改變世界的十大物理學定律及理論

科學定律常常可以被精簡成數學表達式，比如偉大的E=mc2。這類公式是基於大量實驗數據上的一種特定表述，並且一般只有在某些特定條件存在時才能成立。然而這些定律或理論，一般人很難理解。這篇文章就讓我們可以像看“十萬個為什麼”一樣，輕鬆踏上一條通往基礎科學的最佳捷徑。

10條內容將採取便於理解，也符合發展規律的倒述形式，從宇宙大爆炸這階段開始，理解行星、描述引力，再到生命進化起步，最後一頭鑽進量子物理學，去會一會那世上最讓人頭暈的玩意。

10、眾理論的敲磚石：大爆炸理論

標準釋義：大爆炸是描述宇宙誕生初始條件及其後續演化的宇宙學模型，其得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。目前一般所指的大爆炸觀點為：宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且温度極高的太初狀態演變而來的（根據2010年所得到的最佳觀測結果，這些初始狀態大約存在於133億年至139億年前），並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。

當有誰想要試着觸碰一下深奧的科學理論，那麼，從宇宙下手就對了，而解釋宇宙如何發展至今的大爆炸理論就是最好選擇。這條理論的基礎架構在埃德温·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研究之上，該理論説白了，就是假設宇宙開始於幾乎140億年前的一次重量級的爆炸。當時的宇宙侷限於一個奇點，包含了宇宙中的所有物質，宇宙原始的運動：保持向外擴張，在今天仍在進行着。

大爆炸理論能得到如此廣泛的支持，離不開阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜的功勞。他們架設的一台喇叭形狀的天線，接收到了一種怎麼都消除不掉的噪聲信號，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在整個宇宙都充滿了這種可以檢測到的微弱輻射，對應温度大約為3K。

9、推算出宇宙年齡：哈勃定律

標準釋義：來自遙遠星系光線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後，於1929年首先公式化，Vf=Hc×D（遠離速率=哈勃常數×相對地球的距離），其在今天經常被援引作為支持大爆炸的一個重要證據，併成為宇宙膨脹理論的基礎。

這裏涉及一個前文提到的人，埃德温·哈勃。此人對宇宙學的貢獻值得讓人來回溯下他的事蹟：在20世紀20年代呼嘯掠過、大蕭條蹣跚而至的歲月裏，哈勃卻演繹了突破性的天文研究。他不僅證明，除了銀河系外還有其他星系的存在，還發現了那些星系正以遠離銀河系的方向運動，而他公式中的遠離速率就是星系後退的速度。哈勃常數指的是宇宙膨脹速率的參數，而相對地球的距離主體也是這些星系。但據説，被尊為星系天文學創始人的哈勃本人卻非常不喜歡“星系”一詞，堅稱其為“河外星雲”。

隨着時間流逝，斗轉星移，哈勃常數值也發生着變化，但這並沒很大關係。重要的是，正是該定律幫助量化了宇宙各星系的運動，推算遙遠星系的距離。而“宇宙是由許多星系組成”的概念的提出，以及發現這些星系的運動可以追溯至大爆炸，它們都使哈勃定律就像同樣以此人命名的天文望遠鏡般著名。

8、改變整個天文學：開普勒三定律

標準釋義：即行星運動定律，由開普勒發現的行星移動所遵守的三條簡單定律。

第一定律：每一個行星都沿各自的橢圓軌道環繞太陽運行，而太陽則處在橢圓的一個焦點中；

第二定律：在相等時間內，太陽和運動着的行星的連線所掃過的面積都是相等的；

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

圍繞着行星的運行軌道，尤其是它們是否以太陽為中心，科學家與宗教領袖以及自己的同行進行了長達數個世紀的爭鬥。16世紀時，哥白尼提出了在當時引發巨大爭議的日心説理論，認為行星是以太陽而不是地球為中心進行運行的。此後第谷·布拉赫等人也相繼有所論述。但真正為行星運動學建立明確科學基礎的，是約翰內斯·開普勒。

