必須了解的物理10大科學(xué)定律及理論

Word版本，下載可自由編輯必須了解的物理10大科學(xué)定律及理論科學(xué)定律經(jīng)常能夠被精簡成數(shù)學(xué)表述式，比如宏大的E=mc2。這類公式是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)上的一種特定表達(dá)，并且普通惟獨(dú)在某些特定條件存在時(shí)才干成立。下面帶來的這篇（文章）就讓我們能夠像看“（十萬個(gè)為什么）”一樣，輕松踏上一條通往基礎(chǔ)科學(xué)的最佳捷徑。

10條內(nèi)容將實(shí)行便于理解，也符合進(jìn)展邏輯的倒述形式，從宇宙大爆炸這階段開頭，理解行星、描述引力，再到生命進(jìn)化起步，最后一頭鉆進(jìn)量子物理學(xué)，去會(huì)一會(huì)那世上最讓人頭暈的玩意。

10、眾理論的敲磚石：大爆炸理論

標(biāo)準(zhǔn)釋義：大爆炸是描述宇宙出生初始條件及其后續(xù)演變的宇宙學(xué)模型，其獲得了當(dāng)今科學(xué)討論和觀測最廣泛且最精確的支持。目前普通所指的大爆炸觀點(diǎn)為：宇宙是在過去有限的時(shí)光之前，由一個(gè)密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)演化而來的(按照2023年所獲得的最佳觀測結(jié)果，這些初始狀態(tài)大約存在于133億年至139億年前)，并經(jīng)過不斷的膨脹到達(dá)今日的狀態(tài)。

當(dāng)有誰想要試著觸碰一下淺顯的科學(xué)理論，那么，從宇宙下手就對了，而解釋宇宙如何進(jìn)展至今的大爆炸理論就是最好挑選。這條理論的基礎(chǔ)架構(gòu)在埃德溫哈勃、喬治斯勒梅特、阿爾伯特愛因斯坦以及許多其他人士的討論之上，該理論說白了，就是假設(shè)宇宙開頭于幾乎140億年前的一次分量級(jí)的爆炸。當(dāng)初的宇宙局限于一個(gè)奇點(diǎn)，包含了宇宙中的全部物質(zhì)，宇宙原始的運(yùn)動(dòng)：保持向外擴(kuò)張，在今日仍在舉行著。

大爆炸理論能獲得如此廣泛的支持，離不開阿諾彭齊亞斯和羅伯特威爾遜的功勞。他們架設(shè)的一臺(tái)喇叭外形的天線，接收到了一種怎么都消退不掉的噪聲信號(hào)，那就是宇宙的電磁輻射，即宇宙微波背景輻射。正是最初的大爆炸使得現(xiàn)在囫圇宇宙都彌漫了這種能夠檢測到的微弱輻射，對應(yīng)溫度大約為3K。

9、推算出宇宙年齡：哈勃定律

標(biāo)準(zhǔn)釋義：來自遙遠(yuǎn)星系光芒的紅移與它們的距離成正比。該定律由哈勃和米爾頓修默生在將近十年的觀測之后，于1929年首先公式化，Vf=HcD(遠(yuǎn)離速率=哈勃常數(shù)相對地球的距離)，其在今日常常被援引作為支持大爆炸的一個(gè)重要證據(jù)，并成為宇宙膨脹理論的基礎(chǔ)。

這里涉及一個(gè)前文提到的人，埃德溫哈勃。此人對宇宙學(xué)的貢獻(xiàn)值得讓人往返溯下他的（事跡）：在20世紀(jì)20年月咆哮拂過、大蕭條蹣跚而至的歲月里，哈勃卻演繹了突破性的天文討論。他不僅證實(shí)，除了銀河系外還有其他星系的存在，還發(fā)覺了那些星系正以遠(yuǎn)離銀河系的方向運(yùn)動(dòng)，而他公式中的遠(yuǎn)離速率就是星系后退的速度。哈勃常數(shù)指的是宇宙膨脹速率的參數(shù)，而相對地球的距離主體也是這些星系。但據(jù)說，被尊為星系天文學(xué)創(chuàng)始人的哈勃本人卻十分不喜愛?“星系”一詞，堅(jiān)稱其為“河外星云”。

