十大不可不知的科学理论和定律

十大不可不知的科学理论和定律

科学家们在试图揭示自然界与宇宙的运行规律时,会先寻求归纳一些定律和理论。那么定律和理论有什么区别?定律通常可以通过一个数学公式表达,比如E=mc²,它是基于经验数据的具体陈述,通常局限于一定的条件。而科学理论则是综合一系列的证据或对特定现象的观察,你不一定能把一个科学理论简化成一个简洁的方程式,但它确实代表了一些关于自然如何运作的基本原理。

定律和理论都依赖于科学方法论的基本要素,比如提出假设、实验论证、找到证据支持和得出结论。如果实验结果要成为一个被广泛接受的定律或理论的基础,其他科学家必须能够复制这些结果。

这篇文章将列举10个科学理论和定律,从宇宙中的一声巨响开始,然后逐渐深入。

10.大爆炸理论

根据埃德温·哈勃(Edwin Hubble)、乔治·勒梅特(Georges Lemaitre)和阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)等人的研究,宇宙起源于大约140亿年前一次大爆炸后的大规模膨胀。当时宇宙是一个炽热致密的奇点,包含了宇宙的所有物质。最初的膨胀运动至今仍在继续。

1965年阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现宇宙微波背景辐射后,大爆炸理论在科学界获得了广泛支持。利用射电望远镜,两位天文学家探测到宇宙噪音,或者说是静电,它们不会随着时间而消散。即最初的大爆炸留下了可以在整个宇宙中探测到的低水平辐射。

9.哈勃宇宙膨胀定律

在20世纪20年代,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的天文学研究无疑是具有开创性的,他不仅证实了宇宙中除了银河系还有其他星系的存在,还发现这些星系以一定的速度远离银河系。

为了量化这一星系运动的速度,哈勃提出了哈勃宇宙膨胀定律,也称哈勃定律:Vf = Hc x D。Vf代表星系的远离速度,H是哈勃常数,或表示宇宙膨胀速度的参数,D是星系与被比较星系的距离。

哈勃常数一直是以不同的数值计算出来的,但目前接受的数值是70 km / (s·Mpc)(每兆秒70公里),km / (s·Mpc)是星系间空间的距离单位。哈勃定律提供了一种简明的方法来推算遥远星系的距离,更重要的是,这个定律确定了宇宙是由许多星系组成的,为大爆炸理论提供了理论支撑。

8.开普勒行星运动定律

几个世纪以来,科学家们就行星的运行轨道,特别是它们是否围绕着太阳运行而争论不休。在16世纪,哥白尼(Copernicus)提出了他有争议的“日心说”,即行星围绕太阳而不是地球旋转。开普勒(Johannes Kepler)在泰科·布劳(Tyco Brahe)等人的工作基础上,为行星运动建立了一个明确的科学基础。

开普勒的行星运动三定律形成于17世纪早期,描述了行星如何围绕太阳运行。第一定律,有时称为椭圆定律,指出行星绕太阳公转是椭圆的。第二定律是面积定律,指出一条行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫描的面积也相等。换言之,如果你测量的是从地球到太阳的一条线,并跟踪地球在30天内的运动所形成的面积,那么无论测量开始时地球在其轨道上的哪个位置,这个面积都是相同的。

第三是调和定律,它使我们能够在行星的轨道周期和它离太阳的距离之间建立一个明确的关系。多亏了这个定律,我们知道一个相对靠近太阳的行星,如金星,其轨道周期比遥远的行星,如海王星,要短得多。

7. 万有引力定律

300多年前,艾萨克·牛顿爵士(Isaac Newton)提出了一个革命性的想法:任何两个物体,无论质量如何,都会相互施加引力,并归纳出如下方程:F=G×[(m1m2)/r2],F是两个物体之间的引力,单位为牛顿。m1和m2是两个物体的质量,r是它们之间的距离。G是重力常数,目前的计算结果是6.672×10-11 N m2 kg-2

