08-06-2023, 12:56 PM
القوانين العلمية أو قوانين العلوم (بالإنجليزية: Scientific law)، عبارة عن بيانات، تستند إلى تجارب أو ملاحظات متكررة، تصف أو تتنبأ بمجموعة من الظواهر الطبيعية. مصطلح القانون له استخدامات متنوعة في كثير من الحالات (تقريبية، دقيقة، واسعة، أو ضيقة) في جميع مجالات العلوم الطبيعية (الفيزياء، الكيمياء، علم الفلك، علوم الأرض، علم الأحياء). يتم تطوير القوانين من البيانات ويمكن تطويرها من خلال الرياضيات؛ في جميع الحالات تستند بشكل مباشر أو غير مباشر إلى الأدلة التجريبية. من المفهوم عمومًا أنها تعكس ضمنيًا، على الرغم من أنها لا تؤكد صراحة، العلاقات السببية الأساسية للواقع، ويتم اكتشافها بدلاً من اختراعها.
القانون الفيزيائي أو القانون العلمي (أحيانا قانون الطبيعة) هو عبارة عن تعميم علمي يستند إلى رصد وملاحظة تجريبية للسلوك الفيزيائي. تكون هذه القوانين عادة عبارة عن استنتاجات تستند إلى تجارب علمية تمت على مر فترة زمنية طويلة فأصبحت مقبولة بشكل عام ضمن المجتمع العلمي.
هناك محاولات علمية مستمرة إلى تلخيص وصف الطبيعة ضمن مجموعة محدودة من القوانين العلمية، مؤخرا برز اهتمام شديد لوضع مثل هذا الوصف الشامل للطبيعة ضمن نظرية كل شيء.
يحاول القانون العلمي أن يصف تصرف الأجسام الطبيعية التي يفترض أنها تطيع هذه القوانين فطريا، مختلفة بذلك عن مفهوم القانون سواء كان الشرعي الديني أو القانون الوضعي الذي يضعه الإنسان.
تلخص القوانين العلمية نتائج التجارب أو الملاحظات، عادة ضمن نطاق معين من التطبيق. بشكل عام، لا تتغير دقة القانون عند وضع نظرية جديدة للظاهرة ذات الصلة، بل تتغير نطاق تطبيق القانون، لأن الرياضيات أو البيان الذي يمثل القانون لا يتغير. كما هو الحال مع الأنواع الأخرى من المعرفة العلمية، لا تعبر القوانين العلمية عن اليقين المطلق، كما تفعل النظريات الرياضية أو الهويات. قد يتعارض قانون علمي مع الملاحظات المستقبلية أو تقييدها أو تمديدها.
يمكن عادة صياغة القانون على هيئة جملة واحدة أو عدة معادلات أو معادلات، بحيث يمكنه التنبؤ بنتيجة التجربة. تختلف القوانين عن الفرضيات والمسلمات، التي يتم اقتراحها أثناء العملية العلمية قبل وأثناء التحقق من الصحة عن طريق التجربة والملاحظة. الفرضيات والمسلمات ليست قوانين، حيث لم يتم التحقق منها بنفس الدرجة، على الرغم من أنها قد تؤدي إلى صياغة القوانين. القوانين أضيق نطاقًا من النظريات العلمية، والتي قد تستلزم قانونًا واحدًا أو عدة قوانين. يميز العلم القانون أو النظرية عن الحقائق. وصف القانون بأنه حقيقة هو أمر غامض أو مبالغة أو مراوغة. تمت مناقشة طبيعة القوانين العلمية كثيرًا في الفلسفة، ولكن القوانين العلمية في جوهرها هي مجرد استنتاجات تجريبية تم التوصل إليها من خلال المنهج العلمي. لا يُقصد منها أن تكون محملة بالالتزامات الوجودية أو بيانات المطلق المنطقي.
