科學(xué)定理往往可以被精簡(jiǎn)成物理表達(dá)式，例如偉大的E=mc2。這類公式是基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上的一種特定敘述，而且通常只有在個(gè)別特定條件存在時(shí)才會(huì)組建。但是這種定理或理論，通常人很難理解。這篇文章就讓我們可以像看“十萬個(gè)為何”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)容將采取易于理解，也符合發(fā)展規(guī)律的倒述方式，從宇宙大爆燃這階段開始，理解行星、描述引力，再到生命進(jìn)化起步，最后一頭伸進(jìn)量子化學(xué)學(xué)，去會(huì)一會(huì)那世上最讓人頭暈的玩意兒。
10、眾理論的敲鉆石：大爆燃理論
標(biāo)準(zhǔn)釋義：大爆燃是描述宇宙誕生初始條件及其后續(xù)演進(jìn)的宇宙學(xué)模型，其得到了現(xiàn)今科學(xué)研究和觀測(cè)最廣泛且最精確的支持。目前通常所指的大爆燃觀點(diǎn)為：宇宙是在過去有限的時(shí)間之前，由一個(gè)密度極大且濕度極高的太初狀態(tài)變遷而至的（按照2010年所得到的最佳觀測(cè)結(jié)果，這種初始狀態(tài)大概存在于133億年至139億年前），并經(jīng)過不斷的膨脹抵達(dá)明天的狀態(tài)。
當(dāng)有誰想要試著觸及一下高深的科學(xué)理論，這么，從宇宙下手就對(duì)了，而解釋宇宙怎么發(fā)展至今的大爆燃理論就是最好選擇。這條理論的基礎(chǔ)構(gòu)架在埃德溫·哈勃、喬治斯·勒梅特、阿爾伯特·愛因斯坦以及許多其別人士的研究之上，該理論說白了，就是假定宇宙開始于幾乎140億年前的一次重量級(jí)的爆燃。當(dāng)時(shí)的宇宙局限于一個(gè)奇點(diǎn)，包含了宇宙中的所有物質(zhì)，宇宙原始的運(yùn)動(dòng)：保持向外擴(kuò)張，在明天仍在進(jìn)行著。
大爆燃理論能得到這么廣泛的支持，離不開阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜的功勞。她們架設(shè)的一臺(tái)揚(yáng)聲器形狀的天線，接收到了一種如何都清除不掉的噪音訊號(hào)，那就是宇宙的電磁幅射，即宇宙微波背景幅射。正是最初的大爆燃促使如今整個(gè)宇宙都飽含了這些可以測(cè)量到的微弱幅射，對(duì)應(yīng)氣溫大概為3K。
9、推算出宇宙年紀(jì)：哈勃定理
標(biāo)準(zhǔn)釋義：來自遙遠(yuǎn)星體光線的紅移與它們的距離成反比。該定理由哈勃和米爾頓·修默生在將近六年的觀測(cè)以后，于1929年首先公式化，Vf=Hc×D（遠(yuǎn)離速度=哈勃常數(shù)×相對(duì)月球的距離），其在明天常常被引述作為支持大爆燃的一個(gè)重要證據(jù)，并成為宇宙膨脹理論的基礎(chǔ)。
這兒涉及一個(gè)前文提及的人，埃德溫·哈勃。此人對(duì)宇宙學(xué)的貢獻(xiàn)值得讓人來回溯下他的事跡：在20世紀(jì)20年代呼嘯飛過、大凋敝踉蹌而來的時(shí)光里，哈勃卻詮釋了突破性的天文研究。他除了證明，不僅銀河系外還有其他星體的存在，還發(fā)覺了這些星體正以遠(yuǎn)離銀河系的方向運(yùn)動(dòng)，而他公式中的遠(yuǎn)離速度就是星體退后的速率。哈勃常數(shù)指的是宇宙膨脹速度的參數(shù)，而相對(duì)月球的距離主體也是這種星體。但聽說，被尊為星體天文學(xué)創(chuàng)始人的哈勃本人卻十分不喜歡“星系”一詞，宣稱其為“河外星云”。
隨著時(shí)間流逝，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，正是該定理幫助量化了宇宙各星體的運(yùn)動(dòng)，推測(cè)遙遠(yuǎn)星體的距離。而“宇宙是由許多星體組成”的概念的提出，以及發(fā)覺這種星體的運(yùn)動(dòng)可以溯源至大爆燃，它們都使哈勃定理如同同樣借此人命名的天文望遠(yuǎn)鏡般知名。