隨著時(shí)光流逝，斗轉(zhuǎn)星移，哈勃常數(shù)值也發(fā)生著變化，但這并沒很大關(guān)系。重要的是，正是該定律協(xié)助量化了宇宙各星系的運(yùn)動(dòng)，推算遙遠(yuǎn)星系的距離。而“宇宙是由許多星系組成”的概念的提出，以及發(fā)覺這些星系的運(yùn)動(dòng)能夠追溯至大爆炸，它們都使哈勃定律就像同樣以此人命名的天文望遠(yuǎn)鏡般聞名。

8、轉(zhuǎn)變囫圇天文學(xué)：開普勒三定律

標(biāo)準(zhǔn)釋義：即行星運(yùn)動(dòng)定律，由開普勒發(fā)覺的行星移動(dòng)所遵守的三條容易定律。

第一定律：每一個(gè)行星都沿各自的橢圓軌道環(huán)抱太陽運(yùn)行，而太陽則處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)中;

其次定律：在相等時(shí)光內(nèi)，太陽和運(yùn)動(dòng)著的行星的連線所掃過的面積都是相等的;

第三定律：各個(gè)行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方和它們的橢圓軌道的半長軸的立方成正比。

圍圍著行星的運(yùn)行軌道，尤其是它們是否以太陽為中心，科學(xué)家與宗教領(lǐng)袖以及自己的同行舉行了長達(dá)數(shù)個(gè)世紀(jì)的爭斗。16世紀(jì)時(shí)，哥白尼提出了在當(dāng)初啟發(fā)巨大爭議的日心說理論，認(rèn)為行星是以太陽而不是地球?yàn)橹行呐e行運(yùn)行的。此后第谷布拉赫等人也相繼有所論述。但真正為行星運(yùn)動(dòng)學(xué)建立明確科學(xué)基礎(chǔ)的，是約翰內(nèi)斯開普勒。

開普勒于17世紀(jì)早期提出的行星運(yùn)動(dòng)三大定律，描述了行星是如何圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的。第一定律，又被稱為橢圓定律;其次定律，又被稱面積定律，換句話解釋該定律，就是說假如你延續(xù)30天跟蹤測算地球與太陽之間連線隨地球運(yùn)動(dòng)所形成面積，就會(huì)發(fā)覺不管地球在軌道的哪個(gè)位置，也不管何時(shí)開頭測算，結(jié)果都是一樣的。至于第三定律，也稱調(diào)和定律，它使得我們可以建立起一個(gè)行星軌道周期與距太陽遠(yuǎn)近之間的明確關(guān)系。比如金星這樣十分逼近太陽的行星，就有著比海王星短得多的軌道運(yùn)行周期。正是這三條定律，徹底摧毀了托勒密復(fù)雜的宇宙體系。

7、大部分理論的基石：萬有引力定律

標(biāo)準(zhǔn)釋義：牛頓的普適萬有引力定律表示為，隨意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)利用連心線方向上的力互相吸引。該引力的大小與它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)本質(zhì)或物理狀態(tài)以及中介物質(zhì)無關(guān)。該理論可以由一個(gè)已經(jīng)寫進(jìn)今日高中物理課本的公式舉行表達(dá)：F=G[(m1m2)/r2]

盡管今日人們將其看作是理所固然的事情，但當(dāng)艾薩克牛頓在300多年前提出萬有引力學(xué)說的時(shí)候，無疑是當(dāng)初最具有革命性的重事件件。牛頓提出的理論能夠容易表達(dá)為：任何兩個(gè)物體，不管各自質(zhì)量如何，互相之間都會(huì)發(fā)生作用力，而質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力越大。公式中，F(xiàn)指兩個(gè)物體之間的萬有引力，用“牛頓”作為計(jì)量單位;m1和m2分離代表兩個(gè)物體的質(zhì)量;r為兩者之間的距離;G是引力常數(shù)。

