10大你不得不知的科學(xué)定律
無(wú)論我們要發(fā)射宇宙飛機(jī)或是試圖發(fā)現(xiàn)另一顆類(lèi)似于地球的行星，我們都有賴(lài)于科學(xué)定律和理論的指引。當(dāng)科學(xué)家們想要描述自然和整個(gè)宇宙的運(yùn)作之時(shí)，他們有許多可以運(yùn)用的工具。通常他們會(huì)首先尋求定律和理論。那么這有何不同呢？一條科學(xué)定律通?？珊?jiǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)式，例如 E = mc2；這是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)而得出的特定表達(dá)式，一般而言，該等式在特定條件下方成立。比如在E = mc2 這個(gè)例子中，c代表真空中的光速。
科學(xué)理論通常試圖將有關(guān)于某一特定現(xiàn)象的證據(jù)和觀(guān)察加以總結(jié)。這在一般情況下——盡管并非總是成立——從宏觀(guān)的角度揭示了自然的運(yùn)作方式，并且可以加以驗(yàn)證?？茖W(xué)理論無(wú)法簡(jiǎn)化成表達(dá)式或方程式，但它確實(shí)代表了自然運(yùn)作的一些規(guī)律。
科學(xué)定律和理論都建立于科學(xué)方法中的基本元素之上，包括提出假設(shè)，驗(yàn)證假設(shè)，搜集（或不搜集）實(shí)驗(yàn)證據(jù)，以及得出結(jié)論。最后，若該實(shí)驗(yàn)要構(gòu)成普遍接受的定律或理論的基礎(chǔ)，那么其他的科學(xué)家必須能重現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在本文中，我們將會(huì)談到10條你或許想知道的科學(xué)定律和理論。這么說(shuō)吧，即便你沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自己是如此頻繁地使用掃描電子顯微鏡，你也會(huì)想知道這些。我們以大爆炸理論為起點(diǎn)，繼而談到宇宙基本規(guī)律，再觸及人類(lèi)進(jìn)化，并最終著眼于較為深?yuàn)W的問(wèn)題，深入至量子物理學(xué)領(lǐng)域。
10：大爆炸理論
如果你打算了解一些科學(xué)理論，那么你就應(yīng)該選擇這個(gè)解釋宇宙如何發(fā)展至今的理論。大爆炸理論基于愛(ài)德文·哈勃、喬治斯·勒梅特，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦以及其他人士的研究之上，該理論假定宇宙開(kāi)始于140億年前的一次巨型爆炸。當(dāng)時(shí)，宇宙只是一個(gè)奇點(diǎn)，包囊了宇宙中的所有物質(zhì)。宇宙持續(xù)向外擴(kuò)張，因而可以得知最初的爆炸一直延續(xù)至今。
阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1965年發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，這使得大爆炸理論在科學(xué)界獲得了廣泛支持。這兩位天文學(xué)家利用無(wú)線(xiàn)電望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)出了宇宙噪聲(或是天電干擾)，而且并不隨著時(shí)間消散。他們與普林斯頓大學(xué)的研究者羅伯特·迪克合作，驗(yàn)證了迪克提出的假設(shè)，也就是最初的大爆炸使得整個(gè)宇宙都充滿(mǎn)了可以檢測(cè)到的微弱輻射。
9：哈勃宇宙膨脹定律
哈勃以及著名定律幫助量化了宇宙各星系的運(yùn)動(dòng)。讓我們來(lái)繼續(xù)了解下愛(ài)德文·哈勃吧。當(dāng)20世紀(jì)20年代倏忽而過(guò)，經(jīng)濟(jì)大蕭條踉蹌前行之時(shí)，哈勃正進(jìn)行著開(kāi)創(chuàng)性的天文研究。哈勃不僅證明了除了銀河系外還有其他星系的存在，也發(fā)現(xiàn)了這些星系正遠(yuǎn)離銀河系，他講這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)之為星系后退。
