Para ilmuwan memiliki banyak alat yang tersedia bagi mereka ketika mencoba menjelaskan bagaimana alam dan alam semesta bekerja. Sering kali mereka mencari hukum dan teori terlebih dahulu. Apa bedanya? Hukum ilmiah sering kali dapat disederhanakan menjadi pernyataan matematika, seperti E = mc²; ini adalah pernyataan spesifik berdasarkan data empiris, dan kebenarannya umumnya terbatas pada serangkaian kondisi tertentu. Misalnya, dalam kasus E = mc², c mengacu pada kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
Teori ilmiah sering kali berupaya mensintesis sekumpulan bukti atau pengamatan terhadap fenomena tertentu. Teori ini umumnya — meskipun tidak selalu — merupakan pernyataan yang lebih agung dan dapat diuji tentang cara kerja alam. Anda tidak dapat serta-merta mereduksi teori ilmiah menjadi pernyataan atau persamaan yang ringkas, tetapi teori tersebut mewakili sesuatu yang mendasar tentang cara kerja alam.
Baik hukum maupun teori bergantung pada elemen dasar metode ilmiah, seperti membuat hipotesis , menguji premis tersebut, menemukan (atau tidak menemukan) bukti empiris, dan menarik kesimpulan. Pada akhirnya, ilmuwan lain harus mampu meniru hasil tersebut jika eksperimen tersebut ditakdirkan menjadi dasar bagi hukum atau teori yang diterima secara luas.
Dalam artikel ini, kita akan membahas 7 hukum dan teori ilmiah yang mungkin ingin Anda pelajari lebih lanjut, meskipun Anda tidak sering mengoperasikan mikroskop elektron pemindai . Kita akan mulai dengan sebuah kejutan dan beralih ke hukum dasar alam semesta, sebelum membahas evolusi . Terakhir, kita akan membahas materi yang lebih mendalam, yaitu fisika kuantum.
1. Teori Big Bang
Jika Anda ingin mengetahui satu teori ilmiah, buatlah teori yang menjelaskan bagaimana alam semesta sampai pada keadaannya saat ini. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Edwin Hubble, Georges Lemaitre, dan Albert Einstein, antara lain, teori big bang menyatakan bahwa alam semesta dimulai hampir 14 miliar tahun yang lalu dengan peristiwa ekspansi besar-besaran. Pada saat itu, alam semesta terbatas pada satu titik, yang meliputi semua materi alam semesta. Pergerakan awal itu berlanjut hingga saat ini, karena alam semesta terus mengembang ke luar.
Teori big bang memperoleh dukungan luas di kalangan komunitas ilmiah setelah Arno Penzias dan Robert Wilson menemukan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik pada tahun 1965. Dengan menggunakan teleskop radio, kedua astronom tersebut mendeteksi derau kosmik, atau statis, yang tidak menghilang seiring waktu. Bekerja sama dengan peneliti Princeton Robert Dicke, keduanya mengonfirmasi hipotesis Dicke bahwa big bang awal meninggalkan radiasi tingkat rendah yang dapat dideteksi di seluruh alam semesta.
2. Hukum Ekspansi Kosmik Hubble
Mari kita bahas Edwin Hubble sebentar. Ketika tahun 1920-an berlalu dengan cepat dan Depresi Besar berlalu dengan lambat, Hubble melakukan penelitian astronomi yang inovatif. Hubble tidak hanya membuktikan bahwa ada galaksi lain selain Bima Sakti , ia juga menemukan bahwa galaksi-galaksi ini bergerak menjauh dari galaksi kita, sebuah gerakan yang disebutnya resesi .
Untuk mengukur kecepatan gerakan galaksi ini, Hubble mengusulkan Hukum Ekspansi Kosmik Hubble , alias hukum Hubble, sebuah persamaan yang menyatakan: kecepatan = H × jarak . Kecepatan menunjukkan kecepatan resesi galaksi; H adalah konstanta Hubble, atau parameter yang menunjukkan laju ekspansi alam semesta; dan jarak adalah jarak galaksi dari galaksi yang dibandingkan.
