你最應(yīng)該知道的10大科學(xué)定律及理論（組圖）
當(dāng)試圖具體描述我們的自然和宇宙如何獨立運作的時候，科學(xué)家們手里有很多工具可資選擇，但一般他們更愿意將其歸述成為定律和理論。 探索通信公司旗下的著名科普網(wǎng)站HowStuffWorks（意為“事物是如何工作的”），日前撰文列舉了人們最應(yīng)該首先知曉的10大科學(xué)定律，即“你所不可不知的10條內(nèi)容”。文章作者認為，科學(xué)家們最愛的定律和理論，兩者區(qū)別在于：科學(xué)定律常?？梢员痪喅蓴?shù)學(xué)的表達方式，即公式，比如偉大的E=mc2。這一類公式是基于大量實驗數(shù)據(jù)上的一種特定表述，并且一般只有在某些特定條件存在時才能夠成立。 至于理論，還拿E=mc2為例，只有C表示光在真空而不是其他環(huán)境里的傳播速度時，才能夠成立。與言簡意賅的規(guī)律不同，特定科學(xué)理論的目標(biāo)，在于把對某種特殊現(xiàn)象進行的觀察與所得到的證據(jù)進行綜合。除了少數(shù)特別情況，大多數(shù)時候，理論都是指對自然如何運作所作出的詳實且可驗證的表述。我們并不需要將理論消減到只剩一兩句話或者一個等式，但它確實包含著有關(guān)自然如何在“工作”的基本信息。 盡管定律與理論各有千秋，但離開了提出假設(shè)、驗證前提、發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗證據(jù)、作出總結(jié)等等最基本的科學(xué)方法作為支撐，都將是紙上談兵。而一個研究或?qū)嶒灲Y(jié)果，最終能否以定律或理論的身份登上教科書，還需要看其他的科學(xué)家能否重復(fù)該實驗，并且獲得相同的結(jié)果。 “我們最該知道的10大科學(xué)定律及理論”就是這樣的內(nèi)容。 或者有人會不屑：“它們難道不是我剛踏入科學(xué)門檻時就耳熟能詳?shù)臈l文嗎？” 又或有人會懷疑：“我可不是一個手拿試管或者執(zhí)掌X射線的科研人員，也不是夜夜仰望星空的愛好者，在科學(xué)方面我的專業(yè)程度僅限于知道曾有個蘋果掉下來砸到了牛頓（而據(jù)說這還可能是編纂的）?！?/P> 但依據(jù)文章建議，我們?nèi)韵Ｍ麑η罢咂鸬綔毓手碌奈⒛┬?yīng)，將這10條各自領(lǐng)域里的典范，對比教材中嚴絲合縫的概念，一同試著盡量繞開深奧術(shù)語而通俗易懂闡釋；也想告訴后者，盡量去理解這10個定律或理論，并像在看“十萬個為什么”般的輕松，其無疑是一條通往基礎(chǔ)科學(xué)的最佳捷徑。 因此，這10條內(nèi)容將采取便于理解也符合發(fā)展規(guī)律的倒述形式，從宇宙大爆炸這階段開始，理解行星、描述引力，再到生命進化起步，最后一頭鉆進量子物理學(xué)，去會一會那世上最讓人頭暈的玩意。
10.眾理論的敲磚石：大爆炸理論 標(biāo)準(zhǔn)釋義：大爆炸是描述宇宙誕生初始條件及其后續(xù)演化的宇宙學(xué)模型，其得到了當(dāng)今科學(xué)研究和觀測最廣泛且最精確的支持。目前一般所指的大爆炸觀點為：宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)演變而來的（根據(jù)2010年所得到的最佳觀測結(jié)果，這些初始狀態(tài)大約存在于133億年至139億年前），并經(jīng)過不斷的膨脹到達今天的狀態(tài)。 當(dāng)有誰想要試著觸碰一下深奧的科學(xué)理論，那么，從宇宙下手就對了，而解釋宇宙如何發(fā)展至今的大爆炸理論就是最好選擇。這條理論的基礎(chǔ)架構(gòu)在埃德溫·哈勃、喬治斯·勒梅特、阿爾伯特·愛因斯坦以及許多其他人士的研究之上，該理論說白了，就是假設(shè)宇宙開始于幾乎140億年前的一次重量級的爆炸。當(dāng)時的宇宙局限于一個奇點，包含了宇宙中的所有物質(zhì)，宇宙原始的運動——保持向外擴張，在今天仍在進行著。 大爆炸理論能得到如此廣泛的支持，離不開阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜的功勞。他們架設(shè)的一臺喇叭形狀的天線，接收到了一種怎么都消除不掉的噪聲信號，那就是宇宙的電磁輻射，即宇宙微波背景輻射。正是最初的大爆炸使得現(xiàn)在整個宇宙都充滿了這種可以檢測到的微弱輻射，對應(yīng)溫度大約為3K。
