無(wú)論我們是發(fā)射航天飛機(jī)還是試圖發(fā)現(xiàn)另一個(gè)類似地球的行星，我們都依賴于科學(xué)規(guī)律和理論來(lái)指導(dǎo)我們。
當(dāng)科學(xué)家們?cè)噲D描述自然和宇宙是如何運(yùn)作的時(shí)候，他們有許多可用的工具。他們通常先接觸定律和理論。有什么區(qū)別呢？
科學(xué)的定律往往被簡(jiǎn)化為一個(gè)數(shù)學(xué)陳述（如E = mc2），它是一種基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特定陳述，其真實(shí)性通常被限制在一定的條件下。例如，在E = mc2，c是指在真空中光速。
科學(xué)理論常常試圖綜合一系列對(duì)特定現(xiàn)象的證據(jù)或觀察。它通常（盡管并非總是）是關(guān)于自然運(yùn)行方式的更宏大、可驗(yàn)證的陳述。你不可能把一個(gè)科學(xué)理論簡(jiǎn)化成一個(gè)精辟的陳述或方程式，但它確實(shí)代表了自然界運(yùn)作的一些基本原理。
定律和理論都依賴于科學(xué)方法的基本要素，如生成假設(shè)、檢驗(yàn)前提、發(fā)現(xiàn)(或找不到)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)和得出結(jié)論。最終，如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)注定要成為被廣泛接受的法律或理論的基礎(chǔ)，那么其他科學(xué)家必須能夠復(fù)制這些結(jié)果。
在這篇文章中，我們將看看你可能想要復(fù)習(xí)的10個(gè)科學(xué)定律和理論，即使這些定律和理論你自己都沒有注意過(guò)，比如經(jīng)常操作掃描電子顯微鏡。我們將從一聲巨響開始，然后繼續(xù)討論宇宙的基本定律，然后再討論進(jìn)化論。最后，我們將討論一些更重要的材料，深入到量子物理學(xué)領(lǐng)域。
大爆炸理論
如果你想知道大爆炸科學(xué)理論說(shuō)的什么，簡(jiǎn)單的說(shuō)，你可以把它當(dāng)成解釋宇宙如何到達(dá)現(xiàn)在狀態(tài)的理論。根據(jù)埃德溫·哈勃、喬治·勒邁特和阿爾伯特·愛因斯坦等人的研究，大爆炸理論假設(shè)宇宙始于大約140億年前的一次大規(guī)模膨脹事件。當(dāng)時(shí)，宇宙被限制在一個(gè)點(diǎn)上，包含了宇宙中所有的物質(zhì)。隨著宇宙不斷向外擴(kuò)張，最初的運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到今天。
阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1965年發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射后，大爆炸理論在科學(xué)界得到了廣泛的支持。這兩位天文學(xué)家利用射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到宇宙噪聲，也就是靜態(tài)噪聲，這些噪聲不會(huì)隨時(shí)間消散。他們與普林斯頓大學(xué)的研究人員羅伯特·迪克合作，證實(shí)了迪克的假設(shè)，即最初的大爆炸在整個(gè)宇宙中留下了可探測(cè)到的低輻射。
膨脹的宇宙
讓我們關(guān)注一下埃德溫·哈勃。當(dāng)20世紀(jì)20年代呼嘯而過(guò)，大蕭條一瘸一拐地過(guò)去時(shí)，哈勃正在進(jìn)行開創(chuàng)性的天文學(xué)研究。哈勃望遠(yuǎn)鏡不僅證明了銀河系之外還有其他星系，他還發(fā)現(xiàn)這些星系正在遠(yuǎn)離我們自己的星系，這是一種被他稱為“衰退”的運(yùn)動(dòng)。