開普勒於17世紀早期提出的行星運動三大定律，描述了行星是如何圍繞太陽運動的。第一定律，又被稱為橢圓定律；第二定律，又被稱面積定律，換句話解釋該定律，就是説如果你連續30天跟蹤測算地球與太陽之間連線隨地球運動所形成面積，就會發現不管地球在軌道的哪個位置，也不管何時開始測算，結果都是一樣的。至於第三定律，也稱調和定律，它使得我們能夠建立起一個行星軌道週期與距太陽遠近之間的明確關係。比如金星這樣非常靠近太陽的行星，就有着比海王星短得多的軌道運行週期。正是這三條定律，徹底摧毀了托勒密複雜的宇宙體系。

7、大部分理論的基石：萬有引力定律

標準釋義：牛頓的普適萬有引力定律表示為，任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。該理論能夠由一個已經寫進今天高中物理課本的公式進行表述：F=G×[(m1m2)/r2]

儘管今天人們將其看作是理所當然的事情，但當艾薩克·牛頓在300多年前提出萬有引力學説的時候，無疑是當時最具有革命性的重大事件。牛頓提出的理論可以簡單表述為：任何兩個物體，不管各自質量如何，相互之間都會發生作用力，而質量越大的東西產生的引力越大。公式中，F指兩個物體之間的萬有引力，用“牛頓”作為計量單位；m1和m2分別代表兩個物體的質量；r為兩者之間的距離；G是引力常數。

這是多種實踐條件下都相當精確的定律，但物理學發展至今，人們已經知道牛頓對重力描述的不完美性。然而，該定律仍不失為迄今所有科學中最實用的概念之一，它簡單、易學、且涵蓋面很廣，以至於在廣義相對論初問世的一段時間內都甚少有人問津。更有意義的是，萬有引力定律讓渺小的人類獲得了計算龐大星球之間引力的能力，並且在發射軌道衞星與測繪探月航線等方面尤其有用。

6、物理科學有了基本定理：牛頓運動定律

標準釋義：牛頓第一定律為慣性定律；牛頓第二定律建立起物體質量與加速度之間的聯繫；牛頓第三定律為作用力與反作用力定律。

還是牛頓。每當我們談論起這位人類歷史上最傑出的科學家之一，總不由得從他最著名的力學三大定律開始。因為這些簡潔而優雅的定律，奠定了現代物理學的基礎。

簡單理解三大定律的意義，其第一條就讓我們知道，滾動的皮球之所以能夠在地板上運動，必定是受到外力的推動。這外力可能是與地板之間的摩擦，也許是小孩子踢出的一腳。第二定律以F=ma這個公式表述，同時也意味着一個具有方向性的矢量。那個皮球滾過地板時，因為加速度的原因，獲得了一個指向滾動方向的矢量。通過它便能夠計算出皮球所受到的作用力。第三定律相當簡潔，也最為人們所熟知，其意思無外乎，用手指隨便戳戳哪個物體的表面，它們都將用同等的力量進行回應。

5、熱力學基礎基本完備：熱力學三定律

標準釋義：熱力學第一定律，熱可以轉變為功，功也可以轉變為熱，也就是能量守恆和轉換定律；第二定律有幾種表述方式，其中之一是不可能把熱從低温物體傳到高温物體而不引起其他變化；第三定律，在熱力學温度零度（即T=0開）時，一切完美晶體的熵值等於零。

英國物理學家和小説家查爾斯·珀西·斯諾曾經有一段非常著名的論述：“不懂得熱力學第二定律的科學家，就像一個從沒讀過莎士比亞的科學家一樣。”斯諾的言語意在批評科學與人文之間“兩種文化”的隔絕與分裂，但卻無意中在文人圈裏“捧紅”了熱力學第二定律。其實，斯諾的論述確實強調並呼籲人文學者都應該去了解一下它的重要性。

