חוק טבע

במדע, חוק טבע הוא קביעה, המסבירה את העובדות המוכרות לנו בטבע, אך אינה ניתנת להיסק לוגי מעקרונות או קביעות אחרות. בהשוואה של תורות מתחום המדע לתורות מתחום המתמטיקה, חוק הטבע במדע מקביל לאקסיומה במתמטיקה.

הביטחון בתקפות חוקי הטבע

בבסיסו של המדע קיימת האמונה שהיקום מתנהל לפי כללים הניתנים למחקר. יש להבחין בין אמונה כללית זו, הקרובה יותר לאקסיומה, לבין ההנחה כי לא יתגלו תצפיות וממצאים חדשים שישמשו לעדכונן של תיאוריות שגובשו על סמך הידע שהיה קיים בזמנו.

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 ברנרד 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 – דהינו 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 והמסות 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 אטית 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, מאוששים 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 האידאלי. מאחר שבמקרים רבים גזים אינם מתנהגים כגז אידאלי, 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 (ועוד יימצאו) כדי לאפשר חיזוי בדיוק גבוה יותר.

ההשראה והצידוק לחוקי הטבע

ההנחה בדבר תקפותם של חוקי הטבע אינה צריכה נימוקים לוגיים. אולם, מסקנות לוגיות המוסקות ממספר חוקי טבע שונים אינן יכולות ליצור פרדוקס. כמו כן הקביעות הנגזרות מחוקי טבע צריכות שלא לסתור את הידע הניסויי הקיים, להואיל 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 חוקי ניוטון במטע התפוחים.