Människan
Världens 6 viktigaste naturvetenskapliga teorier
Publicerad 10 feb 2012
Inom naturvetenskapen används teorier för att förklara och förutspå olika fenomen. Vi har valt ut de sex viktigaste teorierna.
Naturvetenskap går ut på att förklara naturen. Hur uppstod universum, varför flyttar sig kontinenterna, vad är gravitation? Genom observationer, ofta med hjälp av experiment, söker man svaren. Med tiden kan man sedan formulera en teori – det vill säga en samling naturlagar samt en beskrivning av den del av naturen de styr. En teori kan dock vara felaktig, men så länge den klarar av att förklara och förutspå verkligheten finns ingen anledning att förkasta den. Här är världens sex viktigaste naturvetenskapliga teorier enligt oss.
Naturvetenskap går ut på att förklara naturen. Hur uppstod universum, varför flyttar sig kontinenterna, vad är gravitation? Genom observationer, ofta med hjälp av experiment, söker man svaren. Med tiden kan man sedan formulera en teori – det vill säga en samling naturlagar samt en beskrivning av den del av naturen de styr. En teori kan dock vara felaktig, men så länge den klarar av att förklara och förutspå verkligheten finns ingen anledning att förkasta den. Här är världens sex viktigaste naturvetenskapliga teorier enligt oss.
6. Teorin om plattektonik
Denna geologiska teori förklarar hur jordytan ser ut och förändras.
Jordens inre är delvis flytande, men ytterst finns ett fast skal.[1]
Detta skal, det som geologer kallar litosfären, är sprucket.[1] De
resulterande litosfärplattorna "flyter" på jordens inre, men
inte nog med det – de rör sig omkring också.[1] Detta gör att plattor
kolliderar, glider isär eller gnids mot varandra.[1] Dessa rörelser ser vi
som att kontinenterna driver omkring på jordytan, det som kallas
kontinentaldrift.[1]
Rörelserna resulterar också i jordbävningar och geologiska strukturer såsom vulkaner, djuphavsgravar och bergskedjor.[1]
Varför plattorna rör sig och inte bara ligger stilla är inte helt klart, men det rör sig troligtvis om strömmar av värme i jordens flytande inre, likt hur stigande varm luft orsakar blåst.[1]
Rörelserna resulterar också i jordbävningar och geologiska strukturer såsom vulkaner, djuphavsgravar och bergskedjor.[1]
Varför plattorna rör sig och inte bara ligger stilla är inte helt klart, men det rör sig troligtvis om strömmar av värme i jordens flytande inre, likt hur stigande varm luft orsakar blåst.[1]
Annons
Annons
5. Teorin om naturligt urval
På 1700-talet kom teorier om
evolution, det vill säga teorier om hur jordens arter har utvecklats,
evolverat, över tid och inte varit likadana sedan de skapades eller uppstod.[2] En
biologiskt korrekt förklaring till på vilket sätt evolution sker kom från Charles
Darwin på 1800-talet.[2] Teorin säger att den individ som är bäst anpassad
till den miljö den lever i, har störst chans att överleva och få
fortplantningsduglig avkomma, och därmed föra sina egenskaper vidare.