Konstanta Hubble telah dihitung pada nilai yang berbeda dari waktu ke waktu, tetapi nilai yang diterima saat ini adalah 70 kilometer/detik per megaparsec, yang terakhir merupakan satuan jarak dalam ruang antargalaksi [sumber: White ]. Untuk keperluan kita, itu tidak begitu penting. Yang terpenting adalah bahwa hukum Hubble menyediakan metode ringkas untuk mengukur kecepatan galaksi dalam kaitannya dengan galaksi kita. Dan mungkin yang paling penting, hukum tersebut menetapkan bahwa alam semesta terdiri dari banyak galaksi, yang pergerakannya dapat ditelusuri kembali ke big bang.
3. Hukum Gerak Planet Kepler
Selama berabad-abad, para ilmuwan saling berebut orbit planet, khususnya mengenai apakah planet-planet tersebut mengorbit matahari. Pada abad ke-16, Copernicus mengemukakan konsep kontroversialnya tentang sistem tata surya heliosentris, di mana planet-planet berputar mengelilingi matahari — bukan Bumi. Namun, Johannes Kepler, yang mengembangkan karya yang dilakukan oleh Tyco Brahe dan lainnya, berhasil membangun landasan ilmiah yang jelas tentang pergerakan planet.
Tiga hukum gerak planet Kepler — yang dibentuk pada awal abad ke-17 — menjelaskan bagaimana planet mengorbit matahari. Hukum pertama, terkadang disebut hukum orbit , menyatakan bahwa planet mengorbit matahari secara elips. Hukum kedua, hukum luas , menyatakan bahwa garis yang menghubungkan planet ke matahari mencakup luas yang sama dalam periode waktu yang sama. Dengan kata lain, jika Anda mengukur luas yang dibuat dengan menggambar garis dari Bumi ke matahari dan melacak pergerakan Bumi selama 30 hari, luasnya akan sama di mana pun Bumi berada dalam orbitnya saat pengukuran dimulai.
Yang ketiga, hukum periode , memungkinkan kita untuk menetapkan hubungan yang jelas antara periode orbit planet dan jaraknya dari matahari. Berkat hukum ini, kita tahu bahwa planet yang relatif dekat dengan matahari, seperti Venus, memiliki periode orbit yang jauh lebih singkat daripada planet yang jauh, seperti Neptunus.
4. Hukum Gravitasi Universal
Kita mungkin menganggapnya biasa saja sekarang, tetapi lebih dari 300 tahun yang lalu Sir Isaac Newton mengajukan sebuah ide revolusioner: bahwa dua benda, berapa pun massanya, akan memberikan gaya gravitasi terhadap satu sama lain. Hukum ini direpresentasikan oleh sebuah persamaan yang sering ditemui oleh banyak siswa sekolah menengah di kelas fisika. Persamaannya adalah sebagai berikut:
F = G × [(m 1 m 2 )/r 2 ]
F adalah gaya gravitasi antara dua objek, diukur dalam Newton. M 1 dan m 2 adalah massa kedua objek, sedangkan r adalah jarak antara keduanya. G adalah konstanta gravitasi , angka yang saat ini dihitung sebesar 6,672 × 10 -11 N m 2 kg -2 [sumber: Weisstein ].
Manfaat hukum gravitasi universal adalah memungkinkan kita menghitung tarikan gravitasi antara dua objek. Kemampuan ini khususnya berguna ketika ilmuwan, misalnya, berencana menempatkan satelit di orbit atau memetakan jalur bulan .
5. Hukum Gerak Newton
Selama kita berbicara tentang salah satu ilmuwan terhebat yang pernah ada, mari kita beralih ke hukum-hukum Newton yang terkenal lainnya. Ketiga hukum geraknya merupakan komponen penting dari fisika modern. Dan seperti banyak hukum ilmiah lainnya, hukum-hukum tersebut cukup elegan dalam kesederhanaannya.