9.推算出宇宙年齡：哈勃定律 標(biāo)準(zhǔn)釋義：來自遙遠星系光線的紅移與它們的距離成正比。該定律由哈勃和米爾頓·修默生在將近十年的觀測之后，于1929年首先公式化，Vf=Hc×D（遠離速率=哈勃常數(shù)×相對地球的距離），其在今天經(jīng)常被援引作為支持大爆炸的一個重要證據(jù)，并成為宇宙膨脹理論的基礎(chǔ)。 這里涉及一個前文提到的人，埃德溫·哈勃。此人對宇宙學(xué)的貢獻值得讓人來回溯下他的事跡：在20世紀20年代呼嘯掠過、大蕭條蹣跚而至的歲月里，哈勃卻演繹了突破性的天文研究——他不僅證明除了銀河系外還有其他星系的存在，還發(fā)現(xiàn)了那些星系正以遠離銀河系的方向運動，而他公式中的遠離速率就是星系后退的速度，哈勃常數(shù)指的是宇宙膨脹速率的參數(shù)，而相對地球的距離主體也是這些星系。但據(jù)說，被尊為星系天文學(xué)創(chuàng)始人的哈勃本人卻非常不喜歡“星系”一詞，堅稱其為“河外星云”。 隨著時間流逝，斗轉(zhuǎn)星移，哈勃常數(shù)值也發(fā)生著變化，但這并沒很大關(guān)系。重要的是，正是該定律幫助量化了宇宙各星系的運動，推算遙遠星系的距離。而“宇宙是由許多星系組成”的概念的提出，以及發(fā)現(xiàn)這些星系的運動可以追溯至大爆炸，它們都使哈勃定律就像同樣以此人命名的天文望遠鏡般著名。
8.改變整個天文學(xué)：開普勒三定律 標(biāo)準(zhǔn)釋義：即行星運動定律，由開普勒發(fā)現(xiàn)的行星移動所遵守的三條簡單定律。第一定律：每一個行星都沿各自的橢圓軌道環(huán)繞太陽運行，而太陽則處在橢圓的一個焦點中；第二定律：在相等時間內(nèi)，太陽和運動著的行星的連線所掃過的面積都是相等的；第三定律：各個行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方和它們的橢圓軌道的半長軸的立方成正比。 圍繞著行星的運行軌道，尤其是它們是否以太陽為中心，科學(xué)家與宗教領(lǐng)袖以及自己的同行進行了長達數(shù)個世紀的爭斗。16世紀時，哥白尼提出了在當(dāng)時引發(fā)巨大爭議的日心說理論，認為行星是以太陽而不是地球為中心進行運行的。此后第谷·布拉赫等人也相繼有所論述。但真正為行星運動學(xué)建立明確科學(xué)基礎(chǔ)的，是約翰內(nèi)斯·開普勒。 開普勒于17世紀早期提出的行星運動三大定律，描述了行星是如何圍繞太陽運動的。第一定律，又被稱為橢圓定律；第二定律，又被稱面積定律，換句話解釋該定律，就是說如果你連續(xù)30天跟蹤測算地球與太陽之間連線隨地球運動所形成面積，就會發(fā)現(xiàn)不管地球在軌道的哪個位置，也不管何時開始測算，結(jié)果都是一樣的。至于第三定律，也稱調(diào)和定律，它使得我們能夠建立起一個行星軌道周期與距太陽遠近之間的明確關(guān)系。比如金星這樣非?？拷柕男行?，就有著比海王星短得多的軌道運行周期。正是這三條定律，徹底摧毀了托勒密復(fù)雜的宇宙體系。