熱力學是研究系統中能量運動的科學。這裏的系統既可以是一台發動機，也可以是熾熱的地核。斯諾運用自己的聰明才智將其精簡成為以下若干條基本規則：你贏不了、你無法實現收支平衡、你無法退出遊戲。

該如何理解這些説法呢？首先來看所謂的“你贏不了”。斯諾的意思是指既然物質與能量是守恆關係，在能量轉換過程中，我們無法實現一種能量形式到另一種的對等轉換，而不損失一部分能量。就像如果要發動機做功，就必須提供熱能一樣。即便是在一個完美極致的封閉空間中，部分熱量依然將不可避免地散逸到外部世界中去。

而這就引發了第二定律“你實現不了收支平衡”。鑑於熵的無限增加，我們無法返回或保持相同的能量狀態。因為熵總是從濃度高的地方向濃度低的區域流動。而有熵的存在，也是永動機不可能出現的原因。

最後是第三定律“無法退出的遊戲”。這裏要涉及到絕對零度，即理論上可能達到的最低温度，一般指零開爾文（零下273.15攝氏度或零下459.67華氏度）。第三定律的表述為，當系統達到絕對零度時，分子將停止一切運動，即沒動能，熵也能達到理論上的最低值。但現實世界中，即使在宇宙的深處，達到絕對零度也是不可能的。你只能無限地接近所謂的終點。

4、公元前200年的大智慧：阿基米德定律

標準釋義：物理學中的阿基米德定律，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於物體排開的流體的重力，這個合力稱為浮力。數學表達式為：F浮=G排

關於阿基米德是如何發現浮力原理這一物理學重大突破的，有個傳説：阿基米德某次洗澡的時候，看到浴缸裏的水會隨着自己身體的浸入而上升，便受到啓發開始思考。而當他最終確定發現了浮力理論之後，這位古希臘最偉大的哲人一邊興奮地大喊“找到了！找到了！”，一邊裸露着身體狂奔在錫拉丘茲城的大街小巷。

古希臘學者阿基米德的古老發現已經被廣泛應用在人類社會生產的各個領域。根據浮力原理，施加在一個部分或整體淹沒於液體中的物體的作用力，等於該物體液內體積所排出的液體重量。這對於計算物體的密度，進而進行潛艇和遠洋輪船的設計建造，具有關鍵性意義。

3、我們自身的探討：進化與自然選擇

標準釋義：進化，即演化，在生物學中是指種羣裏的遺傳性狀在世代之間的變化。自然選擇，也稱為天擇，指生物的遺傳特徵在生存競爭中，具有了某優勢或某劣勢，進而在生存能力上產生差異，並導致繁殖能力的差異，使得這些特徵被保存或是淘汰。

既然我們已經建立起關於宇宙何以從無到有，以及物理學在日常生活中是如何發揮作用的若干基礎概念體系，下一步便可以開始關注我們人類自己的形式問題，即我們是如何成為今天這番模樣的。

我們知道，基因是會複製給下一代的，但基因突變會讓其情況出現變化，這種變化了的新情況，可能隨着物種遷徙等在種羣中傳遞。

那麼按照當今大多數科學家的觀點，所有地球生物曾經擁有一個共同的祖先。後來隨着時間的發展，部分開始進化成為特徵鮮明的特定物種。久而久之，生物多樣性便逐漸在所有有機生物中增加與擴展開來。

從最基本的意義上説，基因突變等變異機制在生物進化的過程中一直髮生着。而每一階段的這些細節變化都會通過世代的遺傳而得以保留。相應的，生物種羣也因此發展出了不同的特徵，並且這些特徵往往能夠幫助生物更好地繁衍生存下來。比如棕色皮膚的青蛙，顯然比其它顏色的同類更適宜以偽裝的方式在泥濘的沼澤地區生存。這便是所謂的自然選擇。

當然，對於進化與自然選擇理論，我們還可以將其應用到更廣泛的生物範圍。但是達爾文在19世紀提出的“地球生命豐富的多樣性，來源於進化中的自然選擇”，無疑依舊是最基礎和最具開創性的。