Naturen sorterar alltså ut de individer som är "svagast", eller snarare
– minst lämpade att leva i den miljö de lever i.[2] Det har naturen gjort
sedan livet uppstod för flera miljarder år sedan och därför ser arterna
ut som de gör idag.[2]
Hur nya egenskaper uppstod eller ärvdes visste dock inte Darwin, men det vet vi idag och teorin om naturligt urval är därför relativt komplett.[2] Egenskaperna härstammar från DNA och detta DNA förs vidare till nästa generation.[2] Nya egenskaper uppstår genom en spontan förändring i DNA:t, en så kallad mutation.[2] De allra flesta mutationerna är negativa eller onödiga.[2] Men vissa mutationer, som till exempel giraffens långa hals, är fördelaktiga och kan genom det naturliga urvalet föras vidare till nästa generation.[2]
Hur nya egenskaper uppstod eller ärvdes visste dock inte Darwin, men det vet vi idag och teorin om naturligt urval är därför relativt komplett.[2] Egenskaperna härstammar från DNA och detta DNA förs vidare till nästa generation.[2] Nya egenskaper uppstår genom en spontan förändring i DNA:t, en så kallad mutation.[2] De allra flesta mutationerna är negativa eller onödiga.[2] Men vissa mutationer, som till exempel giraffens långa hals, är fördelaktiga och kan genom det naturliga urvalet föras vidare till nästa generation.[2]
4. Big Bang-teorin
Big Bang-teorin växte fram under 1900-talets senare hälft och är idag ett ramverk för astronomers arbete (det finns dock astronomer som inte gillar den).[3] Teorin förklarar kort och gott hur vårt universum uppstod.[3]
Teorin säger att det universum vi lever i idag uppstod av sig självt ur en liten prick.[3] En prick så liten att den inte hade någon storlek, och så varm att den hade oändligt hög temperatur – en singularitet.[3] Det ska dock nämnas att singulariteten inte är helt förstådd av astronomer eller fysiker, men liten och varm var den i alla fall.[3] Av någon outgrundlig anledning började vårt universum expandera hastigt ur denna singularitet.[3]
Trots namnet "Big Bang" handlade det inte om någon explosion i ett redan existerande rum, utan en hastig expansion av själva rummet.[3] Och samtidigt som rummet uppstod, uppstod även tiden.[3]
När universum expanderade som snabbast, 10-36 till 10-32 sekunder efter Big Bang, växte det lika mycket som om en tioöring skulle växa till att bli 10 miljoner bredare än Vintergatan.[3] Sedan avtog hastigheten på expansionen, även om den aldrig slutade, och på senare (miljarder) år har expansionshastigheten återigen ökat.[3]
Teorin säger att det universum vi lever i idag uppstod av sig självt ur en liten prick.[3] En prick så liten att den inte hade någon storlek, och så varm att den hade oändligt hög temperatur – en singularitet.[3] Det ska dock nämnas att singulariteten inte är helt förstådd av astronomer eller fysiker, men liten och varm var den i alla fall.[3] Av någon outgrundlig anledning började vårt universum expandera hastigt ur denna singularitet.[3]
Trots namnet "Big Bang" handlade det inte om någon explosion i ett redan existerande rum, utan en hastig expansion av själva rummet.[3] Och samtidigt som rummet uppstod, uppstod även tiden.[3]
När universum expanderade som snabbast, 10-36 till 10-32 sekunder efter Big Bang, växte det lika mycket som om en tioöring skulle växa till att bli 10 miljoner bredare än Vintergatan.[3] Sedan avtog hastigheten på expansionen, även om den aldrig slutade, och på senare (miljarder) år har expansionshastigheten återigen ökat.[3]
3. Den speciella relativitetsteorin
Den speciella relativitetsteorin skapades av Albert Einstein under hans produktiva år 1905.[4] Teorin utgår från en enkel princip, nämligen den att alla naturens lagar är desamma överallt.[4] Till exempel rör sig en elektromagnetisk våg likadant överallt i universum, vilket innebär att ljusets hastighet alltid är densamma.[4]
Ljusets konstanta hastighet kan exemplifieras så här: Föreställ dig en flicka och en pojke som står en bit i från varandra. Flickan kastar en boll till pojken och pojken kastar tillbaks den. Då bestämmer sig flickan för att kasta bollen snabbare. Flickan tar sats, det vill säga springer mot pojken, och kastar bollen. Bollen lämnar flickans hand med samma hastighet som när hon stod stilla och kastade.[4] Men bollen når pojken med högre hastighet än innan – bollens hastighet plus flickans hastighet.[4] Allt i enlighet med fysikens lagar.[4]
Men, fysikens lagar säger något annat om ljuset. Föreställ dig nu att flickan "kastar" en ljusstråle till pojken. Detta gör hon genom att en kort stund tända en ficklampa riktad mot honom. Ljusstrålen lämnar flickan med en hastighet av 300 000 000 m/s (ljusets hastighet avrundat) och träffar pojken i 300 000 000 m/s.[4] Än så länge stämmer det överens med bollen. Men, nu vill flickan "kasta" ljusstrålen snabbare mot pojken. Hon tar sats, det vill säga springer mot pojken, tänder ficklampan och släcker den igen. Ljuset lämnar återigen flickan i 300 000 000 m/s, men träffar också pojken i 300 000 000 m/s.[4] Att flickan tog sats spelade alltså ingen roll. Ljuset kommer alltid att lämna en observatör och träffa en observatör i samma hastighet, oavsett om denna observatör rör sig i förhållande till riktningen ljuset kommer ifrån.[4]