這是多種實(shí)踐條件下都相當(dāng)精確的定律，但物理學(xué)進(jìn)展至今，人們已經(jīng)知道牛頓對重力描述的不完善性。然而，該定律仍不失為迄今全部科學(xué)中最有用的概念之一，它容易、易學(xué)、且涵蓋面很廣，以至于在廣義相對論初問世的一段時(shí)光內(nèi)都甚少有人問津。更故意義的是，萬有引力定律讓渺小的人類得到了計(jì)算浩大星球之間引力的本事，并且在放射軌道衛(wèi)星與測繪探月航線等方面尤其實(shí)用。

6、物理科學(xué)有了基本定理：牛頓運(yùn)動(dòng)定律

標(biāo)準(zhǔn)釋義：牛頓第一定律為慣性定律;牛頓其次定律建立起物體質(zhì)量與加速度之間的聯(lián)系;牛頓第三定律為作用力與反作用力定律。

還是牛頓。每當(dāng)我們議論起這位人類歷史上最杰出的科學(xué)家之一，總不由得從他最聞名的力學(xué)三大定律開頭。由于這些簡潔而優(yōu)雅的定律，奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。

容易理解三大定律的意義，其第一條就讓我們知道，滾動(dòng)的皮球之所以可以在地板上運(yùn)動(dòng)，必然是受到外力的推進(jìn)。這外力可能是與地板之間的摩擦，大概是小孩子踢出的一腳。其次定律以F=ma這個(gè)公式表達(dá)，同時(shí)也意味著一個(gè)具有方向性的矢量。那個(gè)皮球滾過地板時(shí)，由于加速度的緣由，得到了一個(gè)指向滾動(dòng)方向的矢量。利用它便可以計(jì)算出皮球所受到的作用力。第三定律相當(dāng)簡潔，也最為人們所熟知，其意思無外乎，用手指任憑戳戳哪個(gè)物體的表面，它們都將用同等的力氣舉行回應(yīng)。

5、熱力學(xué)基礎(chǔ)基本完備：熱力學(xué)三定律

標(biāo)準(zhǔn)釋義：熱力學(xué)第一定律，熱能夠改變?yōu)楣Γσ材軌蚋淖優(yōu)闊幔簿褪悄芰渴睾愫娃D(zhuǎn)換定律;其次定律有幾種表達(dá)方式，其中之一是不行能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化;第三定律，在熱力學(xué)溫度零度(即T=0開)時(shí)，一切完善晶體的熵值等于零。

英國物理學(xué)家和小說家查爾斯珀西斯諾曾經(jīng)有一段十分聞名的論述：“不懂得熱力學(xué)其次定律的科學(xué)家，就像一個(gè)從沒讀過莎士比亞的科學(xué)家一樣?！彼怪Z的言語意在批判科學(xué)與人文之間“兩種（文化）”的隔絕與分裂，但卻無意中在文人圈里“捧紅”了熱力學(xué)其次定律。其實(shí)，斯諾的論述的確強(qiáng)調(diào)并呼吁人文學(xué)者都應(yīng)當(dāng)去了解一下它的重要性。

熱力學(xué)是討論系統(tǒng)中能量運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。這里的系統(tǒng)既能夠是一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，也能夠是酷熱的地核。斯諾運(yùn)用自己的聰慧智慧將其精簡成為以下若干條基本規(guī)章：你贏不了、你無法實(shí)現(xiàn)收支平衡、你無法退出嬉戲。

該如何理解這些說法呢?首先來看所謂的“你贏不了”。斯諾的意思是指既然物質(zhì)與能量是守恒關(guān)系，在能量轉(zhuǎn)換過程中，我們無法實(shí)現(xiàn)一種能量形式到另一種的對等轉(zhuǎn)換，而不損失一部分能量。就像假如要發(fā)動(dòng)機(jī)做功，就必需提供熱能一樣。即便是在一個(gè)完善極致的封閉空間中，部分熱量依舊將不行避開地散逸到外部世界中去。