7.大部分理論的基石：萬有引力定律 標(biāo)準(zhǔn)釋義：牛頓的普適萬有引力定律表示為，任意兩個質(zhì)點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)本質(zhì)或物理狀態(tài)以及中介物質(zhì)無關(guān)。該理論能夠由一個已經(jīng)寫進今天高中物理課本的公式進行表述：F=G×[(m1m2)/r2] 盡管今天人們將其看作是理所當(dāng)然的事情，但當(dāng)艾薩克·牛頓在300多年前提出萬有引力學(xué)說的時候，無疑是當(dāng)時最具有革命性的重大事件。牛頓提出的理論可以簡單表述為：任何兩個物體，不管各自質(zhì)量如何，相互之間都會發(fā)生作用力，而質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力越大。公式中，F(xiàn)指兩個物體之間的萬有引力，用“牛頓”作為計量單位；m1和m2分別代表兩個物體的質(zhì)量；r為兩者之間的距離；G是引力常數(shù)。 這是多種實踐條件下都相當(dāng)精確的定律，但物理學(xué)發(fā)展至今，人們已經(jīng)知道牛頓對重力描述的不完美性。然而，該定律仍不失為迄今所有科學(xué)中最實用的概念之一，它簡單、易學(xué)、且涵蓋面很廣，以至于在廣義相對論初問世的一段時間內(nèi)都甚少有人問津。更有意義的是，萬有引力定律讓渺小的人類獲得了計算龐大星球之間引力的能力，并且在發(fā)射軌道衛(wèi)星與測繪探月航線等方面尤其有用。
6.物理科學(xué)有了基本定理：牛頓運動定律 標(biāo)準(zhǔn)釋義：牛頓第一定律為慣性定律；牛頓第二定律建立起物體質(zhì)量與加速度之間的聯(lián)系；牛頓第三定律為作用力與反作用力定律。 還是牛頓。每當(dāng)我們談?wù)撈疬@位人類歷史上最杰出的科學(xué)家之一，總不由得從他最著名的力學(xué)三大定律開始。因為這些簡潔而優(yōu)雅的定律，奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。 簡單理解三大定律的意義，其第一條就讓我們知道，滾動的皮球之所以能夠在地板上運動，必定是受到外力的推動。這外力可能是與地板之間的摩擦，也許是小孩子踢出的一腳。第二定律以F=ma這個公式表述，同時也意味著一個具有方向性的矢量。那個皮球滾過地板時，因為加速度的原因，獲得了一個指向滾動方向的矢量。通過它便能夠計算出皮球所受到的作用力。第三定律相當(dāng)簡潔，也最為人們所熟知，其意思無外乎，用手指隨便戳戳哪個物體的表面，它們都將用同等的力量進行回應(yīng)。
5.熱力學(xué)基礎(chǔ)基本完備：熱力學(xué)三定律 標(biāo)準(zhǔn)釋義：熱力學(xué)第一定律，熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，也就是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律；第二定律有幾種表述方式，其中之一是不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化；第三定律，在熱力學(xué)溫度零度（即T=0開）時，一切完美晶體的熵值等于零。 英國物理學(xué)家和小說家查爾斯·珀西·斯諾曾經(jīng)有一段非常著名的論述:“不懂得熱力學(xué)第二定律的非科學(xué)家，就像一個從沒讀過莎士比亞的科學(xué)家一樣。”斯諾的言語意在批評科學(xué)與人文之間“兩種文化”的隔絕與分裂，但卻無意中在文人圈里“捧紅”了熱力學(xué)第二定律。其實，斯諾的論述確實強調(diào)并呼吁人文學(xué)者都應(yīng)該去了解一下它的重要性。 熱力學(xué)是研究系統(tǒng)中能量運動的科學(xué)。這里的系統(tǒng)既可以是一臺發(fā)動機，也可以是熾熱的地核。斯諾運用自己的聰明才智將其精簡成為以下若干條基本規(guī)則：你贏不了、你無法實現(xiàn)收支平衡、你無法退出游戲。 該如何理解這些說法呢？首先來看所謂的“你贏不了”。斯諾的意思是指既然物質(zhì)與能量是守恒關(guān)系，在能量轉(zhuǎn)換過程中，我們無法實現(xiàn)一種能量形式到另一種的對等轉(zhuǎn)換而不損失一部分能量。就像如果要發(fā)動機做功，就必須提供熱能一樣。