ملخص :
يطبق القانون العلمي دائمًا على نظام مادي في ظل ظروف متكررة، ويعني ضمنيًا أن هناك علاقة سببية تتضمن عناصر النظام. تعتبر البيانات الواقعية والمؤكدة جيدًا مثل «الزئبق سائل عند درجة حرارة وضغط قياسيين» محددة جدًا بحيث لا يمكن تصنيفها كقوانين علمية. المشكلة المركزية في فلسفة العلم، بالعودة إلى ديفيد هيوم، هي مشكلة التمييز بين العلاقات السببية (مثل تلك التي تنص عليها القوانين) من المبادئ التي تنشأ بسبب الاقتران المستمر.
تختلف القوانين عن النظريات العلمية من حيث أنها لا تطرح آلية أو تفسيرًا للظواهر: إنها مجرد تقطير لنتائج الملاحظة المتكررة. على هذا النحو، يقتصر تطبيق القانون على ظروف مشابهة لتلك التي لوحظت بالفعل، وقد يتبين أن القانون غير صحيح عند استقراءه. قانون أوم ينطبق فقط على الشبكات الخطية؛ قانون نيوتن للجاذبية الكونية ينطبق فقط في مجالات الجاذبية الضعيفة؛ القوانين الأولى من الديناميكا الهوائية، مثل مبدأ برنولي لا تنطبق، في حالة تدفق للانضغاط مثلما يحدث في أسرع من الصوت وأسرع من الصوت الرحلة. قانون هوك ينطبق فقط على سلالة أقل من الحد مرونة. ينطبق قانون بويل بدقة كاملة فقط على الغاز المثالي، إلخ. تظل هذه القوانين مفيدة، ولكن فقط في ظل الشروط المحددة التي تنطبق عليها.
تتخذ العديد من القوانين أشكالًا رياضية، وبالتالي يمكن ذكرها كمعادلة؛ على سبيل المثال، يمكن كتابة قانون حفظ الطاقة
{\displaystyle \Delta E=0}، أين
E هو إجمالي كمية الطاقة في الكون. وبالمثل، يمكن كتابة القانون الأول للديناميكا الحرارية
{\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,}، ويمكن كتابة قانون نيوتن الثاني
{\displaystyle F=}dp⁄dt . بينما تشرح هذه القوانين العلمية ما تدركه حواسنا، فهي لا تزال تجريبية (مكتسبة عن طريق الملاحظة أو التجربة العلمية) وبالتالي فهي ليست مثل النظريات الرياضية التي يمكن إثباتها من خلال الرياضيات فقط.
مثل النظريات والفرضيات، القوانين تقوم بالتنبؤات. على وجه التحديد، يتوقعون أن الملاحظات الجديدة سوف تتوافق مع القانون المحدد. يمكن تزوير القوانين إذا وجد أنها تتعارض مع البيانات الجديدة.
بعض القوانين هي فقط تقريب لقوانين أخرى أكثر عمومية، وهي تقريبية جيدة مع مجال مقيد للتطبيق. على سبيل المثال، الديناميكيات النيوتونية (التي تستند إلى التحولات الجليلية) هي حد السرعة المنخفضة للنسبية الخاصة (نظرًا لأن التحول الجاليلي هو تقريب منخفض السرعة لتحويل لورينتز). وبالمثل، فإن قانون الجاذبية النيوتونية هو تقريب منخفض الكتلة للنسبية العامة، وقانون كولوم هو تقريب للديناميكا الكهربية الكمية على مسافات كبيرة (مقارنة بمدى التفاعلات الضعيفة). في مثل هذه الحالات، من الشائع استخدام نسخ أبسط وتقريبية للقوانين، بدلاً من القوانين العامة الأكثر دقة.
تخضع القوانين باستمرار للاختبار التجريبي لدرجات متزايدة من الدقة، وهو أحد الأهداف الرئيسية للعلم. حقيقة أن القوانين لم يسبق أن تم انتهاكها لا تمنع اختبارها بدقة متزايدة أو في أنواع جديدة من الظروف لتأكيد ما إذا كانت مستمرة، أو ما إذا كانت تنتهك، وما يمكن اكتشافه في هذه العملية. من الممكن دائمًا إبطال القوانين أو إثبات وجود قيود عليها، من خلال الأدلة التجريبية القابلة للتكرار، في حالة مراعاة أي منها. لقد تم بالفعل إبطال القوانين الراسخة في بعض الحالات الخاصة، لكن الصيغ الجديدة التي تم إنشاؤها لشرح التناقضات تعمم على النسخ الأصلية بدلاً من الإطاحة بها. وهذا يعني أن القوانين المبطلة قد وُجدت على أنها تقديرات تقريبية فقط، حيث يجب إضافة مصطلحات أو عوامل أخرى لتغطية الظروف التي لم يتم احتسابها سابقًا، على سبيل المثال المقاييس الكبيرة جدًا أو الصغيرة جدًا للزمان أو المكان، أو السرعات أو الكتل الهائلة، إلخ. . وبالتالي، بدلاً من المعرفة غير المتغيرة، يُنظر إلى القوانين الفيزيائية بشكل أفضل على أنها سلسلة من التعميمات المحسنة والأكثر دقة.