8、改變整個(gè)天文學(xué)：開普勒三定理
標(biāo)準(zhǔn)釋義：即行星運(yùn)動(dòng)定理，由開普勒發(fā)覺的行星聯(lián)通所遵循的三條簡(jiǎn)單定理。
第一定理：每一個(gè)行星都沿各自的橢圓軌道環(huán)繞太陽運(yùn)行，而太陽則處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)中；
第二定理：在相等時(shí)間內(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；
第三定理：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(zhǎng)軸的立方成反比。
圍繞著行星的運(yùn)行軌道量子論的物理學(xué)基礎(chǔ)，尤其是它們是否以太陽為中心，科學(xué)家與宗教領(lǐng)袖以及自己的同行進(jìn)行了歷時(shí)數(shù)個(gè)世紀(jì)的廝殺。16世紀(jì)時(shí)，哥白尼提出了在當(dāng)時(shí)引起巨大爭(zhēng)議的日心說理論，覺得行星是以太陽而不是月球?yàn)橹行倪M(jìn)行運(yùn)行的。隨后第谷·布拉赫等人也陸續(xù)有所闡述。但真正為行星運(yùn)動(dòng)學(xué)完善明晰科學(xué)基礎(chǔ)的，是約翰內(nèi)斯·開普勒。
開普勒于17世紀(jì)初期提出的行星運(yùn)動(dòng)三大定理，描述了行星是怎樣圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的。第一定理，又被稱為橢圓定理；第二定理，又被稱面積定理，換句話解釋該定理，就是說假如你連續(xù)30天跟蹤測(cè)算月球與太陽之間連線隨月球運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生面積，都會(huì)發(fā)覺不管月球在軌道的那個(gè)位置，也不管何時(shí)開始測(cè)算，結(jié)果都是一樣的。至于第三定理，俗稱調(diào)和定理，它促使我們才能構(gòu)建起一個(gè)行星軌道周期與距太陽遠(yuǎn)近之間的明晰關(guān)系。例如金星這樣特別緊靠太陽的行星，就有著比海王星短得多的軌道運(yùn)行周期。正是這三條定理，徹底搗毀了托勒密復(fù)雜的宇宙體系。
7、大部份理論的基石：萬有引力定理
標(biāo)準(zhǔn)釋義：牛頓的普適萬有引力定理表示為，任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)通過連心線方向上的力互相吸引。該引力的大小與它們的質(zhì)量乘積成反比，與它們距離的平方成正比，與兩物體的物理本質(zhì)或化學(xué)狀態(tài)以及中介物質(zhì)無關(guān)。該理論就能由一個(gè)早已寫進(jìn)明天中學(xué)數(shù)學(xué)課本的公式進(jìn)行敘述：F=G×[(m1m2)/r2]
雖然明天人們將其看作是理所其實(shí)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)侯，無疑是當(dāng)時(shí)最具有革命性的重大風(fēng)波。牛頓提出的理論可以簡(jiǎn)單敘述為：任何兩個(gè)物體，不管各自質(zhì)量怎樣，互相之間就會(huì)發(fā)生斥力，而質(zhì)量越大的東西形成的引力越大。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分別代表兩個(gè)物體的質(zhì)量；r為二者之間的距離；G是引力常數(shù)。