Att ljusets hastighet alltid är densamma för alla observatörer medför att tid och rum kan förändras.[4] Till exempel skulle en observatör som stod på en perrong och såg ett tåg rusa förbi i hög fart se tåget som extra kort, medan en resenär på tåget skulle se personen på perrongen som extra smal (kom ihåg att vi ser med hjälp av ljusstrålar).[4] Dessutom skulle personen som stod på perrongen och tittade på tåget se att resenärerna i det rörde sig som i slow motion, medan resenärerna skulle se det som att personen på perrongen rörde sig i slow motion.[4] Nu har du kanske inte upplevt detta när du tittat på tåg, och det beror på att tåget måste röra sig runt 80 % eller mer av ljushastigheten för att dessa så kallade relativistiska effekter ska börja märkas nämnvärt.[4] Och då skulle du ha smärre problem med att hinna se tåget också.
Trots att vi inte upplever dessa effekter i vårt vardagliga liv har teorin bland annat stor betydelse inom astronomin, där de objekt man observerar ofta rör sig i stora hastigheter relativt till jorden.[4] Det finns till exempel galaxer som rör sig bort från oss i 80 % av ljushastigheten.[4] Utan den speciella relativitetsteorin skulle inte mycket bli rätt inom astronomin.[4] Likaså behövdes den för att de gamla tjock-TV-apparaterna skulle fungera, då elektroner sköts ur bildröret mot skärmen i väldigt hög hastighet. Utan teorin hade bilden blivit suddig,[4] och tänk vad mycket vi hade missat på TV då.
Som om inte detta vore nog blev följden av den speciella relativitetsteorin formeln: E = mc2. Denna enkla formel säger att massa och energi är två ansikten av samma sak – en sorts massenergi.[4] Enklast att tänka är att materia är en energiform, precis som rörelseenergi eller värmeenergi.[4] Man kan tänka på materia som "stillastående" energi.[4] Om all energi i en penna skulle omvandlas till andra mer "rörliga" energiformer som värmeenergi och elektromagnetisk strålning, skulle det ungefär motsvara en atombomb.[4] Förståelsen om att materia kan bli till andra energiformer har haft jättestor betydelse.[4] Till exempel omvandlas en del av urankärnornas materia till annan energi i kärnkraftverk.[4]
Ljusets konstanta hastighet kan exemplifieras så här: Föreställ dig en flicka och en pojke som står en bit i från varandra. Flickan kastar en boll till pojken och pojken kastar tillbaks den. Då bestämmer sig flickan för att kasta bollen snabbare. Flickan tar sats, det vill säga springer mot pojken, och kastar bollen. Bollen lämnar flickans hand med samma hastighet som när hon stod stilla och kastade.[4] Men bollen når pojken med högre hastighet än innan – bollens hastighet plus flickans hastighet.[4] Allt i enlighet med fysikens lagar.[4]
Men, fysikens lagar säger något annat om ljuset. Föreställ dig nu att flickan "kastar" en ljusstråle till pojken. Detta gör hon genom att en kort stund tända en ficklampa riktad mot honom. Ljusstrålen lämnar flickan med en hastighet av 300 000 000 m/s (ljusets hastighet avrundat) och träffar pojken i 300 000 000 m/s.[4] Än så länge stämmer det överens med bollen. Men, nu vill flickan "kasta" ljusstrålen snabbare mot pojken. Hon tar sats, det vill säga springer mot pojken, tänder ficklampan och släcker den igen. Ljuset lämnar återigen flickan i 300 000 000 m/s, men träffar också pojken i 300 000 000 m/s.[4] Att flickan tog sats spelade alltså ingen roll. Ljuset kommer alltid att lämna en observatör och träffa en observatör i samma hastighet, oavsett om denna observatör rör sig i förhållande till riktningen ljuset kommer ifrån.[4]
Annons
Annons
Att ljusets hastighet alltid är densamma för alla observatörer medför att tid och rum kan förändras.[4] Till exempel skulle en observatör som stod på en perrong och såg ett tåg rusa förbi i hög fart se tåget som extra kort, medan en resenär på tåget skulle se personen på perrongen som extra smal (kom ihåg att vi ser med hjälp av ljusstrålar).[4] Dessutom skulle personen som stod på perrongen och tittade på tåget se att resenärerna i det rörde sig som i slow motion, medan resenärerna skulle se det som att personen på perrongen rörde sig i slow motion.[4] Nu har du kanske inte upplevt detta när du tittat på tåg, och det beror på att tåget måste röra sig runt 80 % eller mer av ljushastigheten för att dessa så kallade relativistiska effekter ska börja märkas nämnvärt.[4] Och då skulle du ha smärre problem med att hinna se tåget också.