為了測(cè)算這種星系運(yùn)動(dòng)的速度，哈勃提出了哈勃宇宙膨脹定律，也稱(chēng)哈勃定律。可用等式表述為：速度=H0× 距離。其中，速度表示星系后退的速度，H0為哈勃常數(shù)，也即宇宙膨脹速率的參數(shù)，而距離指的是星系與相比較星系之間的距離。
隨著時(shí)間的推移，哈勃常數(shù)的值也發(fā)生著變化，但是現(xiàn)在所接受的值為70千米/（秒·百萬(wàn)秒差距），百萬(wàn)差距為天體距離的單位。但這對(duì)我們而言并不那么重要。至關(guān)重要的是，哈勃定律提供了精確測(cè)量銀河系相關(guān)星系的運(yùn)動(dòng)速度?；蛟S哈勃定律最為重要的意義在于其提出了宇宙由許多星系組成，而這些星系的運(yùn)動(dòng)可追溯至最初的大爆炸。
8：開(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律
數(shù)百年來(lái)，科學(xué)家和宗教領(lǐng)袖一直就行星的運(yùn)行軌道爭(zhēng)論不休，對(duì)于地球是否圍繞太陽(yáng)運(yùn)行這一問(wèn)題尤為如此。16世紀(jì)，哥白尼提出了頗具爭(zhēng)議的日心說(shuō)，認(rèn)為行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)而非地球。然而直到約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒在第谷·布拉赫及他人成果的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步研究之后，行星運(yùn)動(dòng)的科學(xué)基礎(chǔ)才得以建立。
開(kāi)普勒于17世紀(jì)初提出了行星運(yùn)動(dòng)三大定律，揭示了行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的方式。開(kāi)普勒第一定律，也稱(chēng)橢圓定律，指出每一個(gè)行星沿橢圓軌道圍繞太陽(yáng)。開(kāi)普勒第二定律，也即面積定律，指出從太陽(yáng)到行星所聯(lián)接的直線(xiàn)在相等時(shí)間內(nèi)掃過(guò)同等的面積。換言之，如果你想測(cè)量地球和太陽(yáng)間直線(xiàn)掃過(guò)的面積并且對(duì)地球30天的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行記錄，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)論測(cè)量開(kāi)始時(shí)地球位于軌道何處，得到的面積總是相等。
開(kāi)普勒第三定律，也即調(diào)和定律，清楚地表明了行星公轉(zhuǎn)周期與其離日距離之間的關(guān)系。正因?yàn)榱擞羞@條定律，我們才能得知例如金星這樣離日相對(duì)較近的行星的公轉(zhuǎn)周期要短于離日較遠(yuǎn)的行星，例如海王星。
7：萬(wàn)有引力定律
正是有了牛頓的萬(wàn)有引力定律，我們才能計(jì)算出任意兩物體間的引力?；蛟S如今我們對(duì)此已習(xí)以為常，然而艾薩克·牛頓先生300多年前提出的觀(guān)點(diǎn)在當(dāng)時(shí)頗具顛覆意義：任意兩物體，無(wú)論質(zhì)量如何，彼此之間具有引力。這條定律可由如下等式表示，許多中學(xué)生在物理課上都會(huì)學(xué)到該等式。
F = G × [(m1m2)/r2]<><>< span=""> F表示兩物體之間產(chǎn)生的引力，單位為牛頓。M1和M2表示兩物體的智力，r則表示兩物體之間的距離。G是萬(wàn)有引力常數(shù)，近似等于6.672 × 10-11 N m2 kg-2。
6：牛頓運(yùn)動(dòng)定律
既然我們正在談?wù)撌飞献顐ゴ蟮目茖W(xué)家之一，那么我們就來(lái)看看牛頓其他的一些著名定律吧。牛頓的運(yùn)動(dòng)三定律是現(xiàn)代學(xué)力學(xué)的重要組成部分。正如許多其他科學(xué)定律一樣，運(yùn)動(dòng)三定律因其簡(jiǎn)練而彰顯優(yōu)雅。