這是多種實(shí)踐條件下都相當(dāng)精確的定理，但數(shù)學(xué)學(xué)發(fā)展至今，人們?cè)缫褧缘门ｎD對(duì)重力描述的不完美性。但是，該定理仍不失為迄今所有科學(xué)中最實(shí)用的概念之一，它簡(jiǎn)單、易學(xué)、且囊括面很廣，以至于在廣義相對(duì)論初問世的一段時(shí)間內(nèi)都很少有人問津。更有意義的是，萬有引力定理讓渺小的人類獲得了估算龐大星球之間引力的能力，而且在發(fā)射軌道衛(wèi)星與測(cè)繪探月航線等方面尤其有用。
6、物理科學(xué)有了基本定律：牛頓運(yùn)動(dòng)定理
標(biāo)準(zhǔn)釋義：牛頓第一定理為慣性定理；牛頓第二定理構(gòu)建起物體質(zhì)量與加速度之間的聯(lián)系；牛頓第三定理為斥力與反斥力定理。
還是牛頓。每每我們談?wù)撈鹉俏蝗祟悮v史上最杰出的科學(xué)家之一，總不由得從他最知名的熱學(xué)三大定理開始。由于這種簡(jiǎn)約而高貴的定理，奠定了現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)。
簡(jiǎn)單理解三大定理的意義，其第一條就讓我們曉得，滾動(dòng)的皮球之所以還能在地板上運(yùn)動(dòng)，必將是遭到外力的促進(jìn)。這外力可能是與地板之間的磨擦，其實(shí)是小兒子踢出的一腳。第二定理以F=ma這個(gè)公式敘述，同時(shí)也意味著一個(gè)具有方向性的矢量。那種皮球滾過地板時(shí)，由于加速度的緣由，獲得了一個(gè)指向滾動(dòng)方向的矢量。通過它便就能估算出皮球所遭到的斥力。第三定理相當(dāng)簡(jiǎn)約，也最為人們所熟知，其意思無外乎，用右手隨意戳戳那個(gè)物體的表面，它們都將用同等的力量進(jìn)行回應(yīng)。
5、熱力學(xué)基礎(chǔ)基本完備：熱力學(xué)三定理
標(biāo)準(zhǔn)釋義：熱力學(xué)第一定理，熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γσ部梢赞D(zhuǎn)變?yōu)闊幔簿褪悄芰渴睾愫娃D(zhuǎn)換定理；第二定理有幾種敘述方法，其中之一是不可能把熱從高溫物體傳到低溫物體而不造成其他變化；第三定理，在熱力學(xué)氣溫零度（即T=0開）時(shí)，一切完美晶體的熵值等于零。
日本化學(xué)學(xué)家和小說家查爾斯·珀西·斯諾以前有一段極其知名的闡述：“不懂得熱力學(xué)第二定理的科學(xué)家，如同一個(gè)從沒讀過莎士比亞的科學(xué)家一樣。”斯諾的言語意在批評(píng)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)第二定理。雖然，斯諾的論述確實(shí)指出并敦促人文學(xué)者都應(yīng)當(dāng)去了解一下它的重要性。
熱力學(xué)是研究系統(tǒng)中能量運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。這兒的系統(tǒng)既可以是一臺(tái)底盤，也可以是炙熱的地幔。斯諾運(yùn)用自己的聰明才智將其精簡(jiǎn)成為以下若干條基本規(guī)則：你贏不了、你難以實(shí)現(xiàn)收支平衡、你沒法退出游戲。
該怎么理解這種說法呢？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，我們難以實(shí)現(xiàn)一種能量方式到另一種的對(duì)等轉(zhuǎn)換，而不損失一部份能量。如同假如要底盤做功，就必須提供熱能一樣。雖然是在一個(gè)完美極至的封閉空間中，部份熱量仍然將不可防止地散逸到外部世界中去。
而這就引起了第二定理“你實(shí)現(xiàn)不了收支平衡”。鑒于熵的無限降低，我們沒法返回或保持相同的能量狀態(tài)。由于熵總是從含量高的地方向含量低的區(qū)域流動(dòng)。而有熵的存在，也是永動(dòng)機(jī)不可能出現(xiàn)的緣由。