الخصائص:
عادةً ما تكون القوانين العلمية عبارة عن استنتاجات تستند إلى التجارب والملاحظات العلمية المتكررة على مدار سنوات عديدة والتي أصبحت مقبولة عالميًا في المجتمع العلمي. القانون العلمي «يُستدل عليه من حقائق معينة، وينطبق على مجموعة محددة أو فئة من الظواهر، ويمكن التعبير عنه من خلال بيان أن ظاهرة معينة تحدث دائمًا في حالة وجود ظروف معينة». يعد إنتاج وصف موجز لبيئتنا في شكل مثل هذه القوانين هدفًا أساسيًا للعلم.
تم تحديد العديد من الخصائص العامة للقوانين العلمية، خاصة عند الإشارة إلى القوانين في الفيزياء. القوانين العلمية هي:
صحيح، على الأقل ضمن نظام صلاحيتها. بحكم التعريف، لم تكن هناك أبدًا ملاحظات متناقضة قابلة للتكرار.
عالمي. يبدو أنها تنطبق في كل مكان في الكون.
بسيط. يتم التعبير عنها عادة من حيث معادلة رياضية واحدة.
مطلق. لا يبدو أن شيئًا في الكون يؤثر عليهم.
مستقر. لم تتغير منذ اكتشافها لأول مرة (على الرغم من أنها قد تكون قد ثبت أنها تقريبية لقوانين أكثر دقة)،
شامل للجميع. يبدو أن كل شيء في الكون يجب أن يمتثل لها (وفقًا للملاحظات).
عموما متحفظة من الكمية.
غالبًا تعبيرات عن التجانس (التناظرات) الموجودة في المكان والزمان.
عادةً ما يكون قابلاً للعكس من الناحية النظرية في الوقت (إذا كان غير كمي)، على الرغم من أن الوقت نفسه لا رجوع فيه.
واسع. في الفيزياء، تشير القوانين حصريًا إلى المجال الواسع للمادة والحركة والطاقة والقوة نفسها، بدلاً من أنظمة أكثر تحديدًا في الكون، مثل الأنظمة الحية، أي آليات الجسم البشري.
يرتبط مصطلح «القانون العلمي» تقليديًا بالعلوم الطبيعية، على الرغم من أن العلوم الاجتماعية تحتوي أيضًا على قوانين. على سبيل المثال، قانون Zipf هو قانون في العلوم الاجتماعية يعتمد على الإحصاء الرياضي. في هذه الحالات، قد تصف القوانين الاتجاهات العامة أو السلوكيات المتوقعة بدلاً من كونها مطلقة.
في العلوم الطبيعية، أصبحت تأكيدات الاستحالة مقبولة على نطاق واسع باعتبارها محتملة إلى حد كبير بدلاً من اعتبارها مثبتة لدرجة أنها غير قابلة للتحدي. أساس هذا القبول القوي هو مزيج من الأدلة الشاملة على أن شيئًا ما لا يحدث، جنبًا إلى جنب مع نظرية أساسية، ناجحة جدًا في صنع التنبؤات، والتي تؤدي افتراضاتها منطقيًا إلى استنتاج أن شيئًا ما مستحيل. في حين أن تأكيد استحالة العلوم الطبيعية لا يمكن أبدًا إثباته تمامًا، إلا أنه يمكن دحضه بملاحظة مثال مضاد واحد. يتطلب مثل هذا المثال المضاد إعادة فحص الافتراضات التي تقوم عليها النظرية التي تضمنت الاستحالة.