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律指出在不受外力作用下，動(dòng)者恒動(dòng)。對(duì)于一個(gè)在地面上滾動(dòng)的球而言，外力可能是球與地面之間的摩擦力或者幼童相反方向踢球產(chǎn)生的力。
牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律指出了物體質(zhì)量和其加速度之間的聯(lián)系，表達(dá)式為：F = m × a。F代表合外力，單位為牛頓。合外力同時(shí)也是一個(gè)矢量，表示其具有方向。由于具有加速度，在地面滾動(dòng)的球有著特定的運(yùn)動(dòng)方向，而在計(jì)算球所受的合外力時(shí)要將該方向考慮在內(nèi)。
牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律極為簡(jiǎn)練，應(yīng)當(dāng)為人所熟知：任意作用力必有其反作用力。也就是說(shuō)，對(duì)于任一物體或表面施加的作用力，該物體或表面必會(huì)產(chǎn)生相同的反作用力。
5：熱力學(xué)定律
英國(guó)物理學(xué)家和小說(shuō)家C·P斯諾曾說(shuō)過(guò)一個(gè)不是科學(xué)家的人不知道熱力學(xué)定律的話(huà)就如同一個(gè)科學(xué)家未曾看過(guò)莎士比亞的著作一般。斯諾的這番話(huà)現(xiàn)在十分有名，這不僅強(qiáng)調(diào)了熱力學(xué)的重要性，也強(qiáng)調(diào)了大眾了解熱力學(xué)定律的必要性。熱力學(xué)定律研究了一系統(tǒng)中能量的運(yùn)動(dòng)方式，這系統(tǒng)既可以是引擎也可以是地核。熱力學(xué)定律可簡(jiǎn)化為幾條基本定律。斯諾將其歸納如下：
讓我們對(duì)此稍加理解。“你贏(yíng)不了”，這句話(huà)斯諾指出因?yàn)槲镔|(zhì)和能量都是守恒的，你不可能在沒(méi)有損耗的情況下獲得能量（也即E=mc2）。這還指出你必須提供熱量才能使引擎工作。盡管除了完全封閉的系統(tǒng)之外，熱量必然傳遞給外界，從而發(fā)生損耗。這就引出了第二條規(guī)律。
·你贏(yíng)不了
·你不能達(dá)成平衡
·你不能退出這場(chǎng)游戲
規(guī)律二——你不能達(dá)成平衡——指出由于熵的不斷增加，你不可能回到同一能量狀態(tài)。因?yàn)槟芰靠偸怯蔁崽庌D(zhuǎn)到冷處。
最后，規(guī)律三——你不能退出這場(chǎng)游戲——指的是絕對(duì)零度，這是理論上能到達(dá)的最低溫度，即0開(kāi)攝氏度（也可表示為-273.15攝氏度或-459.67華攝氏度）。當(dāng)一系統(tǒng)達(dá)到絕對(duì)零度時(shí)，分子停止一切運(yùn)動(dòng)，意味著此時(shí)不再有動(dòng)能，而熵也達(dá)到了其可能的最低值。然而在真實(shí)世界中，即便在宇宙深處，也不可能達(dá)到絕對(duì)零度——你只能無(wú)限接近絕對(duì)零度。
4.：阿基米德浮力原理
浮力讓從橡膠鴨到遠(yuǎn)洋輪船的一切物體都能浮于水面之上。在阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力原理之后，這位古代希臘學(xué)者大聲叫著：“我找到了！”并且光著身子在錫拉丘茲市跑著。這個(gè)發(fā)現(xiàn)極為重要。
據(jù)說(shuō)阿基米德發(fā)現(xiàn)當(dāng)自己進(jìn)入浴盆之時(shí)，盆中的水便會(huì)上升，因?yàn)椴庞辛诉@個(gè)重大突破。
浸沒(méi)或部分浸沒(méi)在水中的物體所受的浮力等于其排開(kāi)的水的重力。該原理適用范圍很廣，對(duì)于密度的計(jì)算和潛艇和遠(yuǎn)洋船只的設(shè)計(jì)極其重要。
3：演化與天擇