為了量化這個(gè)星系的速度運(yùn)動(dòng)，哈勃提出了哈勃宇宙膨脹定律，又稱哈勃定律，一個(gè)狀態(tài)方程：速度= H×距離。速度表示星系的后退速度；H是哈勃常數(shù)，或表示宇宙膨脹速度的參數(shù)；距離是星系與被比較的星系的距離。
隨著時(shí)間的推移，哈勃的常數(shù)以不同的值計(jì)算，但是當(dāng)前的接受值是70公里/秒/每百萬(wàn)秒差距（70(km/s)/Mpc），后者是星系間空間的距離單位。就我們的目的而言，這并不重要。最重要的是，哈勃定律提供了一種簡(jiǎn)明的方法來(lái)測(cè)量星系的速度與我們自身的速度的關(guān)系。也許最重要的是，定律確定了宇宙是由許多星系組成的，這些星系的運(yùn)動(dòng)可以追溯到大爆炸。
行星太陽(yáng)連線在相同時(shí)間掃過(guò)陰影面積相同
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們就行星的運(yùn)行軌道，特別是它們是否圍繞著我們的太陽(yáng)運(yùn)行，彼此和宗教領(lǐng)袖們進(jìn)行著斗爭(zhēng)。在16世紀(jì)，哥白尼提出了他有爭(zhēng)議的日心說(shuō)，即行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，而不是地球。但是，約翰內(nèi)斯·開普勒需要在泰科·布拉赫和其他人的研究基礎(chǔ)上，為行星的運(yùn)動(dòng)建立一個(gè)清晰的科學(xué)基礎(chǔ)。
開普勒在17世紀(jì)初形成的行星運(yùn)動(dòng)三定律描述了行星如何圍繞太陽(yáng)運(yùn)行。第一個(gè)定律，有時(shí)被稱為軌道定律，指出行星圍繞太陽(yáng)的軌道是橢圓形的。第二定律，面積定律，規(guī)定行星與太陽(yáng)之間的連線在相同的時(shí)間內(nèi)覆蓋了相同的面積。換句話說(shuō)，如果你測(cè)量從地球到太陽(yáng)的一條線所產(chǎn)生的面積，并追蹤地球在30天內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，那么無(wú)論測(cè)量開始時(shí)地球在其軌道上的哪個(gè)位置，面積都是一樣的。
第三個(gè)是周期定律，它允許我們?cè)谛行堑能壍乐芷诤退c太陽(yáng)的距離之間建立一個(gè)清晰的關(guān)系。由于這一定律，我們知道一顆相對(duì)接近太陽(yáng)的行星，如金星，其軌道周期比遙遠(yuǎn)的行星(如海王星)要短得多。
萬(wàn)有引力定律
我們現(xiàn)在可能認(rèn)為這是理所當(dāng)然的，但300多年前，艾薩克·牛頓爵士提出了一個(gè)革命性的想法：任何兩個(gè)物體，無(wú)論其質(zhì)量如何，都會(huì)相互施加引力。這一定律由許多中學(xué)生在物理課上遇到的一個(gè)等式表示。是如下:
F = G×[(m1m2)/ r2]
F是兩個(gè)物體之間的萬(wàn)有引力，單位是牛頓。m1和m2是兩個(gè)物體的質(zhì)量，r是它們之間的距離。G是引力常數(shù)，目前計(jì)算是6.672×10 ^-11 N·m2/ kg2。
萬(wàn)有引力定律的好處是，它允許我們計(jì)算任意兩個(gè)物體之間的引力。當(dāng)科學(xué)家計(jì)劃將衛(wèi)星送入軌道或繪制月球軌跡時(shí)，這種能力尤其有用。
牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律
只要我們談?wù)摰氖怯惺芬詠?lái)最偉大的科學(xué)家之一，讓我們繼續(xù)討論牛頓的其他著名定律。他的三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分。和許多科學(xué)定律一樣，它們的簡(jiǎn)單性也相當(dāng)優(yōu)雅。
三定律中的第一條規(guī)定，運(yùn)動(dòng)中的物體除非受到外力的作用，否則它不會(huì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于一個(gè)滾過(guò)地板的球來(lái)說(shuō)，外力可能是球和地板之間的摩擦，或者是蹣跚學(xué)步的孩子把球踢向另一個(gè)方向。
