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最该知道的10大科学定律及理论

   发布日期:2014/7/21         浏览次数:2470次
 
最该知道的10大科学定律及理论

 

什么才能代表科学探索历程中的峥嵘?如果一个基础寥寥之人,试图想在最有限时间里掌握以一儆百的科学规律,那么他最该熟记的那些理论就是答案;如果换做一位科学家,那么他用过的最为根基、最普遍适用、最被公认且最难以撼动的定理,亦是答案。请相信这两份答案不会有出入,它就是——

 

                     

                                                                

   

                                                              宇宙大爆炸理论

 

 

       

                                                              

 

                                                                                                                   达尔文的人类进化论 

 

                                                                

                                                                                                             阿基米德的万有引力

 

 

    当试图具体描述我们的自然和宇宙如何独立运作的时候,科学家们手里有很多工具可资选择,但一般他们更愿意将其归述成为定律和理论。
  探索通信公司旗下的著名科普网站HowStuffWorks(意为“事物是如何工作的”),日前撰文列举了人们最应该首先知晓的10大科学定律,即“你所不可不知的10条内容”。文章作者认为,科学家们最爱的定律和理论,两者区别在于:科学定律常常可以被精简成数学的表达方式,即公式,比如伟大的E=mc2。这一类公式是基于大量实验数据上的一种特定表述,并且一般只有在某些特定条件存在时才能够成立。
  至于理论,还拿E=mc2为例,只有C表示光在真空而不是其他环境里的传播速度时,才能够成立。与言简意赅的规律不同,特定科学理论的目标,在于把对某种特殊现象进行的观察与所得到的证据进行综合。除了少数特别情况,大多数时候,理论都是指对自然如何运作所作出的详实且可验证的表述。我们并不需要将理论消减到只剩一两句话或者一个等式,但它确实包含着有关自然如何在“工作”的基本信息。
  尽管定律与理论各有千秋,但离开了提出假设、验证前提、发现经验证据、作出总结等等最基本的科学方法作为支撑,都将是纸上谈兵。而一个研究或实验结果,最终能否以定律或理论的身份登上教科书,还需要看其他的科学家能否重复该实验,并且获得相同的结果。
  “我们最该知道的10大科学定律及理论”就是这样的内容。
  或者有人会不屑:“它们难道不是我刚踏入科学门槛时就耳熟能详的条文吗?”
  又或有人会怀疑:“我可不是一个手拿试管或者执掌X射线的科研人员,也不是夜夜仰望星空的爱好者,在科学方面我的专业程度仅限于知道曾有个苹果掉下来砸到了牛顿(而据说这还可能是编纂的)。”
  但依据文章建议,我们仍希望对前者起到温故知新的微末效应,将这10条各自领域里的典范,对比教材中严丝合缝的概念,一同试着尽量绕开深奥术语而通俗易懂阐释;也想告诉后者,尽量去理解这10个定律或理论,并像在看“十万个为什么”般的轻松,其无疑是一条通往基础科学的最佳捷径。
  因此,这10条内容将采取便于理解也符合发展规律的倒述形式,从宇宙大爆炸这阶段开始,理解行星、描述引力,再到生命进化起步,最后一头钻进量子物理学,去会一会那世上最让人头晕的玩意。
 