Trots att vi inte upplever dessa effekter i vårt vardagliga liv har teorin bland annat stor betydelse inom astronomin, där de objekt man observerar ofta rör sig i stora hastigheter relativt till jorden.[4] Det finns till exempel galaxer som rör sig bort från oss i 80 % av ljushastigheten.[4] Utan den speciella relativitetsteorin skulle inte mycket bli rätt inom astronomin.[4] Likaså behövdes den för att de gamla tjock-TV-apparaterna skulle fungera, då elektroner sköts ur bildröret mot skärmen i väldigt hög hastighet. Utan teorin hade bilden blivit suddig,[4] och tänk vad mycket vi hade missat på TV då.
Som om inte detta vore nog blev följden av den speciella relativitetsteorin formeln: E = mc2. Denna enkla formel säger att massa och energi är två ansikten av samma sak – en sorts massenergi.[4] Enklast att tänka är att materia är en energiform, precis som rörelseenergi eller värmeenergi.[4] Man kan tänka på materia som "stillastående" energi.[4] Om all energi i en penna skulle omvandlas till andra mer "rörliga" energiformer som värmeenergi och elektromagnetisk strålning, skulle det ungefär motsvara en atombomb.[4] Förståelsen om att materia kan bli till andra energiformer har haft jättestor betydelse.[4] Till exempel omvandlas en del av urankärnornas materia till annan energi i kärnkraftverk.[4]
2. Den allmänna relativitetsteorin
Den speciella relativitetsteorin hade dock en svaghet. Den gällde bara vid likformig rörelse, det vill säga när två objekt rör sig med konstant hastighet och i rak linje i förhållande till varandra.[4] Men sker inte samma förvrängning av tid och rum även om rörelsen inte är likformig, till exempel när en fallskärmshoppare accelererar mot jordytan? Jodå, det gör det, men de matematiska formlerna för att räkna ut det var svårare att ta fram, så Albert Einstein var inte klar med dessa förrän 1916[4] (vilken amatör).