2、永遠轉變了理解宇宙的方式：廣義相對論

標準釋義：引力在此被描述為時空的一種幾何屬性（曲率），而這種時空曲率與處於時空中的物質與輻射的能量，動量張量直接相聯繫，其聯繫方式即是愛因斯坦的引力場方程（一個二階非線性偏微分方程組）。

對於任何一個不曾學習或研究它的人來説，廣義相對論的標準釋義看了和沒看一個樣。因為它在解釋該詞條時，至少又用了4組不被人理解的詞彙。

它的內涵和外延涉及甚廣，似乎非論文形式不能描述。在此，我們且看看被稱為現代引力理論研究的最高水平的廣義相對論在論什麼。作為比牛頓萬有引力更具有一般性的理論，質量還是一個決定引力的重要屬性，但是不再是引力的唯一來源。

在愛因斯坦這裏，引力已不再是牛頓所描述的一種力，甚至可以説，已沒有了原來引力的概念。因為愛因斯坦把它看成物體周圍的時空彎曲，以前所説的“物體受引力作用所作的運動”，被歸結為物體在一個彎曲時空中，沿短程線的自由運動。

如果讓“彎曲時空”的概念更明朗化些，可以想象環繞地球飛行的航天飛機裏的宇航員，對他們而言，他們是按直線方式在太空中飛行，但實際上航天飛機周圍的時空，已經被地球的引力所彎曲，這使航天飛機成為又能向前飛行，又能圍繞地球轉的物體。

按美國相對論研究的首席專家約翰·惠勒解釋，這種所謂時空的幾何屬性可以這樣概述：時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲。因而，其可以展現出宇宙星光受大天體影響的彎曲方式，並且為研究黑洞奠定了理論基礎。

1、上帝擲骰子嗎？：海森堡測不準原理

標準釋義：德國物理學家海森堡於1927年提出，表明量子力學中的不確定性，指在一個量子力學系統中，一個粒子的位置和它的動量（粒子的質量乘以速度）不可被同時確定。

“測量！在經典理論中，這不是一個被考慮的問題。”《量子物理史話》如是説。

那是因為在經典物理學裏，你、我，或作為觀測者的任何一人，對這個等待被測量的客觀物體是沒有影響，或影響甚微以致可忽略不計的。那時就算我們弄不懂箇中道理，也不妨礙原理待在那，等着我們慢慢參詳。

但現在就要踏入量子世界的魔潭了，此處我們作為觀測者會給實驗現象帶來一定的擾動，因此如果測一個電子的動量，所得值只是相對你這個觀測者而言的。微觀世界中，要以“概率”來論，所謂上帝擲骰子。

當年的華納·海森堡就在此中有了突破性的發現，人們無法同時得到粒子的兩種變量精確信息，哪怕再精密的儀器都不行。具體講，你或者可以準確地知道電子的位置，但無法同時知道其動量，或者反之，得此失彼。而類似的不確定性也存在於能量和時間、角動量和角度等許多物理量之間。

或許你沒明白這件事的詭異性，就像之前提到的，量子世界裏的量既然是相對性，那隻要它存在，就應該可以被測量出來。既然無論如何不能測量到，那它就不復存在。因此，在你沒確定測量這個物理量的手段時，談論它毫無意義。一個電子的動量，只有當你測量時，也才有意義。

這更像是一個哲學話題了。而“海森堡測不準原理”與其説是實驗中發現的，倒不如説是海森堡和他老師玻爾等人討論出來的。到了玻爾發現電子同時具有粒子和波的雙重性質（量子物理的柱石，波粒二象性），當我們測量電子的位置時，我們將其當作粒子，波長不定；而當我們要測量動量時，我們將其當作波，知道波長的量值卻失去它的位置。

即便你現在無比混亂，這依然沒什麼大不了的。玻爾的名言就是：“如果誰不為量子論而困惑，那他一定沒有理解量子論。”類似的話費曼也説過。所以我們沒啥好鬱悶的，愛因斯坦和我們一個狀況。