而這就啟發(fā)了其次定律“你實(shí)現(xiàn)不了收支平衡”。鑒于熵的無限增強(qiáng)，我們無法返回或保持相同的能量狀態(tài)。由于熵總是從濃度高的地方向濃度低的區(qū)域流淌。而有熵的存在，也是永動(dòng)機(jī)不行能浮現(xiàn)的緣由。

最后是第三定律“無法退出的嬉戲”。這里要涉及到肯定零度，即理論上可能達(dá)到的最低溫度，普通指零開爾文(零下273.15攝氏度或零下459.67華氏度)。第三定律的表達(dá)為，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到肯定零度時(shí)，分子將停止一切運(yùn)動(dòng)，即沒動(dòng)能，熵也能達(dá)到理論上的最低值。但現(xiàn)實(shí)世界中，即使在宇宙的深處，達(dá)到肯定零度也是不行能的。你只能無限地臨近所謂的盡頭。

4、公元前200年的大才智：阿基米德定律

標(biāo)準(zhǔn)釋義：物理學(xué)中的阿基米德定律，即阿基米德浮力原理，是指浸在靜止流體中的物體受到流體作用的合力大小等于物體排開的流體的重力，這個(gè)合力稱為浮力。數(shù)學(xué)表述式為：F浮=G排

關(guān)于阿基米德是如何發(fā)覺浮力原理這一物理學(xué)重大突破的，有個(gè)（傳奇）：阿基米德某次洗澡的時(shí)候，看到浴缸里的水會(huì)隨著自己身體的浸入而升高，便受到引發(fā)開頭思量。而當(dāng)他終于確定發(fā)覺了浮力理論之后，這位古希臘最宏大的哲人一邊振奮地大喊“找到了!找到了!”，一邊暴露著身體狂奔在錫拉丘茲城的大街小巷。

古希臘學(xué)者阿基米德的古老發(fā)覺已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在人類社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。按照浮力原理，施加在一個(gè)部分或整體沉沒于液體中的物體的作用力，等于該物體液內(nèi)體積所排出的液體分量。這對于計(jì)算物體的密度，進(jìn)而舉行潛艇和遠(yuǎn)洋輪船的設(shè)計(jì)建筑，具有關(guān)鍵性意義。

3、我們自身的探討：進(jìn)化與自然挑選

標(biāo)準(zhǔn)釋義：進(jìn)化，即演變，在生物學(xué)中是指種群里的遺傳性狀在世代之間的變化。自然挑選，也稱為天擇，指生物的遺傳特點(diǎn)在生存競爭中，具有了某優(yōu)勢或某劣勢，進(jìn)而在生存本事上產(chǎn)生差異，并導(dǎo)致繁殖本事的差異，使得這些特點(diǎn)被保存或是淘汰。

既然我們已經(jīng)建立起關(guān)于宇宙何以從無到有，以及物理學(xué)在平時(shí)生活中是如何發(fā)揮作用的若干基礎(chǔ)概念體系，下一步便能夠開頭關(guān)注我們?nèi)祟愖约旱男问絾栴}，即我們是如何成為今日這番模樣的。

我們知道，基因是會(huì)復(fù)制給下一代的，但基因突變會(huì)讓其狀況浮現(xiàn)變化，這種變化了的新狀況，可能隨著物種遷徙等在種群中傳遞。

那么根據(jù)當(dāng)今大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)，全部地球生物曾經(jīng)擁有一個(gè)共同的祖先。后來隨著時(shí)光的進(jìn)展，部分開頭進(jìn)化成為特點(diǎn)鮮亮的特定物種。久而久之，生物多樣性便逐漸在全部有機(jī)生物中增強(qiáng)與擴(kuò)綻開來。