第二定律之間建立一個(gè)連接對(duì)象的質(zhì)量(m)和它的加速度(a)，方程的形式F = m×a。F代表力量，單位為牛頓。它也是一個(gè)矢量，意味著它有一個(gè)方向分量。由于它的加速度，在地板上滾動(dòng)的球有一個(gè)特定的矢量，一個(gè)它運(yùn)動(dòng)的方向，它在計(jì)算它的力時(shí)是有原因的。
第三條定律相當(dāng)精辟，你應(yīng)該很熟悉：每一個(gè)行為都有一個(gè)平等和對(duì)立的反應(yīng)。也就是說(shuō)，對(duì)一個(gè)物體或表面施加的每一個(gè)力，這個(gè)物體都以相等的力向后推。
熱力學(xué)定律在起作用
英國(guó)物理學(xué)家和小說(shuō)家C.P.斯諾曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，一個(gè)不知道熱力學(xué)第二定律的非科學(xué)家就像一個(gè)從未讀過(guò)莎士比亞的科學(xué)家。斯諾現(xiàn)在著名的說(shuō)法是為了強(qiáng)調(diào)熱力學(xué)的重要性和非科學(xué)家了解熱力學(xué)的必要性。
熱力學(xué)是研究能量如何在一個(gè)系統(tǒng)中工作的，不管是一個(gè)引擎還是地球的核心。它可以歸結(jié)為幾個(gè)基本定律，斯諾聰明地總結(jié)為:
讓我們把這些整理一下。通過(guò)說(shuō)你贏不了，斯諾意味著既然物質(zhì)和能量是守恒的，你就不能得到一個(gè)而不放棄另一個(gè)。（例如，E = mc2）。這也意味著引擎要產(chǎn)生功，就必須提供熱量，盡管除了完全封閉的系統(tǒng)之外，其他任何系統(tǒng)都不可避免地會(huì)失去一些熱量，這就引出了第二定律。
第二種說(shuō)法，你不能收支平衡，意味著由于熵越來(lái)越大，你不能回到相同的能量狀態(tài)。集中在一個(gè)地方的能量總是流向低濃度的地方。
最后，第三定律，你不能退出游戲，指的是絕對(duì)零度，這是可能的最低的理論溫度，以0開爾文或(- 273.15攝氏度和- 459.67華氏度)測(cè)量。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)達(dá)到絕對(duì)零度時(shí)，分子停止了所有的運(yùn)動(dòng)，這意味著沒有動(dòng)能，熵達(dá)到了可能的最低值。但在現(xiàn)實(shí)世界中，即使是在空間的深處，達(dá)到絕對(duì)零度也是不可能的，你只能非常接近它。
浮力使從橡皮鴨到遠(yuǎn)洋客輪的一切都保持漂浮狀態(tài)
古希臘學(xué)者阿基米德發(fā)現(xiàn)自己的浮力原理后，據(jù)稱他大喊“找到了?。‥ureka）!”，然后赤身裸體地在錫拉丘茲城奔跑。這個(gè)發(fā)現(xiàn)非常重要。據(jù)說(shuō)阿基米德在進(jìn)入浴盆時(shí)發(fā)現(xiàn)水勢(shì)上升，這是他的重大突破。
根據(jù)阿基米德的浮力原理，作用于或浮于水中或部分沉入水中的物體的力等于該物體所排開的液體的重量。這種原理的應(yīng)用范圍很廣，對(duì)計(jì)算密度、設(shè)計(jì)潛艇和其他遠(yuǎn)洋船只都非常重要。
一個(gè)假設(shè)的(和簡(jiǎn)化的)例子，說(shuō)明自然選擇如何在青蛙中進(jìn)行
既然我們已經(jīng)建立了一些關(guān)于宇宙起源的基本概念以及物理學(xué)在我們?nèi)粘Ｉ钪械谋憩F(xiàn)，讓我們把注意力轉(zhuǎn)向人類形態(tài)以及我們?nèi)绾纬蔀楝F(xiàn)在的樣子。根據(jù)大多數(shù)科學(xué)家的說(shuō)法，地球上所有的生命都有一個(gè)共同的祖先。但是為了在所有生物體之間產(chǎn)生巨大的差異，某些生物必須進(jìn)化成不同的物種。