بعض الأمثلة على المستحيلات المقبولة على نطاق واسع في الفيزياء هي آلات الحركة الدائمة، التي تنتهك قانون الحفاظ على الطاقة، وتتجاوز سرعة الضوء، والتي تنتهك الآثار المترتبة على النسبية الخاصة، مبدأ عدم اليقين لميكانيكا الكم، الذي يؤكد استحالة المعرفة في وقت واحد كل من موضع الجسيم وزخمه، ونظرية بيل: لا يمكن لأي نظرية فيزيائية للمتغيرات المخفية المحلية أن تعيد إنتاج كل تنبؤات ميكانيكا الكم.
القوانين نتيجة للتماثلات الرياضية:
تعكس بعض القوانين التناظرات الرياضية الموجودة في الطبيعة (على سبيل المثال، يعكس مبدأ استبعاد باولي هوية الإلكترونات، وتعكس قوانين الحفظ تجانس المكان والزمان وتعكس تحويلات لورينتز التناظر الدوراني للزمكان). العديد من القوانين الفيزيائية الأساسية هي عواقب رياضية لتماثلات مختلفة في المكان والزمان أو جوانب أخرى من الطبيعة. على وجه التحديد، تربط نظرية نويثر بعض قوانين الحفظ بتماثلات معينة. على سبيل المثال، الحفاظ على الطاقة هو نتيجة لتناظر التحول للوقت (لا توجد لحظة من الزمن تختلف عن أي لحظة أخرى)، في حين أن الحفاظ على الزخم هو نتيجة لتماثل (تجانس) الفضاء (لا يوجد مكان في الفضاء خاص، أو تختلف عن أي دولة أخرى). ينتج عن عدم القدرة على التمييز بين جميع الجسيمات من كل نوع أساسي (على سبيل المثال، الإلكترونات، أو الفوتونات) إحصائيات ديراك وبوز الكمومية والتي بدورها تؤدي إلى مبدأ استبعاد باولي للفرميونات وفي تكثيف بوز آينشتاين للبوزونات. التناظر الدوراني بين محاور إحداثيات الزمان والمكان (عندما يتم اعتبار أحدهما تخيليًا والآخر حقيقيًا) ينتج عنه تحولات لورينتز والتي بدورها تؤدي إلى نظرية النسبية الخاصة. ينتج عن التناسق بين كتلة القصور الذاتي وكتلة الجاذبية النسبية العامة.
قانون التربيع العكسي للتفاعلات بوساطة بوزونات عديمة الكتلة هو النتيجة الرياضية للأبعاد الثلاثة للفضاء.
تتمثل إحدى الإستراتيجيات في البحث عن قوانين الطبيعة الأساسية في البحث عن مجموعة التناظر الرياضي الأكثر عمومية التي يمكن تطبيقها على التفاعلات الأساسية.
قوانين الفيزياء
قوانين الحفظ
الحفظ والتماثل
قوانين الحفظ هي قوانين أساسية تنبع من تجانس المكان والزمان والمرحلة، أي التناظر .
نظرية نويثر: أي كمية لها تناظر تفاضل مستمر في الفعل لها قانون حفظ مرتبط.
كان قانون حفظ الكتلة هو أول قانون من هذا النوع يتم فهمه، لأن معظم العمليات الفيزيائية العيانية التي تنطوي على الكتل، على سبيل المثال تصادم الجسيمات الضخمة أو تدفق السوائل، توفر الاعتقاد الواضح بأن الكتلة محفوظة. لوحظ أن الحفظ الشامل يكون صحيحًا لجميع التفاعلات الكيميائية. بشكل عام، هذا تقريبي فقط، لأنه مع ظهور النسبية والتجارب في الفيزياء النووية والفيزياء الجسيمية: يمكن تحويل الكتلة إلى طاقة والعكس صحيح، لذلك لا يتم الحفاظ على الكتلة دائمًا، ولكنها جزء من الحفظ العام لكتلة الطاقة.
يمكن العثور على حفظ الطاقة والزخم والزخم الزاوي للأنظمة المعزولة على أنها تماثلات في الوقت والترجمة والدوران.
