терминов и понятий в преподавании естественных наук и обучении. Springer Science & Business Media. п. 58. ISBN  978-94-6209-497-0.
3. "Определения из". NCSE. Получено 2019-03-18.
4. «Роль теории в развитии биологии 21 века: катализатор трансформационных исследований» (PDF). Краткий отчет. Национальная академия наук. 2007 г.
5. Гулд, Стивен Джей (1981-05-01). «Эволюция как факт и теория». Обнаружить. 2 (5): 34–37.
6. Хондерих, Байк, изд. (1995), «Законы, естественные или научные», Оксфордский компаньон философии, Oxford: Oxford University Press, стр.474–476, ISBN  0-19-866132-0
7. "Закон природы". Оксфордский словарь английского языка (Интернет-изд.). Издательство Оксфордского университета. (Подписка или членство участвующего учреждения требуется.)
8. Дэвис, Пол (2005). Разум Бога: научная основа рационального мира (1-е изд. Simon & Schuster PBK.). Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN  978-0-671-79718-8.
9. Фейнман, Ричард (1994). Характер физического закона (Современная библиотека ред.). Нью-Йорк: Современная библиотека. ISBN  978-0-679-60127-2.
10. Эндрю С. К. Эренберг (1993), "Даже в социальных науках есть законы ", Природа, 365: 6445 (30), стр. 385.(требуется подписка)
11. Лекции Фейнмана по физике: Том 2, Р. П. Фейнман, Р. Б. Лейтон, М. Сэндс, Эддисон-Уэсли, 1964, ISBN  0-201-02117-X
12. Энциклопедия физики (2-е издание), R.G. Лернер, Г.Л. Тригг, VHC Publishers, 1991, ISBN (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1 (VHC Inc.) 0-89573-752-3
13. Классическая механика, T.W.B. Киббл, European Physics Series, McGraw-Hill (Великобритания), 1973, ISBN  0-07-084018-0
14. Гравитация и инерция, И. Чуфолини, Я.А. Уиллер, Princeton Physics Series, 1995, ISBN  0-691-03323-4
15. 2. ^ Классическая механика, T.W.B. Киббл, European Physics Series, McGraw-Hill (Великобритания), 1973, ISBN  0-07-084018-0
16. в Дарине Лехоуксе, Что знали римляне? Исследование науки и создания миров (Чикаго: University of Chicago Press, 2012), рассмотрено Дэвидом Седли, «Когда природа получила свои законы», Литературное приложение Times (12 октября 2012 г.).
17. Седли, "Когда природа получила свои законы", Литературное приложение Times (12 октября 2012 г.).
18. Дэвис, Пол (2007-11-24). «Принимая науку на веру». Нью-Йорк Таймс. ISSN  0362-4331. Получено 2016-10-07.
19. Харрисон, Питер (8 мая 2012 г.). «Христианство и подъем западной науки». ABC.
20. «Космологическая революция V: Декарт и Ньютон». bertie.ccsu.edu. Получено 2016-11-17.
21. Некоторые современные философы, например Норман Шварц, используйте «физический закон» для обозначения законов природы такими, какие они есть на самом деле, а не так, как они предполагаются учеными. См. Норман Шварц, Понятие физического закона (Нью-Йорк: издательство Кембриджского университета), 1985. Второе издание доступно в Интернете. [1].

дальнейшее чтение

• Джон Барроу (1991). Теории всего: поиски окончательных объяснений. (ISBN  0-449-90738-4)
• Дилворт, Крейг (2007). «Приложение IV. О природе научных законов и теорий». Научный прогресс: исследование о природе связи между последовательными научными теориями (4-е изд.). Дордрехт: Springer Verlag. ISBN  978-1-4020-6353-4.
• Френсис Бэкон (1620). Novum Organum.
• Ганзель, Игорь (1999). Концепция научного права в философии науки и эпистемологии: исследование теоретического разума. Дордрехт [u.a.]: Клувер. ISBN  978-0-7923-5852-7.
• Дарин Лехоукс (2012). Что знали римляне? Исследование науки и создания миров. Издательство Чикагского университета. (ISBN  9780226471143)
• Нагель, Эрнест (1984). «5. Экспериментальные законы и теории». Структура научных проблем в логике научного объяснения (2-е изд.). Индианаполис: Хакетт. ISBN  978-0-915144-71-6.
• Р. Пенроуз (2007). Дорога к реальности. Винтажные книги. ISBN  978-0-679-77631-4.
• Шварц, Норман (20 февраля 2009 г.). "Законы природы". Интернет-энциклопедия философии. Получено 7 мая 2012.

внешняя ссылка

• Формуляр по физике, полезная книга в разных форматах, содержащая множество физических законов и формул.
• Eformulae.com, веб-сайт, содержащий большинство формул по разным дисциплинам.
• СМИ, связанные с Научные законы в Wikimedia Commons
• Стэнфордская энциклопедия философии: "Законы природы" Джона В. Кэрролла.
• Бааки, Белал Э. «Законы физики: учебник». Основной учебный план, Национальный университет Сингапура.
• Фрэнсис, Эрик Макс. «Список законов».. Физика. Системы Альциона
• Пазамета, Зоран. «Законы природы». Комитет по научному исследованию претензий о паранормальных явлениях.
• Интернет-энциклопедия философии. "Законы природы" - К Норман Шварц
• "Законы природы", В наше время, Обсуждение BBC Radio 4 с Марком Бьюкененом, Фрэнком Клоузом и Нэнси Картрайт (19 октября 2000 г.)