我们最该知道的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——

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。

10.众理论的敲砖石：大爆炸理论

标准释义：大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，其得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。目前一般所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去

有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的(根据2010年所得到的最佳观测结果，这些初始状态大约存在于133亿年至139亿年前)，并经过不断的膨胀到达今天的状态。

当有谁想要试着触碰一下深奥的科学理论，那么，从宇宙下手就对了，而解释宇宙如何发展至今的大爆炸理论就是最好选择。这条理论的基础架构在埃德温·哈勃、乔治斯·勒梅特、阿尔伯特·爱因斯坦以及许多其他人士的研究之上，该理论说白了，就是假设宇宙开始于几乎140亿年前的一次重量级的爆炸。当时的宇宙局限于一个奇点，包含了宇宙中的所有物质，宇宙原始的运动——保持向外扩张，在今天仍在进行着。

大爆炸理论能得到如此广泛的支持，离不开阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊的功劳。他们架设的一台喇叭形状的天线，接收到了一种怎么都消除不掉的噪声信号，那就是宇宙的电磁辐射，即宇宙微波背景辐射。正是最初的大爆炸使得现在整个宇宙都充满了这种可以检测到的微弱辐射，对应温度大约为3K。[pagebreak]

9.推算出宇宙年龄：哈勃定律

标准释义：来自遥远星系光线的红移与它们的距离成正比。该定律由哈勃和米尔顿·修默生在将近十年的观测之后，于1929年首先公式化，Vf=Hc×D(远离速率=哈勃常数×相对地球的距离)，其在今天经常被援引作为支持大爆炸的一个重要证据，并成为宇宙膨胀理论的基础。

这里涉及一个前文提到的人，埃德温·哈勃。此人对宇宙学的贡献值得让人来回溯下他的事迹：在20世纪20年代呼啸掠过、大萧条蹒跚而至的岁月里，哈勃却演绎了突破性的天文研究——他不仅证明除了银河系外还有其他星系的存在，还发现了那些星系正以远离银河系的方向运动，而他公式中的远离速率就是星系后退的速度，哈勃常数指的是宇宙膨胀速率的参数，而相对地球的距离主体也是这些星系。但据说，被尊为星系天文学创始人的哈勃本人却非常不喜欢“星系”一词，坚称其为“河外星云”。

随着时间流逝，斗转星移，哈勃常数值也发生着变化，但这并没很大关系。重要的是，正是该定律帮助量化了宇宙各星系的运动，推算遥远星系的距离。而“宇宙是由许多星系组成”的概念的提出，以及发现这些星系的运动可以追溯至大爆炸，它们都使哈勃定律就像同样以此人命名的天文望远镜般著名。

8.改变整个天文学：开普勒三定律

标准释义：即行星运动定律，由开普勒发现的行星移动所遵守的三条简单定律。第一定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳运行，而太阳则处在椭圆的一个焦点中；第二定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的；第三定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。

围绕着行星的运行轨道，尤其是它们是否以太阳为中心，科学家与宗教领袖以及自己的同行进行了长达数个世纪的争斗。16世纪时，哥白尼提出了在当时引发巨大争议的日心说理论，认为行星是以太阳而不是地球为中心进行运行的。此后第谷·布拉赫等人也相继有所论述。但真正为行星运动学建立明确科学基础的，是约翰内斯·开普勒。

开普勒于17世纪早期提出的行星运动三大定律，描述了行星是如何围绕太阳运动的。第一定律，又被称为椭圆定律；第二定律，又被称面积定律，换句话解释该定律，就是说如果你连续30天跟踪测算地球与太阳之间连线随地球运动所形成面积，就会发现不管地球在轨道的哪个位置，也不管何时开始测算，结果都是一样的。至于第三定律，也称调和定律，它使得我们能够建立起一个行星轨道周期与距太阳远近之间的明确关系。比如金星这样非常靠近太阳的行星，就有着比海王星短得多的轨道运行周期。正是这三条定律，彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系。

7.大部分理论的基石：万有引力定律

标准释义：牛顿的普适万有引力定律表示为，任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。该理论能够由一个已经写进今天高中物理课本的公式进行表述：F=G×[(m1m2)/r2]

尽管今天人们将其看作是理所当然的事情，但当艾萨克·牛顿在300多年前提出万有引力学说的时候，无疑是当时最具有革命性的重大事件。牛顿提出的理论可以简单表述为：任何两个物体，不管各自质量如何，相互之间都会发生作用力，而质量越大的东西产生的引力越大。公式中，F指两个物体之间的万有引力，用“牛顿”作为计量单位；m1和m2分别代表两个物体的质量；r为两者之间的距离；G是引力常数。

这是多种实践条件下都相当精确的定律，但物理学发展至今，人们已经知道牛顿对重力描述的不完美性。然而，该定律仍不失为迄今所有科学中最实用的概念之一，它简单、易学、且涵盖面很广，以至于在广义相对论初问世的一段时间内都甚少有人问津。更有意义的是，万有引力定律让渺小的人类获得了计算庞大星球之间引力的能力，并且在发射轨道卫星与测绘探月航线等方面尤其有用。[pagebreak]

6.物理科学有了基本定理：牛顿运动定律

标准释义：牛顿第一定律为惯性定律；牛顿第二定律建立起物体质量与加速度之间的联系；牛顿第三定律为作用力与反作用力定律。

还是牛顿。每当我们谈论起这位人类历史上最杰出的科学家之一，总不由得从他最著名的力学三大定律开始。因为这些简洁而优雅的定律，奠定了现代物理学的基础。

简单理解三大定律的意义，其第一条就让我们知道，滚动的皮球之所以能够在地板上运动，必定是受到外力的推动。这外力可能是与地板之间的摩擦，也许是小孩子踢出的一脚。第二定律以F=ma这个公式表述，同时也意味着一个具有方向性的矢量。那个皮球滚过地板时，因为加速度的原因，获得了一个指向滚动方向的矢量。通过它便能够计算出皮球所受到的作用力。第三定律相当简洁，也最为人们所熟知，其意思无外乎，用手指随便戳戳哪个物体的表面，它们都将用同等的力量进行回应。

5.热力学基础基本完备：热力学三定律

标准释义：热力学第一定律，热可以转变为功，功也可以转变为热，也就是能量守恒和转换定律；第二定律有几种表述方式，其中之一是不可能把热从低温物体传到高温物体