1.海森堡测不准原理
  标准释义:德国物理学家海森堡于1927年提出,表明量子力学中的不确定性,指在一个量子力学系统中,一个粒子的位置和它的动量(粒子的质量乘以速度)不可被同时确定。
  “测量!在经典理论中,这不是一个被考虑的问题。”《量子物理史话》如是说。
  那是因为在经典物理学里,你、我——或作为观测者的任何一人,对这个等待被测量的客观物体是没有影响,或影响甚微以致可忽略不计的。那时就算我们弄不懂个中道理,也不妨碍原理待在那,等着我们慢慢参详。
  但现在就要踏入量子世界的魔潭了,此处我们作为观测者会给实验现象带来一定的扰动,因此如果测一个电子的动量,所得值只是相对你这个观测者而言的。微观世界中,要以“概率”来论。
  当年的华纳·海森堡就在此中有了突破性的发现——人们无法同时得到粒子的两种变量精确信息,哪怕再精密的仪器都不行。具体讲,你或者可以准确地知道电子的位置,但无法同时知道其动量,或者反之,得此失彼。而类似的不确定性也存在于能量和时间、角动量和角度等许多物理量之间。
  或许你没明白这件事的诡异性。就像之前提到的,量子世界里的量既然是相对性,那只要它存在,就应该可以被测量出来;既然无论如何不能测量到,那它就不复存在。
  因此,在你没确定测量这个物理量的手段的时候,谈论它毫无意义。一个电子的动量,只有当你测量时,也才有意义。
  这更像是一个哲学话题了。而“海森堡测不准原理”与其说是实验中发现的,倒不如说是海森堡和他老师玻尔等人讨论出来的。
  到了玻尔发现电子同时具有粒子和波的双重性质(量子物理的柱石,波粒二象性),当我们测量电子的位置时,我们将其当作粒子,波长不定;而当我们要测量动量时,我们将其当作波,知道波长的量值却失去它的位置。
  即便你现在无比混乱,这依然没什么大不了的。玻尔的名言就是:“如果谁不为量子论而困惑,那他一定没有理解量子论。”类似的话费曼也说过。所以我们没啥好郁闷的,爱因斯坦和我们一个状况。
 
2.永远转变了理解宇宙的方式:广义相对论
  标准释义:引力在此被描述为时空的一种几何属性(曲率),而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量—动量张量直接相联系,其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程(一个二阶非线性偏微分方程组)。
  对于任何一个不曾学习或研究它的人来说,广义相对论的标准释义看了和没看一个样。因为它在解释该词条时,至少又用了4组不被人理解的词汇。
  它的内涵和外延涉及甚广,似乎非论文形式不能描述。在此,我们且看看被称为现代引力理论研究的最高水平的广义相对论在论什么。作为比牛顿万有引力更具有一般性的理论,质量还是一个决定引力的重要属性,但是不再是引力的唯一来源。
  在爱因斯坦这里,引力已不再是牛顿所描述的一种力,甚至可以说,已没有了原来引力的概念。因为爱因斯坦把它看成物体周围的时空弯曲,以前所说的“物体受引力作用所作的运动”,被归结为物体在一个弯曲时空中,沿短程线的自由运动。
  如果让“弯曲时空”的概念更明朗化些,可以想象环绕地球飞行的航天飞机里的宇航员,对他们而言,他们是按直线方式在太空中飞行,但实际上航天飞机周围的时空,已经被地球的引力所弯曲,这使航天飞机成为又能向前飞行又能围绕地球转的物体。
  按美国相对论研究的首席专家约翰·惠勒解释,这种所谓时空的几何属性可以这样概述:时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。因而,其可以展现出宇宙星光受大天体影响的弯曲方式,并且为研究黑洞奠定了理论基础。
 
3.我们自身的探讨:进化与自然选择
  标准释义:进化,即演化,在生物学中是指种群里的遗传性状在世代之间的变化。自然选择也称为天择,指生物的遗传特征在生存竞争中,具有了某优势或某劣势,进而在生存能力上产生差异,并导致繁殖能力的差异,使得这些特征被保存或是淘汰。 
  既然我们已经建立起关于宇宙何以从无到有,以及物理学在日常生活中是如何发挥作用的若干基础概念体系,下一步便可以开始关注我们人类自己的形式问题,即我们是如何成为今天这番模样的。
  我们知道,基因是会复制给下一代的,但基因突变会让其情况出现变化,这种变化了的新情况,可能随着物种迁徙等在种群中传递。
  那么按照当今大多数科学家的观点,所有地球生物曾经拥有一个共同的祖先。后来随着时间的发展,部分开始进化成为特征鲜明的特定物种。久而久之,生物多样性便逐渐在所有有机生物中增加与扩展开来。
  从最基本的意义上说,基因突变等变异机制在生物进化的过程中一直发生着。而每一阶段的这些细节变化都会通过世代的遗传而得以保留。相应的,生物种群也因此发展出了不同的特征,并且这些特征往往能够帮助生物更好地繁衍生存下来。比如棕色皮肤的青蛙,显然比其他颜色的同类更适宜以伪装的方式在泥泞的沼泽地区生存。这便是所谓的自然选择。
  当然,对于进化与自然选择理论,我们还可以将其应用到更广泛的生物范围。但是达尔文在19世纪提出的“地球生命丰富的多样性,来源于进化中的自然选择”,无疑依旧是最基础和最具开创性的。