10大你不得不知的科學定律

06-02

10大你不得不知的科學定律

無論我們要發射宇宙飛機或是試圖發現另一顆類似於地球的行星，我們都有賴於科學定律和理論的指引。當科學家們想要描述自然和整個宇宙的運作之時，他們有許多可以運用的工具。通常他們會首先尋求定律和理論。那麼這有何不同呢？一條科學定律通常可簡化為數學表達式，例如 E = mc2；這是基於經驗數據而得出的特定表達式，一般而言，該等式在特定條件下方成立。比如在E = mc2 這個例子中，c代表真空中的光速。

科學理論通常試圖將有關於某一特定現象的證據和觀察加以總結。這在一般情況下——儘管並非總是成立——從宏觀的角度揭示了自然的運作方式，並且可以加以驗證。科學理論無法簡化成表達式或方程式，但它確實代表了自然運作的一些規律。

科學定律和理論都建立於科學方法中的基本元素之上，包括提出假設，驗證假設，搜集（或不搜集）實驗證據，以及得出結論。最後，若該實驗要構成普遍接受的定律或理論的基礎，那麼其他的科學家必須能重現該實驗結果。

在本文中，我們將會談到10條你或許想知道的科學定律和理論。這麼說吧，即便你沒有發現自己是如此頻繁地使用掃描電子顯微鏡，你也會想知道這些。我們以大爆炸理論為起點，繼而談到宇宙基本規律，再觸及人類進化，並最終著眼於較為深奧的問題，深入至量子物理學領域。

10：大爆炸理論

如果你打算了解一些科學理論，那麼你就應該選擇這個解釋宇宙如何發展至今的理論。大爆炸理論基於愛德文·哈勃、喬治斯·勒梅特，阿爾伯特·愛因斯坦以及其他人士的研究之上，該理論假定宇宙開始於140億年前的一次巨型爆炸。當時，宇宙只是一個奇點，包囊了宇宙中的所有物質。宇宙持續向外擴張，因而可以得知最初的爆炸一直延續至今。

阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1965年發現了宇宙微波背景輻射，這使得大爆炸理論在科學界獲得了廣泛支持。這兩位天文學家利用無線電望遠鏡檢測出了宇宙雜訊(或是天電干擾)，而且並不隨著時間消散。他們與普林斯頓大學的研究者羅伯特·迪克合作，驗證了迪克提出的假設，也就是最初的大爆炸使得整個宇宙都充滿了可以檢測到的微弱輻射。

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動。讓我們來繼續了解下愛德文·哈勃吧。當20世紀20年代倏忽而過，經濟大蕭條踉蹌前行之時，哈勃正進行著開創性的天文研究。哈勃不僅證明了除了銀河系外還有其他星系的存在，也發現了這些星系正遠離銀河系，他講這種運動稱之為星系後退。

為了測算這種星系運動的速度，哈勃提出了哈勃宇宙膨脹定律，也稱哈勃定律。可用等式表述為：速度=H0× 距離。其中，速度表示星系後退的速度，H0為哈勃常數，也即宇宙膨脹速率的參數，而距離指的是星系與相比較星系之間的距離。

隨著時間的推移，哈勃常數的值也發生著變化，但是現在所接受的值為70千米/（秒·百萬秒差距），百萬差距為天體距離的單位。但這對我們而言並不那麼重要。至關重要的是，哈勃定律提供了精確測量銀河系相關星系的運動速度。或許哈勃定律最為重要的意義在於其提出了宇宙由許多星系組成，而這些星系的運動可追溯至最初的大爆炸。

8：開普勒的行星運動定律

數百年來，科學家和宗教領袖一直就行星的運行軌道爭論不休，對於地球是否圍繞太陽運行這一問題尤為如此。16世紀，哥白尼提出了頗具爭議的日心說，認為行星圍繞太陽運轉而非地球。然而直到約翰內斯·開普勒在第谷·布拉赫及他人成果的基礎上做了進一步研究之後，行星運動的科學基礎才得以建立。

開普勒於17世紀初提出了行星運動三大定律，揭示了行星圍繞太陽運轉的方式。開普勒第一定律，也稱橢圓定律，指出每一個行星沿橢圓軌道圍繞太陽。開普勒第二定律，也即面積定律，指出從太陽到行星所聯接的直線在相等時間內掃過同等的面積。換言之，如果你想測量地球和太陽間直線掃過的面積並且對地球30天的運動進行記錄，那麼你會發現無論測量開始時地球位於軌道何處，得到的面積總是相等。

開普勒第三定律，也即調和定律，清楚地表明了行星公轉周期與其離日距離之間的關係。正因為了有這條定律，我們才能得知例如金星這樣離日相對較近的行星的公轉周期要短於離日較遠的行星，例如海王星。

7：萬有引力定律

正是有了牛頓的萬有引力定律，我們才能計算出任意兩物體間的引力。或許如今我們對此已習以為常，然而艾薩克·牛頓先生300多年前提出的觀點在當時頗具顛覆意義：任意兩物體，無論質量如何，彼此之間具有引力。這條定律可由如下等式表示，許多中學生在物理課上都會學到該等式。

F = G × [(m1m2)/r2]<><>< span="">

F表示兩物體之間產生的引力，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是萬有引力常數，近似等於6.672 × 10-11 N m2 kg-2。

萬有引力定律令我們能夠計算出任意兩物體之間的引力。當科學家計劃將一顆人造衛星送上月球軌道時，這種計算能力便顯得尤為重要。

6：牛頓運動定律

既然我們正在談論史上最偉大的科學家之一，那麼我們就來看看牛頓其他的一些著名定律吧。牛頓的運動三定律是現代學力學的重要組成部分。正如許多其他科學定律一樣，運動三定律因其簡練而彰顯優雅。