即便是在一個完美極致的封閉空間中，部分熱量依然將不可避免地散逸到外部世界中去。 而這就引發(fā)了第二定律——你實現(xiàn)不了收支平衡。鑒于熵的無限增加，我們無法返回或保持相同的能量狀態(tài)。因為熵總是從濃度高的地方向濃度低的區(qū)域流動。而有熵的存在，也是永動機不可能出現(xiàn)的原因。 最后是第三定律——無法退出的游戲。這里要涉及到絕對零度，即理論上可能達到的最低溫度，一般指零開爾文（零下273.15攝氏度或零下459.67華氏度）。第三定律的表述為，當(dāng)系統(tǒng)達到絕對零度時，分子將停止一切運動，即沒動能，熵也能達到理論上的最低值。但現(xiàn)實世界中，即使在宇宙的深處，達到絕對零度也是不可能的。你只能無限地接近所謂的終點。
4.公元前200年的大智慧：阿基米德定律 標(biāo)準(zhǔn)釋義：物理學(xué)中的阿基米德定律，即阿基米德浮力原理，是指浸在靜止流體中的物體受到流體作用的合力大小等于物體排開的流體的重力，這個合力稱為浮力。數(shù)學(xué)表達式為：F浮=G排 關(guān)于阿基米德是如何發(fā)現(xiàn)浮力原理這一物理學(xué)重大突破的，有著一個繪聲繪色、孩子們都耳熟能詳?shù)膫髡f：阿基米德某次洗澡的時候，看到浴缸里的水會隨著自己身體的浸入而上升，便受到啟發(fā)開始了思考。而當(dāng)他最終確定發(fā)現(xiàn)了浮力理論之后，這位古希臘最偉大的哲人一邊興奮地大喊“找到了！找到了！”，一邊裸露著身體狂奔在錫拉丘茲城的大街小巷。 古希臘學(xué)者阿基米德的古老發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在人類社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。根據(jù)浮力原理，施加在一個部分或整體淹沒于液體中的物體的作用力，等于該物體液內(nèi)體積所排出的液體重量。這對于計算物體的密度，進而進行潛艇和遠洋輪船的設(shè)計建造，具有關(guān)鍵性意義。
3.我們自身的探討：進化與自然選擇 標(biāo)準(zhǔn)釋義：進化，即演化，在生物學(xué)中是指種群里的遺傳性狀在世代之間的變化。自然選擇也稱為天擇，指生物的遺傳特征在生存競爭中，具有了某優(yōu)勢或某劣勢，進而在生存能力上產(chǎn)生差異，并導(dǎo)致繁殖能力的差異，使得這些特征被保存或是淘汰。 既然我們已經(jīng)建立起關(guān)于宇宙何以從無到有，以及物理學(xué)在日常生活中是如何發(fā)揮作用的若干基礎(chǔ)概念體系，下一步便可以開始關(guān)注我們?nèi)祟愖约旱男问絾栴}，即我們是如何成為今天這番模樣的。 我們知道，基因是會復(fù)制給下一代的，但基因突變會讓其情況出現(xiàn)變化，這種變化了的新情況，可能隨著物種遷徙等在種群中傳遞。 那么按照當(dāng)今大多數(shù)科學(xué)家的觀點，所有地球生物曾經(jīng)擁有一個共同的祖先。后來隨著時間的發(fā)展，部分開始進化成為特征鮮明的特定物種。久而久之，生物多樣性便逐漸在所有有機生物中增加與擴展開來。 從最基本的意義上說，基因突變等變異機制在生物進化的過程中一直發(fā)生著。而每一階段的這些細節(jié)變化都會通過世代的遺傳而得以保留。相應(yīng)的，生物種群也因此發(fā)展出了不同的特征，并且這些特征往往能夠幫助生物更好地繁衍生存下來。比如棕色皮膚的青蛙，顯然比其他顏色的同類更適宜以偽裝的方式在泥濘的沼澤地區(qū)生存。這便是所謂的自然選擇。 當(dāng)然，對于進化與自然選擇理論，我們還可以將其應(yīng)用到更廣泛的生物范圍。但是達爾文在19世紀提出的“地球生命豐富的多樣性，來源于進化中的自然選擇”，無疑依舊是最基礎(chǔ)和最具開創(chuàng)性的。