تم تحقيق حفظ الشحنة أيضًا نظرًا لأنه لم يتم ملاحظة إنشاء الشحنة أو إتلافها مطلقًا، وتم العثور عليها فقط للانتقال من مكان إلى آخر.
الاستمرارية والتحويل
يمكن التعبير عن قوانين الحفظ باستخدام معادلة الاستمرارية العامة (لكمية محفوظة) يمكن كتابتها في شكل تفاضلي .
القانون الفيزيائي أو القانون العلمي (أحيانا قانون الطبيعة) هو عبارة عن تعميم علمي يستند إلى رصد وملاحظة تجريبية للسلوك الفيزيائي. تكون هذه القوانين عادة عبارة عن استنتاجات تستند إلى تجارب علمية تمت على مر فترة زمنية طويلة فأصبحت مقبولة بشكل عام ضمن المجتمع العلمي.
هناك محاولات علمية مستمرة إلى تلخيص وصف الطبيعة ضمن مجموعة محدودة من القوانين العلمية، مؤخرا برز اهتمام شديد لوضع مثل هذا الوصف الشامل للطبيعة ضمن نظرية كل شيء.
يحاول القانون العلمي أن يصف تصرف الأجسام الطبيعية التي يفترض أنها تطيع هذه القوانين فطريا، مختلفة بذلك عن مفهوم القانون سواء كان الشرعي الديني أو القانون الوضعي الذي يضعه الإنسان.
تلخص القوانين العلمية نتائج التجارب أو الملاحظات، عادة ضمن نطاق معين من التطبيق. بشكل عام، لا تتغير دقة القانون عند وضع نظرية جديدة للظاهرة ذات الصلة، بل تتغير نطاق تطبيق القانون، لأن الرياضيات أو البيان الذي يمثل القانون لا يتغير. كما هو الحال مع الأنواع الأخرى من المعرفة العلمية، لا تعبر القوانين العلمية عن اليقين المطلق، كما تفعل النظريات الرياضية أو الهويات. قد يتعارض قانون علمي مع الملاحظات المستقبلية أو تقييدها أو تمديدها.
يمكن عادة صياغة القانون على هيئة جملة واحدة أو عدة معادلات أو معادلات، بحيث يمكنه التنبؤ بنتيجة التجربة. تختلف القوانين عن الفرضيات والمسلمات، التي يتم اقتراحها أثناء العملية العلمية قبل وأثناء التحقق من الصحة عن طريق التجربة والملاحظة. الفرضيات والمسلمات ليست قوانين، حيث لم يتم التحقق منها بنفس الدرجة، على الرغم من أنها قد تؤدي إلى صياغة القوانين. القوانين أضيق نطاقًا من النظريات العلمية، والتي قد تستلزم قانونًا واحدًا أو عدة قوانين. يميز العلم القانون أو النظرية عن الحقائق. وصف القانون بأنه حقيقة هو أمر غامض أو مبالغة أو مراوغة. تمت مناقشة طبيعة القوانين العلمية كثيرًا في الفلسفة، ولكن القوانين العلمية في جوهرها هي مجرد استنتاجات تجريبية تم التوصل إليها من خلال المنهج العلمي. لا يُقصد منها أن تكون محملة بالالتزامات الوجودية أو بيانات المطلق المنطقي.
ملخص :
يطبق القانون العلمي دائمًا على نظام مادي في ظل ظروف متكررة، ويعني ضمنيًا أن هناك علاقة سببية تتضمن عناصر النظام. تعتبر البيانات الواقعية والمؤكدة جيدًا مثل «الزئبق سائل عند درجة حرارة وضغط قياسيين» محددة جدًا بحيث لا يمكن تصنيفها كقوانين علمية. المشكلة المركزية في فلسفة العلم، بالعودة إلى ديفيد هيوم، هي مشكلة التمييز بين العلاقات السببية (مثل تلك التي تنص عليها القوانين) من المبادئ التي تنشأ بسبب الاقتران المستمر.