在基本的意義上，這種分化是通過(guò)進(jìn)化和修改而產(chǎn)生的。通過(guò)突變等機(jī)制，生物種群發(fā)展出了不同的特征。那些具有更有利于生存的特征的物種，例如，一只棕色的青蛙，它可以偽裝在沼澤中，自然地被選擇生存；自然選擇一詞由此而來(lái)。
我們有可能對(duì)這兩種理論進(jìn)行更深入的闡述，但這是達(dá)爾文在19世紀(jì)所做的最基本、最具開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn):通過(guò)自然選擇的進(jìn)化解釋了地球上生命的巨大多樣性。
愛因斯坦的廣義相對(duì)論改變了我們對(duì)宇宙的理解
阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對(duì)論仍然是一個(gè)重要而重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗谰玫馗淖兞宋覀儗?duì)宇宙的看法。愛因斯坦的重大突破是他說(shuō)空間和時(shí)間不是絕對(duì)的，重力不是簡(jiǎn)單地作用于物體或質(zhì)量上的力。相反，與任何質(zhì)量相關(guān)的重力會(huì)使它周圍的空間和時(shí)間(通常稱為時(shí)空)發(fā)生彎曲。
為了概念化這個(gè)概念，假設(shè)你沿著一條直線穿越地球，向東，從北半球的某個(gè)地方開始。過(guò)了一段時(shí)間，如果有人在地圖上指出你的位置，你實(shí)際上就在你原來(lái)位置的東南方。那是因?yàn)榈厍蚴菑澢?。要直接向東旅行，你必須考慮到地球的形狀，并將自己稍稍向北傾斜。(想想平面地圖和球形地球的區(qū)別。)
空間幾乎是一樣的。例如，對(duì)于環(huán)繞地球運(yùn)行的航天飛機(jī)的乘客來(lái)說(shuō)，它們看起來(lái)就像是在一條直線上穿越太空。事實(shí)上，它們周圍的時(shí)空被地球的引力彎曲(就像對(duì)任何具有巨大引力的大型物體，如行星或黑洞一樣)，導(dǎo)致它們向前移動(dòng)，并看上去繞地球運(yùn)行。
愛因斯坦的理論對(duì)天體物理學(xué)和宇宙學(xué)的未來(lái)有著巨大的影響。它解釋了水星軌道上的一個(gè)微小的、意想不到的異常，展示了星光是如何彎曲的，并為黑洞奠定了理論基礎(chǔ)。
不確定性原理
愛因斯坦的廣義相對(duì)論告訴我們更多關(guān)于宇宙是如何運(yùn)作的，并為量子物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)，但它也給理論科學(xué)帶來(lái)了更多的困惑。1927年，德國(guó)科學(xué)家維爾納·海森堡發(fā)現(xiàn)了宇宙規(guī)律，在某些情況下，這種感覺是靈活的。
在假定他的不確定原理時(shí)，海森堡發(fā)現(xiàn)不可能精確度很高的同時(shí)知道一個(gè)粒子的兩種性質(zhì)。換句話說(shuō)，你可以很確定地知道電子的位置，但不能知道它的動(dòng)量，反之亦然。
尼爾斯·玻爾后來(lái)有了一個(gè)發(fā)現(xiàn)，有助于解釋海森堡的原理。玻爾發(fā)現(xiàn)一個(gè)電子具有粒子和波的性質(zhì)，這一概念被稱為波粒二象性，它已經(jīng)成為量子物理學(xué)的基石。所以當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)電子的位置時(shí)，我們把它當(dāng)作一個(gè)粒子，在空間的一個(gè)特定點(diǎn)，它的波長(zhǎng)是不確定的。當(dāng)我們測(cè)量它的動(dòng)量時(shí)，我們把它當(dāng)作一個(gè)波，這意味著我們可以知道它的波長(zhǎng)的振幅，但不能知道它的位置。
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