万有引力定律的好处是它允许我们计算任何两个物体之间的引力。当科学家计划将卫星送入轨道或绘制月球运行轨迹时,这种能力尤其有用。

6.牛顿运动定律

牛顿的三条运动定律是现代物理学的重要组成部分,三条定律中的第一条规定运动中的物体除非受到外力的作用,否则保持运动。对于一个在地板上滚动的球,外力可能是球和地板之间的摩擦力,也可能是蹒跚学步的孩子将球踢向另一个方向。

第二定律在物体的质量(m)和它的加速度(a)之间建立了联系,其形式是方程F=m×a。F代表力,以牛顿为单位。第三定律相当精辟,每一个动作都有一个相等的反作用力。也就是说,对一个物体或表面施加的每一个力,该物体都会以相等的力推回。

5.热力学定律

热力学是研究能量如何在一个系统中工作的学科,不管是发动机还是地核。它可以归结为一下三个定律:第一定律是能量守恒与转换定律,它指出自然界中的一切物质都具有能量, 能量不可能被创造, 也不可能被消灭; 但能量可以从一种形态转变为另一种形态, 且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。这意味着,当发动机产生功,也必然会产生热量,即使是在一个封闭的系统,一些热量也会不可避免流入外界,这就引出了热力学第二定律。

热力学第二定律指出由于不断增加的熵,热力过程的能量变化是不可逆的,能量总是从高浓度流向低浓度的地方。绝对零度是理论上可能的最低温度,为零下273.15摄氏度。当一个系统达到绝对零度时,分子停止所有的运动,这意味着没有动能,熵也会达到最低的可能值,热力学第三定律指出,绝对零度永远也没有可能达到。

4.阿基米德浮力定律

古希腊学者阿基米德(Archimedes)发现浮力原理后,兴奋得赤身裸体穿过锡拉丘兹城。这个发现就那么重要。据说阿基米德在他进入浴缸时注意到水上升,受到了启发。

根据阿基米德的浮力原理,作用于浸入流体中物体的浮力等于该物体排开的流体的重量。这种原理有着广泛的应用,对于密度计算以及设计潜艇和其他远洋船只都是必不可少的。

3.达尔文进化论

这是达尔文在19世纪所做的一个基本的、开创性的发现:通过自然选择进化,地球上生命呈现出巨大多样性。通过突变等机制,生物群体发展出不同的特性。那些有利于生存的特性,如棕色的青蛙,可以在沼泽中伪装,为了生存而选择的,因此称之为自然选择。

2.广义相对论

爱因斯坦的广义相对论永久地改变了我们看待宇宙的方式。它提出空间和时间不是绝对的,引力也不仅仅是施加物体上的力。更确切地说,与物体的引力会使其周围的空间和时间(通常称为时空)弯曲。

例如,对环绕地球飞行的航天飞机的乘客来说,他们看起来就像是在太空中沿直线飞行。事实上,它们周围的时空正受到地球引力的弯曲(任何具有巨大引力的大型物体,如行星或黑洞)都会弯曲,使它们既向前移动,又似乎环绕地球运行。

爱因斯坦的理论对天体物理学和宇宙学的未来有着巨大的影响。并为黑洞奠定了理论基础。

1.海森堡不确定性原理

爱因斯坦的广义相对论告诉我们关于宇宙是如何工作的,为量子物理学打下基础,但它也给理论科学引入了更多的混乱。1927年,德国科学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)发现了一个突破性的发现,即宇宙规律在某些情况下是灵活的。

在假定不确定度原理的过程中,海森堡意识到不可能同时精确了解一个粒子的两个性质。换句话说,你可以很确定地知道电子的位置,但不能知道它的动量,反之亦然。

尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)后来发现了一个有助于解释海森堡原理的发现。玻尔发现,电子同时具有粒子和波的性质,这一概念被称为波粒二象性,它已成为量子物理学的基石。所以当我们测量一个电子的位置时,我们把它当作空间中某个特定点的粒子,波长不确定。当我们测量它的动量时,我们把它当作一个波,这意味着我们可以知道它波长的振幅,但不知道它的位置。