تختلف القوانين عن النظريات العلمية من حيث أنها لا تطرح آلية أو تفسيرًا للظواهر: إنها مجرد تقطير لنتائج الملاحظة المتكررة. على هذا النحو، يقتصر تطبيق القانون على ظروف مشابهة لتلك التي لوحظت بالفعل، وقد يتبين أن القانون غير صحيح عند استقراءه. قانون أوم ينطبق فقط على الشبكات الخطية؛ قانون نيوتن للجاذبية الكونية ينطبق فقط في مجالات الجاذبية الضعيفة؛ القوانين الأولى من الديناميكا الهوائية، مثل مبدأ برنولي لا تنطبق، في حالة تدفق للانضغاط مثلما يحدث في أسرع من الصوت وأسرع من الصوت الرحلة. قانون هوك ينطبق فقط على سلالة أقل من الحد مرونة. ينطبق قانون بويل بدقة كاملة فقط على الغاز المثالي، إلخ. تظل هذه القوانين مفيدة، ولكن فقط في ظل الشروط المحددة التي تنطبق عليها.
تتخذ العديد من القوانين أشكالًا رياضية، وبالتالي يمكن ذكرها كمعادلة؛ على سبيل المثال، يمكن كتابة قانون حفظ الطاقة
{\displaystyle \Delta E=0}، أين
E هو إجمالي كمية الطاقة في الكون. وبالمثل، يمكن كتابة القانون الأول للديناميكا الحرارية
{\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,}، ويمكن كتابة قانون نيوتن الثاني
{\displaystyle F=}dp⁄dt . بينما تشرح هذه القوانين العلمية ما تدركه حواسنا، فهي لا تزال تجريبية (مكتسبة عن طريق الملاحظة أو التجربة العلمية) وبالتالي فهي ليست مثل النظريات الرياضية التي يمكن إثباتها من خلال الرياضيات فقط.
مثل النظريات والفرضيات، القوانين تقوم بالتنبؤات. على وجه التحديد، يتوقعون أن الملاحظات الجديدة سوف تتوافق مع القانون المحدد. يمكن تزوير القوانين إذا وجد أنها تتعارض مع البيانات الجديدة.
بعض القوانين هي فقط تقريب لقوانين أخرى أكثر عمومية، وهي تقريبية جيدة مع مجال مقيد للتطبيق. على سبيل المثال، الديناميكيات النيوتونية (التي تستند إلى التحولات الجليلية) هي حد السرعة المنخفضة للنسبية الخاصة (نظرًا لأن التحول الجاليلي هو تقريب منخفض السرعة لتحويل لورينتز). وبالمثل، فإن قانون الجاذبية النيوتونية هو تقريب منخفض الكتلة للنسبية العامة، وقانون كولوم هو تقريب للديناميكا الكهربية الكمية على مسافات كبيرة (مقارنة بمدى التفاعلات الضعيفة). في مثل هذه الحالات، من الشائع استخدام نسخ أبسط وتقريبية للقوانين، بدلاً من القوانين العامة الأكثر دقة.
تخضع القوانين باستمرار للاختبار التجريبي لدرجات متزايدة من الدقة، وهو أحد الأهداف الرئيسية للعلم. حقيقة أن القوانين لم يسبق أن تم انتهاكها لا تمنع اختبارها بدقة متزايدة أو في أنواع جديدة من الظروف لتأكيد ما إذا كانت مستمرة، أو ما إذا كانت تنتهك، وما يمكن اكتشافه في هذه العملية. من الممكن دائمًا إبطال القوانين أو إثبات وجود قيود عليها، من خلال الأدلة التجريبية القابلة للتكرار، في حالة مراعاة أي منها. لقد تم بالفعل إبطال القوانين الراسخة في بعض الحالات الخاصة، لكن الصيغ الجديدة التي تم إنشاؤها لشرح التناقضات تعمم على النسخ الأصلية بدلاً من الإطاحة بها. وهذا يعني أن القوانين المبطلة قد وُجدت على أنها تقديرات تقريبية فقط، حيث يجب إضافة مصطلحات أو عوامل أخرى لتغطية الظروف التي لم يتم احتسابها سابقًا، على سبيل المثال المقاييس الكبيرة جدًا أو الصغيرة جدًا للزمان أو المكان، أو السرعات أو الكتل الهائلة، إلخ. . وبالتالي، بدلاً من المعرفة غير المتغيرة، يُنظر إلى القوانين الفيزيائية بشكل أفضل على أنها سلسلة من التعميمات المحسنة والأكثر دقة.