Hukum pertama dari tiga hukum tersebut menyatakan bahwa benda yang bergerak akan tetap bergerak kecuali ada gaya luar yang bekerja padanya. Untuk bola yang menggelinding di lantai, gaya luar tersebut bisa berupa gesekan antara bola dan lantai, atau bisa juga balita yang menendang bola ke arah lain.
Hukum kedua menetapkan hubungan antara massa benda ( m ) dan percepatannya ( a ), dalam bentuk persamaan F = m × a . F melambangkan gaya, yang diukur dalam Newton. F juga merupakan vektor, yang berarti memiliki komponen arah. Karena percepatannya, bola yang menggelinding di lantai memiliki vektor tertentu , arah pergerakannya, dan vektor ini diperhitungkan dalam menghitung gayanya.
Hukum ketiga cukup ringkas dan pasti sudah Anda ketahui: Untuk setiap aksi, ada reaksi yang sama dan berlawanan. Artinya, untuk setiap gaya yang diberikan pada suatu objek atau permukaan, objek tersebut akan mendorong balik dengan gaya yang sama.
6. Hukum Termodinamika
Fisikawan dan novelis Inggris CP Snow pernah berkata bahwa orang awam yang tidak mengetahui hukum kedua termodinamika bagaikan ilmuwan yang tidak pernah membaca karya Shakespeare [sumber: Lambert]. Pernyataan Snow yang kini terkenal itu dimaksudkan untuk menekankan pentingnya termodinamika dan perlunya orang awam untuk mempelajarinya.
Termodinamika adalah studi tentang cara kerja energi dalam suatu sistem, baik itu mesin atau inti Bumi . Termodinamika dapat disederhanakan menjadi beberapa hukum dasar, yang diringkas dengan cerdik oleh Snow sebagai berikut [sumber: Physics Planet]:
Anda tidak bisa menang.
Anda tidak dapat mencapai titik impas.
Anda tidak dapat keluar dari permainan.
Mari kita bahas sedikit. Dengan mengatakan Anda tidak bisa menang, Snow bermaksud bahwa karena materi dan energi kekal, Anda tidak bisa mendapatkan salah satunya tanpa mengorbankan sebagian yang lain (misalnya, E=mc²). Ini juga berarti bahwa agar mesin dapat menghasilkan kerja, Anda harus menyediakan panas, meskipun dalam sistem selain yang tertutup sempurna, sebagian panas pasti hilang ke dunia luar, yang kemudian mengarah pada hukum kedua.
Pernyataan kedua — Anda tidak dapat mencapai titik impas — berarti bahwa karena entropi yang terus meningkat , Anda tidak dapat kembali ke keadaan energi yang sama. Energi yang terkonsentrasi di satu tempat akan selalu mengalir ke tempat dengan konsentrasi yang lebih rendah.
Terakhir, hukum ketiga — Anda tidak dapat berhenti bermain — mengacu pada nol mutlak, suhu teoritis terendah yang mungkin, diukur pada nol Kelvin atau (minus 273,15 derajat Celsius dan minus 459,67 derajat Fahrenheit). Ketika suatu sistem mencapai nol mutlak, molekul menghentikan semua gerakan, yang berarti tidak ada energi kinetik, dan entropi mencapai nilai serendah mungkin. Namun di dunia nyata, bahkan di relung ruang angkasa, mencapai nol mutlak adalah hal yang mustahil — Anda hanya dapat mencapainya dengan sangat dekat.
7. Prinsip Daya Apung Archimedes
Setelah menemukan prinsip daya apungnya, ilmuwan Yunani kuno Archimedes diduga berteriak “Eureka!” dan berlari telanjang di kota Syracuse. Penemuan itu sangat penting. Ceritanya, Archimedes membuat terobosan besarnya ketika ia melihat air naik saat ia masuk ke dalam bak [sumber: Quake ].
Menurut prinsip daya apung Archimedes , gaya yang bekerja pada atau yang membuat benda yang terendam atau sebagian terendam sama dengan berat cairan yang dipindahkan benda tersebut. Prinsip semacam ini memiliki berbagai macam aplikasi dan penting untuk perhitungan kepadatan, serta merancang kapal selam dan kapal laut lainnya.