牛頓第一運動定律指出在不受外力作用下，動者恆動。對於一個在地面上滾動的球而言，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生的力。

牛頓第二運動定律指出了物體質量和其加速度之間的聯繫，表達式為：F = m × a。F代表合外力，單位為牛頓。合外力同時也是一個矢量，表示其具有方向。由於具有加速度，在地面滾動的球有著特定的運動方向，而在計算球所受的合外力時要將該方向考慮在內。

牛頓第三運動定律極為簡練，應當為人所熟知：任意作用力必有其反作用力。也就是說，對於任一物體或表面施加的作用力，該物體或表面必會產生相同的反作用力。

5：熱力學定律

英國物理學家和小說家C·P斯諾曾說過一個不是科學家的人不知道熱力學定律的話就如同一個科學家未曾看過莎士比亞的著作一般。斯諾的這番話現在十分有名，這不僅強調了熱力學的重要性，也強調了大眾了解熱力學定律的必要性。

熱力學定律研究了一系統中能量的運動方式，這系統既可以是引擎也可以是地核。熱力學定律可簡化為幾條基本定律。斯諾將其歸納如下：
·你贏不了
·你不能達成平衡
·你不能退出這場遊戲

讓我們對此稍加理解。「你贏不了」，這句話斯諾指出因為物質和能量都是守恆的，你不可能在沒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。儘管除了完全封閉的系統之外，熱量必然傳遞給外界，從而發生損耗。這就引出了第二條規律。

規律二——你不能達成平衡——指出由於熵的不斷增加，你不可能回到同一能量狀態。因為能量總是由熱處轉到冷處。

最後，規律三——你不能退出這場遊戲——指的是絕對零度，這是理論上能到達的最低溫度，即0開攝氏度（也可表示為-273.15攝氏度或-459.67華攝氏度）。當一系統達到絕對零度時，分子停止一切運動，意味著此時不再有動能，而熵也達到了其可能的最低值。然而在真實世界中，即便在宇宙深處，也不可能達到絕對零度——你只能無限接近絕對零度。

4.：阿基米德浮力原理

浮力讓從橡膠鴨到遠洋輪船的一切物體都能浮於水面之上。在阿基米德發現浮力原理之後，這位古代希臘學者大聲叫著：「我找到了！」並且光著身子在錫拉丘茲市跑著。這個發現極為重要。

據說阿基米德發現當自己進入浴盆之時，盆中的水便會上升，因為才有了這個重大突破。

浸沒或部分浸沒在水中的物體所受的浮力等於其排開的水的重力。該原理適用範圍很廣，對於密度的計算和潛艇和遠洋船隻的設計極其重要。

3：演化與天擇

既然現在我們對於宇宙的起源和物理在日常生活中的作用已經有了基本認識，那麼讓我們轉而關注人類以及其演化方式。很多科學家認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生巨大的差異，一些生物必須進化為獨特的物種。

基本而言，通過演化和後代的改良，差異才得以形成。通過例如基因突變等機制，生物體進化出了不同的特性。這些特性經過自然選擇得以出現，有利於生物的生存。例如，青蛙的棕褐體色使其可以偽裝於沼澤之中。這便是自然選擇。

這些理論均可進行深層延展，但是達爾文在19世紀的發現卻是最為基本，最具突破性意義的：藉由自然選擇進行的進化正是地球生物多樣性的原因

2：廣義相對論

阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論至今仍是極為重要且意義非凡的一項發現，因為這永遠轉變了我們理解宇宙的方式。愛因斯坦的重大突破在於指出了空間和時間並非絕對之物，重力也並非僅僅只是施加於物體之上的力。相反，重力與物體周圍的空間和時間（常稱為時空）彎曲有關。

為了更直觀地理解上述內容，可想像一下你正在以直線方式向東穿越地球。過了一會，如果有人要在地圖上指出你的位置，那麼實際上你既在初始點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後稍偏北行進。（試想下平面地圖和球形地球之間的區別。）

空間也是如此。例如，對於環繞地球的太空梭內的宇航員而言，他們似乎是以直線方式在太空中運行的。實際上，他們周圍的時空已經被地球的重力所彎曲了（正如這時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行並且顯得圍繞地球運轉。

愛因斯坦的理論對於日後的天體物理學和宇宙學意義非凡。其揭示了水星運行軌道中出人意料的細微不規則現象，也展現了星光的彎曲方式，並且為對於黑洞的研究奠定了理論基礎。

1：海森堡測不準原理

愛因斯坦的廣義相對論令我們更了解宇宙的運作方式並且為量子物理學打下了基礎，但是也為理論科學帶了了更大的困惑。1927年，基於宇宙規律在某些情況下可發生變化這一認識，德國科學家華納·海森堡做出了突破性的發現。

在對測不準原理做出假設時，海森堡發現無法同時精準地獲知粒子的兩種特性。換言之，你可以準確地知道電子的外置，但無法同時知道其動量，反之亦然。

尼爾斯·玻爾之後所做的發現幫助解釋了海森堡的理論。玻爾發現電子同時具有粒子和波的性質，這便是波粒二象性。波粒二象性構成了量子物理學的基石。因此當我們測量一電子的位置是，我們將其當做處於空間某一點的粒子，擁有不確定的波長。而當我們測量器動量時，我們將其當做波，這意味著我們能知其波長的振幅，但卻無法獲知其位置。