從最基本的意義上說，基因突變等變異機(jī)制在生物進(jìn)化的過程中向來發(fā)生著。而每一階段的這些細(xì)節(jié)變化都會(huì)利用世代的遺傳而得以保留。相應(yīng)的，生物種群也因此進(jìn)展出了不同的特點(diǎn)，并且這些特點(diǎn)往往可以協(xié)助生物更好地繁衍生存下來。比如棕色皮膚的青蛙，明顯比（另外）色彩的同類更相宜以偽裝的方式在泥濘的沼澤地區(qū)生存。這便是所謂的自然挑選。

固然，對于進(jìn)化與自然挑選理論，我們還能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到更廣泛的生物范圍。但是達(dá)爾文在19世紀(jì)提出的“地球生命豐盛的多樣性，來源于進(jìn)化中的自然挑選”，無疑依然是最基礎(chǔ)和最具開創(chuàng)性的。

2、永久改變了理解宇宙的方式：廣義相對論

標(biāo)準(zhǔn)釋義：引力在此被描述為時(shí)空的一種幾何屬性(曲率)，而這種時(shí)空曲率與處于時(shí)空中的物質(zhì)與輻射的能量，動(dòng)量張量直接相聯(lián)系，其聯(lián)系方式即是愛因斯坦的引力場方程(一個(gè)二階非線性偏微分方程組)。

對于任何一個(gè)不曾學(xué)習(xí)或討論它的人來說，廣義相對論的標(biāo)準(zhǔn)釋義看了和沒看一個(gè)樣。由于它在解釋該詞條時(shí)，至少又用了4組不被人理解的詞匯。

它的和外延涉及甚廣，似乎非論文形式不能描述。在此，我們且看看被稱為現(xiàn)代引力理論討論的最高水平的廣義相對論在論什么。作為比牛頓萬有引力更具有普通性的理論，質(zhì)量還是一個(gè)打算引力的重要屬性，但是不再是引力的唯一來源。

在愛因斯坦這里，引力已不再是牛頓所描述的一種力，甚至能夠說，已沒有了本來引力的概念。由于愛因斯坦把它看成物體周圍的時(shí)空彎曲，以前所說的“物體受引力作用所作的運(yùn)動(dòng)”，被歸結(jié)為物體在一個(gè)彎曲時(shí)空中，沿短程線的自由運(yùn)動(dòng)。

假如讓“彎曲時(shí)空”的概念更明朗化些，能夠想象環(huán)抱地球飛翔的航天飛機(jī)里的宇航員，對他們而言，他們是按直線方式在太空中飛翔，但實(shí)際上航天飛機(jī)周圍的時(shí)空，已經(jīng)被地球的引力所彎曲，這使航天飛機(jī)成為又能向前飛翔，又能圍繞地球轉(zhuǎn)的物體。

按相對論討論的首席專家約翰惠勒解釋，這種所謂時(shí)空的幾何屬性能夠這樣概述：時(shí)空告知物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)告知時(shí)空如何彎曲。因而，其能夠呈現(xiàn)出宇宙星光受大天體影響的彎曲方式，并且為討論黑洞奠定了理論基礎(chǔ)。

1、上帝擲骰子嗎?：海森堡測不準(zhǔn)原理

標(biāo)準(zhǔn)釋義：德國物理學(xué)家海森堡于1927年提出，表明量子力學(xué)中的不確定性，指在一個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)中，一個(gè)粒子的位置和它的動(dòng)量(粒子的質(zhì)量乘以速度)不行被同時(shí)確定。

“測量!在經(jīng)典理論中，這不是一個(gè)被考慮的問題?！薄读孔游锢硎吩挕啡缡钦f。

那是由于在經(jīng)典物理學(xué)里，你、我，或作為觀測者的任何一人，對這個(gè)等待被測量的客觀物體是沒有影響，或影響甚微以致可忽視不計(jì)的。那時(shí)就算我們弄不懂個(gè)中道理，也不阻礙原理待在那，等著我們漸漸參詳。

但現(xiàn)在就