既然現(xiàn)在我們對(duì)于宇宙的起源和物理在日常生活中的作用已經(jīng)有了基本認(rèn)識(shí)，那么讓我們轉(zhuǎn)而關(guān)注人類(lèi)以及其演化方式。很多科學(xué)家認(rèn)為地球上的一切生命都擁有相同的祖先。但是為了在所有生物體之間產(chǎn)生巨大的差異，一些生物必須進(jìn)化為獨(dú)特的物種。
基本而言，通過(guò)演化和后代的改良，差異才得以形成。通過(guò)例如基因突變等機(jī)制，生物體進(jìn)化出了不同的特性。這些特性經(jīng)過(guò)自然選擇得以出現(xiàn)，有利于生物的生存。例如，青蛙的棕褐體色使其可以偽裝于沼澤之中。這便是自然選擇。
這些理論均可進(jìn)行深層延展，但是達(dá)爾文在19世紀(jì)的發(fā)現(xiàn)卻是最為基本，最具突破性意義的：借由自然選擇進(jìn)行的進(jìn)化正是地球生物多樣性的原因
2：廣義相對(duì)論
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論至今仍是極為重要且意義非凡的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)變了我們理解宇宙的方式。愛(ài)因斯坦的重大突破在于指出了空間和時(shí)間并非絕對(duì)之物，重力也并非僅僅只是施加于物體之上的力。相反，重力與物體周?chē)目臻g和時(shí)間（常稱(chēng)為時(shí)空）彎曲有關(guān)。
為了更直觀(guān)地理解上述內(nèi)容，可想象一下你正在以直線(xiàn)方式向東穿越地球。過(guò)了一會(huì)，如果有人要在地圖上指出你的位置，那么實(shí)際上你既在初始點(diǎn)東邊也在其極南的位置上。向正東走，你得考慮到地球的形狀然后稍偏北行進(jìn)。（試想下平面地圖和球形地球之間的區(qū)別。）
空間也是如此。例如，對(duì)于環(huán)繞地球的航天飛機(jī)內(nèi)的宇航員而言，他們似乎是以直線(xiàn)方式在太空中運(yùn)行的。實(shí)際上，他們周?chē)臅r(shí)空已經(jīng)被地球的重力所彎曲了（正如這時(shí)空可以被例如行星或黑洞等重力巨大的物體彎曲一樣），這是的飛船能向前運(yùn)行并且顯得圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。
愛(ài)因斯坦的理論對(duì)于日后的天體物理學(xué)和宇宙學(xué)意義非凡。其揭示了水星運(yùn)行軌道中出人意料的細(xì)微不規(guī)則現(xiàn)象，也展現(xiàn)了星光的彎曲方式，并且為對(duì)于黑洞的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
1：海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論令我們更了解宇宙的運(yùn)作方式并且為量子物理學(xué)打下了基礎(chǔ)，但是也為理論科學(xué)帶了了更大的困惑。1927年，基于宇宙規(guī)律在某些情況下可發(fā)生變化這一認(rèn)識(shí)，德國(guó)科學(xué)家華納·海森堡做出了突破性的發(fā)現(xiàn)。
在對(duì)測(cè)不準(zhǔn)原理做出假設(shè)時(shí)，海森堡發(fā)現(xiàn)無(wú)法同時(shí)精準(zhǔn)地獲知粒子的兩種特性。換言之，你可以準(zhǔn)確地知道電子的外置，但無(wú)法同時(shí)知道其動(dòng)量，反之亦然。
尼爾斯·玻爾之后所做的發(fā)現(xiàn)幫助解釋了海森堡的理論。玻爾發(fā)現(xiàn)電子同時(shí)具有粒子和波的性質(zhì)，這便是波粒二象性。波粒二象性構(gòu)成了量子物理學(xué)的基石。因此當(dāng)我們測(cè)量一電子的位置是，我們將其當(dāng)做處于空間某一點(diǎn)的粒子，擁有不確定的波長(zhǎng)。而當(dāng)我們測(cè)量器動(dòng)量時(shí)，我們將其當(dāng)做波，這意味著我們能知其波長(zhǎng)的振幅，但卻無(wú)法獲知其位置。
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