Den allmänna relativitetsteorin är mer komplicerad än den speciella, men är å andra sidan ännu viktigare.[4] Den ger nämligen dessutom den bästa förklaringen av vad gravitation är.[4]
Innan 1916 var det en gåta hur månen kunde hållas kvar i omloppsbana av jorden, utan att månen och jorden på något sätt verkade vara i kontakt med varandra.[4] Einstein gav lösningen – jorden, liksom allt annat med massa, kröker rummet.[4] På bilden är detta åskådliggjort, men notera att det tredimensionella rum vi lever i här liknas med en tvådimensionell yta.[4] Resultatet av denna krökning av rummet blir att månen dras i den sluttande rumtiden mot jorden.[4] Dock har månen sedan den bildats haft en hastighet vinkelrät mot jordens dragningskraft, och därför dras den inte in mot jorden, utan ändrar bara ständigt riktning och hamnar därför i omloppsbana.[4] En omloppsbana kan liknas med om man sätter fart på en stenkula i "tratten" på bilden.[4] Stenkulan skulle med rätt hastighet fortsätta runt, runt i tratten i all evighet, precis som månen runt jorden.[4]
Den allmänna relativitetsteorin är mer komplicerad än den speciella, men är å andra sidan ännu viktigare.[4] Den ger nämligen dessutom den bästa förklaringen av vad gravitation är.[4]
Innan 1916 var det en gåta hur månen kunde hållas kvar i omloppsbana av jorden, utan att månen och jorden på något sätt verkade vara i kontakt med varandra.[4] Einstein gav lösningen – jorden, liksom allt annat med massa, kröker rummet.[4] På bilden är detta åskådliggjort, men notera att det tredimensionella rum vi lever i här liknas med en tvådimensionell yta.[4] Resultatet av denna krökning av rummet blir att månen dras i den sluttande rumtiden mot jorden.[4] Dock har månen sedan den bildats haft en hastighet vinkelrät mot jordens dragningskraft, och därför dras den inte in mot jorden, utan ändrar bara ständigt riktning och hamnar därför i omloppsbana.[4] En omloppsbana kan liknas med om man sätter fart på en stenkula i "tratten" på bilden.[4] Stenkulan skulle med rätt hastighet fortsätta runt, runt i tratten i all evighet, precis som månen runt jorden.[4]
1. Kvantfysik (kvantmekanik eller kvantteori)
Medan den allmänna relativitetsteorin beskriver objekt med väsentlig massa
och därmed den stora världen, beskriver kvantfysiken den mikroskopiska
världen (hos atomer och ännu mindre partiklar spelar faktiskt
gravitationen, som beror på ett objekts massa, i stort sett ingen roll alls jämfört med andra krafter).[4]
Kvantfysiken har sin grund i att energi finns i form av paket. Dessa paket kallas kvanta. Det kan liknas med glassar. Man kan i en affär köpa 1 glass eller 2 glassar, men inte 1,5 glass. Likaså finns det 1 kvanta eller 2 kvanta, men inte 1,5 kvanta.[4] Dessa fasta energisteg får många följder inom fysiken, och kvantteorin ligger bakom nästan allt inom modern partikelfysik.[4] Det är de fasta energinivåerna som förklarar varför elektroner bara kan finnas på vissa avstånd från atomkärnan, så det är alltså kvantteorin som ligger bakom den solsystemslika atommodell vi fick lära oss i skolan.[4] Därmed förklarar kvantteorin alla kemiska reaktioner.[4]
Kvantfysiken har sin grund i att energi finns i form av paket. Dessa paket kallas kvanta. Det kan liknas med glassar. Man kan i en affär köpa 1 glass eller 2 glassar, men inte 1,5 glass. Likaså finns det 1 kvanta eller 2 kvanta, men inte 1,5 kvanta.[4] Dessa fasta energisteg får många följder inom fysiken, och kvantteorin ligger bakom nästan allt inom modern partikelfysik.[4] Det är de fasta energinivåerna som förklarar varför elektroner bara kan finnas på vissa avstånd från atomkärnan, så det är alltså kvantteorin som ligger bakom den solsystemslika atommodell vi fick lära oss i skolan.[4] Därmed förklarar kvantteorin alla kemiska reaktioner.[4]
Annons
Annons
Referenser (och vidare läsning)
[1]
Coenraads, Robert R.; Koivula, John I (2007) Geologica: Earth's Dynamic Forces. Sydney. Millenium House.
[2]
Purves, William K.; Sadava, David E.; Orians, Gordon H.; Heller, Craig H (2004) Life: The Science of Biology. 7th ed. Sunderland. Sinauer Associates, Inc.
[3]
Whittle, Mark (2008) Cosmology: The History and Nature of Our Universe (föreläsningar online). The Great Courses.
[4]
Wolfson, Richard (2000) Einstein's Relativity and the Quantum Revolution: Modern Physics for Non-Scientists (föreläsningar online). 2nd ed. The Great Courses.
Liknande
Senaste
Rymden
Sport
Människan
Byggnadsverk
Byggnadsverk
Jorden