2.永遠轉(zhuǎn)變了理解宇宙的方式：廣義相對論 標(biāo)準(zhǔn)釋義：引力在此被描述為時空的一種幾何屬性（曲率），而這種時空曲率與處于時空中的物質(zhì)與輻射的能量—動量張量直接相聯(lián)系，其聯(lián)系方式即是愛因斯坦的引力場方程（一個二階非線性偏微分方程組）。 對于任何一個不曾學(xué)習(xí)或研究它的人來說，廣義相對論的標(biāo)準(zhǔn)釋義看了和沒看一個樣。因為它在解釋該詞條時，至少又用了4組不被人理解的詞匯。 它的內(nèi)涵和外延涉及甚廣，似乎非論文形式不能描述。在此，我們且看看被稱為現(xiàn)代引力理論研究的最高水平的廣義相對論在論什么。作為比牛頓萬有引力更具有一般性的理論，質(zhì)量還是一個決定引力的重要屬性，但是不再是引力的唯一來源。 在愛因斯坦這里，引力已不再是牛頓所描述的一種力，甚至可以說，已沒有了原來引力的概念。因為愛因斯坦把它看成物體周圍的時空彎曲，以前所說的“物體受引力作用所作的運動”，被歸結(jié)為物體在一個彎曲時空中，沿短程線的自由運動。 如果讓“彎曲時空”的概念更明朗化些，可以想象環(huán)繞地球飛行的航天飛機里的宇航員，對他們而言，他們是按直線方式在太空中飛行，但實際上航天飛機周圍的時空，已經(jīng)被地球的引力所彎曲，這使航天飛機成為又能向前飛行又能圍繞地球轉(zhuǎn)的物體。 按美國相對論研究的首席專家約翰·惠勒解釋，這種所謂時空的幾何屬性可以這樣概述：時空告訴物質(zhì)如何運動，物質(zhì)告訴時空如何彎曲。因而，其可以展現(xiàn)出宇宙星光受大天體影響的彎曲方式，并且為研究黑洞奠定了理論基礎(chǔ)。
1.上帝擲骰子嗎：海森堡測不準(zhǔn)原理 標(biāo)準(zhǔn)釋義：德國物理學(xué)家海森堡于1927年提出，表明量子力學(xué)中的不確定性，指在一個量子力學(xué)系統(tǒng)中，一個粒子的位置和它的動量（粒子的質(zhì)量乘以速度）不可被同時確定。 “測量！在經(jīng)典理論中，這不是一個被考慮的問題。”《量子物理史話》如是說。 那是因為在經(jīng)典物理學(xué)里，你、我——或作為觀測者的任何一人，對這個等待被測量的客觀物體是沒有影響，或影響甚微以致可忽略不計的。那時就算我們弄不懂個中道理，也不妨礙原理待在那，等著我們慢慢參詳。 但現(xiàn)在就要踏入量子世界的魔潭了，此處我們作為觀測者會給實驗現(xiàn)象帶來一定的擾動，因此如果測一個電子的動量，所得值只是相對你這個觀測者而言的。微觀世界中，要以“概率”來論——所謂上帝擲骰子。 當(dāng)年的華納·海森堡就在此中有了突破性的發(fā)現(xiàn)——人們無法同時得到粒子的兩種變量精確信息，哪怕再精密的儀器都不行。具體講，你或者可以準(zhǔn)確地知道電子的位置，但無法同時知道其動量，或者反之，得此失彼。而類似的不確定性也存在于能量和時間、角動量和角度等許多物理量之間。 或許你沒明白這件事的詭異性。就像之前提到的，量子世界里的量既然是相對性，那只要它存在，就應(yīng)該可以被測量出來；既然無論如何不能測量到，那它就不復(fù)存在。 因此，在你沒確定測量這個物理量的手段的時候，談?wù)撍翢o意義。一個電子的動量，只有當(dāng)你測量時，也才有意義。 這更像是一個哲學(xué)話題了。而“海森堡測不準(zhǔn)原理”與其說是實驗中發(fā)現(xiàn)的，倒不如說是海森堡和他老師玻爾等人討論出來的。 到了玻爾發(fā)現(xiàn)電子同時具有粒子和波的雙重性質(zhì)（量子物理的柱石，波粒二象性），當(dāng)我們測量電子的位置時，我們將其當(dāng)作粒子，波長不定；而當(dāng)我們要測量動量時，我們將其當(dāng)作波，知道波長的量值卻失去它的位置。 即便你現(xiàn)在無比混亂，這依然沒什么大不了的。玻爾的名言就是：“如果誰不為量子論而困惑，那他一定沒有理解量子論?！鳖愃频脑捹M曼也說過。所以我們沒啥好郁悶的，愛因斯坦和我們一個狀況。 該文章在 2011/5/10 22:12:20 編輯過 |
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