חוק טבע

חוק טבע או  חוק מדעי הן אמירות, המבוססות על ניסויים או תצפיות חוזרות ונשנות, המתארות או מנבאות מגוון של תופעות טבע. לפי פילוסופים מסוימים, חוקי הטבע הם העקרונות המסדירים את פעולתו של הטבע.

חוקי הטבע מתגלים על סמך ניסויים ותצפיות ואין בהם הכרח לוגי. לדוגמה, חוק הכבידה של ניוטון קובע שכוח המשיכה דועך באופן פרופורציוני למרחק בריבוע. הדבר התגלה באמצעות תצפיות במסלוליהם של כוכבי הלכת. עם זאת, ניתן לדמיין עולם שבו כוח המשיכה דועך באופן פרופורציוני למרחק בשלישית, או שאין בו כוח משיכה כלל. לכן אין בחוק הכבידה הכרח לוגי.

חוק טבע אינו יכול להיות מוגבל למקומות או לזמנים ספציפיים. לדוגמה, הטענה "על פני כדור הארץ תאוצת הכבידה היא 9.8 מטר לשנייה בריבוע" היא טענה נכונה, אך אינה יכולה להיחשב חוק טבע.

חוקי טבע מופיעים באחת משתי צורות. צורה אחת היא כטענה אוניברסלית, כלומר כטענה לוגית עם כמת כולל, מהצורה "לכל X מתקיים Y". לדוגמה, החוק השלישי של ניוטון קובע שלכל כוח שמפעיל גוף אחד על גוף אחר מופעל כוח נגדי שווה בגודלו אך הפוך בכיוונו. הצורה השנייה היא כחוק הסתברותי הקובע ש-Y יתקיים רק בשיעור ממוצע מסוים של המקרים. דוגמה לכך היא זמן מחצית החיים של איזוטופ רדיואקטיבי, הזמן שבו שבבמוצע חצי מהאטומים ייתפרקו לאטומים של איזוטופ אחר.

לעיתים מבחינים בין המונח "חוקי הטבע" ל"חוקי המדע". לפי הבחנה זו, חוקי הטבע הם החוקים האמיתיים, בעוד שחוקי המדע הם הגרסאות המקורבות והחלקיות שלהם שהתגלו עד כה.

הביטחון בתקפות חוקי הטבע 
בבסיסו של המדע קיימת האמונה, שהיקום מתנהל לפי כללים שניתנים למחקר. חוק הטבע עשוי להתגלות כנכון רק בסייגים, כפי שהיה עם חוקי הטבע של גלילאו, כשאלה סוייגו בידי ניוטון. מעבר לזאת, גם אם הוא ממשיך להיחשב כנכון, הוא עשוי להפוך לבר הוכחה. למשל, כיום, חוקי קופרניקוס, הטוענים כי כוכבי הלכת סובבים סביב השמש, אינם עוד בגדר אקסיומה - תורת הכבידה של ניוטון כבר הסבירה אותם באמצעות חוק טבע אחר.

השינוי במעמדם של חוקי הטבע

המושג חוק טבע היה מושג מרכזי בתפיסה המדעית של המאות השמונה עשרה והתשע עשרה. אולם, בתחילת המאה העשרים ירדה קרנו של מושג זה בעקבות המהפכה בכלל הפילוסופיה של המדע, שהביאה תורתו של אלברט איינשטיין ובעקבות שינוי תפיסת מושג האקסיומה במתמטיקה, בעקבות עבודותיהם של ברנהרד רימן ואחרים. מהפכות אלה שיפרו את יכולתם של המדע והמתמטיקה להסביר את עולמנו, אך בו זמנית לימדו את העוסקים בהם על מגבלותיהם של המדע והמתמטיקה ועל הצניעות והזהירות שבה איש אקדמיה צריך להציג את ממצאיו. המדענים של ימינו אינם סמוכים ובטוחים שקביעותיהם השרירותיות מתארות את היקום בדייקנות מוחלטת.