الخصائص:
عادةً ما تكون القوانين العلمية عبارة عن استنتاجات تستند إلى التجارب والملاحظات العلمية المتكررة على مدار سنوات عديدة والتي أصبحت مقبولة عالميًا في المجتمع العلمي. القانون العلمي «يُستدل عليه من حقائق معينة، وينطبق على مجموعة محددة أو فئة من الظواهر، ويمكن التعبير عنه من خلال بيان أن ظاهرة معينة تحدث دائمًا في حالة وجود ظروف معينة». يعد إنتاج وصف موجز لبيئتنا في شكل مثل هذه القوانين هدفًا أساسيًا للعلم.
تم تحديد العديد من الخصائص العامة للقوانين العلمية، خاصة عند الإشارة إلى القوانين في الفيزياء. القوانين العلمية هي:
صحيح، على الأقل ضمن نظام صلاحيتها. بحكم التعريف، لم تكن هناك أبدًا ملاحظات متناقضة قابلة للتكرار.
عالمي. يبدو أنها تنطبق في كل مكان في الكون.
بسيط. يتم التعبير عنها عادة من حيث معادلة رياضية واحدة.
مطلق. لا يبدو أن شيئًا في الكون يؤثر عليهم.
مستقر. لم تتغير منذ اكتشافها لأول مرة (على الرغم من أنها قد تكون قد ثبت أنها تقريبية لقوانين أكثر دقة)،
شامل للجميع. يبدو أن كل شيء في الكون يجب أن يمتثل لها (وفقًا للملاحظات).
عموما متحفظة من الكمية.
غالبًا تعبيرات عن التجانس (التناظرات) الموجودة في المكان والزمان.
عادةً ما يكون قابلاً للعكس من الناحية النظرية في الوقت (إذا كان غير كمي)، على الرغم من أن الوقت نفسه لا رجوع فيه.
واسع. في الفيزياء، تشير القوانين حصريًا إلى المجال الواسع للمادة والحركة والطاقة والقوة نفسها، بدلاً من أنظمة أكثر تحديدًا في الكون، مثل الأنظمة الحية، أي آليات الجسم البشري.
يرتبط مصطلح «القانون العلمي» تقليديًا بالعلوم الطبيعية، على الرغم من أن العلوم الاجتماعية تحتوي أيضًا على قوانين. على سبيل المثال، قانون Zipf هو قانون في العلوم الاجتماعية يعتمد على الإحصاء الرياضي. في هذه الحالات، قد تصف القوانين الاتجاهات العامة أو السلوكيات المتوقعة بدلاً من كونها مطلقة.
في العلوم الطبيعية، أصبحت تأكيدات الاستحالة مقبولة على نطاق واسع باعتبارها محتملة إلى حد كبير بدلاً من اعتبارها مثبتة لدرجة أنها غير قابلة للتحدي. أساس هذا القبول القوي هو مزيج من الأدلة الشاملة على أن شيئًا ما لا يحدث، جنبًا إلى جنب مع نظرية أساسية، ناجحة جدًا في صنع التنبؤات، والتي تؤدي افتراضاتها منطقيًا إلى استنتاج أن شيئًا ما مستحيل. في حين أن تأكيد استحالة العلوم الطبيعية لا يمكن أبدًا إثباته تمامًا، إلا أنه يمكن دحضه بملاحظة مثال مضاد واحد. يتطلب مثل هذا المثال المضاد إعادة فحص الافتراضات التي تقوم عليها النظرية التي تضمنت الاستحالة.
بعض الأمثلة على المستحيلات المقبولة على نطاق واسع في الفيزياء هي آلات الحركة الدائمة، التي تنتهك قانون الحفاظ على الطاقة، وتتجاوز سرعة الضوء، والتي تنتهك الآثار المترتبة على النسبية الخاصة، مبدأ عدم اليقين لميكانيكا الكم، الذي يؤكد استحالة المعرفة في وقت واحد كل من موضع الجسيم وزخمه، ونظرية بيل: لا يمكن لأي نظرية فيزيائية للمتغيرات المخفية المحلية أن تعيد إنتاج كل تنبؤات ميكانيكا الكم.