עד תחילת המאה העשרים, קביעות כמו החוק הראשון של ניוטון הוצגו כחוק טבע – כלומר כקביעה שאין לערער בה על אודות הקורה בעולם. אולם, מאז תחילת המאה העשרים נהוג להציג קביעה כמו החוק הראשון של ניוטון כחוק מרכזי במערכת הסברים הנקראת מכניקה קלאסית ומסוגלת להסביר את הקורה בסביבות מסוימות ובתנאים מסוימים. חוקי ניוטון תיארו את הידע שהיה אז במכניקה באופן מדויק יותר משגיאת המדידה של המכשירים שהתקיימו עד המאה העשרים. ניסיונות להפריך חוקים אלו עלו בתוהו מכיוון שהם מתארים נכונה (גם לפי התאוריות המקובלות כיום) את העולם בטווח המהירויות והאנרגיות שבדרך כלל צופים בו. מעבר לזאת, לאנשים כמו לייבניץ, שניסו לנסח חוקי טבע אחרים חסרו בתקופה זו הכלים המתמטיים לעשות זאת.

לאחר שפיתח איינשטיין את תורת היחסות נגזרו ממנה ניבויים חדשים לגבי עצמים שמהירותם קרובה למהירות האור. אך עבור עצמים שמהירותם איטית ביחס למהירות האור מתלכדים ניבויי תורת היחסות עם חוקי ניוטון הוותיקים ואינם סותרים את הניסיון הקודם של האנושות, כמתחייב מחוק פיזיקלי. בתחומים שבהם מנבאת תורת היחסות תוצאות שונות משל חוקי ניוטון, מאששים הממצאים את תורת היחסות, ולפיכך נדחו חוקי ניוטון לטובת תורת היחסות.

בחלק מהמקרים, החוקים הישנים מאפשרים חיזוי טוב מספיק, והם נמצאים עדיין בשימוש נפוץ, במקביל לחוקים החדשים, המדויקים יותר. דוגמה להתפתחויות כאלה היא השילוב בין חוק בויל-מריוט, שלפיו בטמפרטורה מסוימת מכפלת הנפח והלחץ של גז היא קבועה, חוק גיי-ליסק, שלפיו הלחץ של גז בנפח קבוע הוא יחסי לטמפרטורה שלו וחוק שארל, שלפיו הנפח של גז בלחץ קבוע הוא יחסי לטמפרטורה שלו. שלושה חוקים פיזיקליים אלה אוחדו עם הזמן לחוק יחיד שהם מקרים פרטיים שלו: משוואת הגז האידיאלי. מאחר שבמקרים רבים גזים אינם מתנהגים כגז אידיאלי, גם לחוק זה נמצאו שיפורים עם השנים, למשל גז ואן-דר-ואלס. למרות עידון המשוואות, גם חוק זה אינו בעל דיוק מוחלט, וחוקים נוספים נמצאו (ומן הסתם עוד יימצאו) כדי לאפשר חיזוי בדיוק גבוה יותר.

ההשראה והצידוק לחוקי הטבע

ההנחה בדבר תקפותם של חוקי הטבע אינה יכולה להתבסס על נימוקים לוגיים (זאת בשל בעיית האינדוקציה). עם זאת, מסקנות לוגיות המוסקות ממספר חוקי טבע שונים צריכות שלא ליצור פרדוקס. כמו כן הקביעות הנגזרות מחוקי טבע צריכות שלא לסתור את הידע הניסויי הקיים, להועיל בניבוי תוצאות של ניסויים עתידיים ולתת ביטחון מספק בנכונותן כדי לשכנע את הציבור להשקיע משאבים בפיתוח טכנולוגיה שעוצבה בהשראתם. הקשר זה של חוקי הטבע (ושל השיטה המדעית בכלל) נקרא "הקשר הצידוק" והפילוסופים של המדע הרבו לעסוק בו.

הקשר אחר של חוקי הטבע הוא הקשר ההשראה - דהיינו השאלה כיצד אדם מסוים הגה קביעה של חוק טבע, שהתברר שהיא מסבירה היטב את המתרחש ביקום. ברבים מהמקרים, קביעות אלה נעשות זמן רב לפני שנאספים מרבית הצידוקים להן. להקשר ההשראה לא הציעו הפילוסופים, בדרך כלל, הסברים. על מספר מדענים שקבעו חוקי טבע נאספו אגדות, כמו אגדת גילוי חוק ארכימדס באמבט או חוק הכבידה של ניוטון במטע התפוחים.

רשימת חוקי טבע

ראו גם
 תאוריה מדעית
 השיטה המדעית
 היסטוריה של המדע
 טבע
 על טבעי
 פסאודו-מדע

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

השיטה המדעית
פילוסופיה של המדע