القوانين نتيجة للتماثلات الرياضية:
تعكس بعض القوانين التناظرات الرياضية الموجودة في الطبيعة (على سبيل المثال، يعكس مبدأ استبعاد باولي هوية الإلكترونات، وتعكس قوانين الحفظ تجانس المكان والزمان وتعكس تحويلات لورينتز التناظر الدوراني للزمكان). العديد من القوانين الفيزيائية الأساسية هي عواقب رياضية لتماثلات مختلفة في المكان والزمان أو جوانب أخرى من الطبيعة. على وجه التحديد، تربط نظرية نويثر بعض قوانين الحفظ بتماثلات معينة. على سبيل المثال، الحفاظ على الطاقة هو نتيجة لتناظر التحول للوقت (لا توجد لحظة من الزمن تختلف عن أي لحظة أخرى)، في حين أن الحفاظ على الزخم هو نتيجة لتماثل (تجانس) الفضاء (لا يوجد مكان في الفضاء خاص، أو تختلف عن أي دولة أخرى). ينتج عن عدم القدرة على التمييز بين جميع الجسيمات من كل نوع أساسي (على سبيل المثال، الإلكترونات، أو الفوتونات) إحصائيات ديراك وبوز الكمومية والتي بدورها تؤدي إلى مبدأ استبعاد باولي للفرميونات وفي تكثيف بوز آينشتاين للبوزونات. التناظر الدوراني بين محاور إحداثيات الزمان والمكان (عندما يتم اعتبار أحدهما تخيليًا والآخر حقيقيًا) ينتج عنه تحولات لورينتز والتي بدورها تؤدي إلى نظرية النسبية الخاصة. ينتج عن التناسق بين كتلة القصور الذاتي وكتلة الجاذبية النسبية العامة.
قانون التربيع العكسي للتفاعلات بوساطة بوزونات عديمة الكتلة هو النتيجة الرياضية للأبعاد الثلاثة للفضاء.
تتمثل إحدى الإستراتيجيات في البحث عن قوانين الطبيعة الأساسية في البحث عن مجموعة التناظر الرياضي الأكثر عمومية التي يمكن تطبيقها على التفاعلات الأساسية.
قوانين الفيزياء
قوانين الحفظ
الحفظ والتماثل
قوانين الحفظ هي قوانين أساسية تنبع من تجانس المكان والزمان والمرحلة، أي التناظر .
نظرية نويثر: أي كمية لها تناظر تفاضل مستمر في الفعل لها قانون حفظ مرتبط.
كان قانون حفظ الكتلة هو أول قانون من هذا النوع يتم فهمه، لأن معظم العمليات الفيزيائية العيانية التي تنطوي على الكتل، على سبيل المثال تصادم الجسيمات الضخمة أو تدفق السوائل، توفر الاعتقاد الواضح بأن الكتلة محفوظة. لوحظ أن الحفظ الشامل يكون صحيحًا لجميع التفاعلات الكيميائية. بشكل عام، هذا تقريبي فقط، لأنه مع ظهور النسبية والتجارب في الفيزياء النووية والفيزياء الجسيمية: يمكن تحويل الكتلة إلى طاقة والعكس صحيح، لذلك لا يتم الحفاظ على الكتلة دائمًا، ولكنها جزء من الحفظ العام لكتلة الطاقة.
يمكن العثور على حفظ الطاقة والزخم والزخم الزاوي للأنظمة المعزولة على أنها تماثلات في الوقت والترجمة والدوران.
تم تحقيق حفظ الشحنة أيضًا نظرًا لأنه لم يتم ملاحظة إنشاء الشحنة أو إتلافها مطلقًا، وتم العثور عليها فقط للانتقال من مكان إلى آخر.
الاستمرارية والتحويل
يمكن التعبير عن قوانين الحفظ باستخدام معادلة الاستمرارية العامة (لكمية محفوظة) يمكن كتابتها في شكل تفاضلي .