最后是第三定理“無法退出的游戲”。這兒要涉及到絕對(duì)零度，即理論上可能達(dá)到的最低氣溫，通常指零開爾文（零下273.15攝氏度或零下459.67華氏度）。第三定理的敘述為，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到絕對(duì)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，雖然在宇宙的深處，達(dá)到絕對(duì)零度也是不可能的。你只能無限地接近所謂的終點(diǎn)。
4、公元前200年的大智慧：阿基米德定理
標(biāo)準(zhǔn)釋義：化學(xué)學(xué)中的阿基米德定理，即阿基米德壓強(qiáng)原理，是指浸在靜止流體中的物體遭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)合力稱為壓強(qiáng)。物理表達(dá)式為：F浮=G排
關(guān)于阿基米德是怎樣發(fā)覺壓強(qiáng)原理這一數(shù)學(xué)學(xué)重大突破的，有個(gè)傳說：阿基米德某次洗腳的時(shí)侯，見到浴盆里的水會(huì)隨著自己身體的浸沒而上升，便遭到啟發(fā)開始思索。而當(dāng)他最終確定發(fā)覺了壓強(qiáng)理論以后，那位古埃及最偉大的先哲一邊激動(dòng)地大叫“找到了！找到了！”，一邊裸露著身體飛奔在錫拉丘茲城的大道小巷。
古埃及學(xué)者阿基米德的古老發(fā)覺早已被廣泛應(yīng)用在人類社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。按照壓強(qiáng)原理，施加在一個(gè)部份或整體吞沒于液體中的物體的斥力，等于該物體液內(nèi)容積所排出的液體重量。這對(duì)于估算物體的密度，從而進(jìn)行導(dǎo)彈和遠(yuǎn)洋客輪的設(shè)計(jì)建造，具有關(guān)鍵性意義。
3、我們自身的闡述：進(jìn)化與自然選擇
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。自然選擇，亦稱為天擇，指生物的遺傳特點(diǎn)在生存競(jìng)爭(zhēng)中，具有了某優(yōu)勢(shì)或某劣勢(shì)，因而在生存能力上形成差別，并造成飼養(yǎng)能力的差別，致使這種特點(diǎn)被保存或是淘汰。
既然我們?cè)缫褬?gòu)建起關(guān)于宇宙何以從無到有，以及數(shù)學(xué)學(xué)在日常生活中是怎么發(fā)揮作用的若干基礎(chǔ)概念體系，下一步便可以開始關(guān)注我們?nèi)祟愖约旱姆绞絾栴}，即我們是怎樣成為明天這番模樣的。
我們曉得，基因是會(huì)復(fù)制給下一代的，但基因突變會(huì)讓其情況出現(xiàn)變化，這些變化了的新情況，可能隨著物種遷徙等在種群中傳遞。
這么依照現(xiàn)今大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)，所有月球生物以前擁有一個(gè)共同的先祖。后來隨著時(shí)間的發(fā)展，部份開始進(jìn)化成為特點(diǎn)鮮明的特定物種。久而久之，生物多樣性便漸漸在所有有機(jī)生物中降低與擴(kuò)充開來。
從最基本的意義上說，基因突變等變異機(jī)制在生物進(jìn)化的過程中一卷發(fā)生著。而每一階段的那些細(xì)節(jié)變化就會(huì)通過世代的遺傳而得以保留。相應(yīng)的，生物種群也因而發(fā)展出了不同的特點(diǎn)，但是這種特點(diǎn)常常就能幫助生物更好地繁衍生存出來。例如藍(lán)色皮膚的烏龜，其實(shí)比其它顏色的同類更適合以偽裝的形式在崎嶇的沼澤地區(qū)生存。這便是所謂的自然選擇。
其實(shí)，對(duì)于進(jìn)化與自然選擇理論，我們還可以將其應(yīng)用到更廣泛的生物范圍。而且達(dá)爾文在19世紀(jì)提出的“地球生命豐富的多樣性，來始于進(jìn)化中的自然選擇”，無疑依然是最基礎(chǔ)和最具開創(chuàng)性的。
2、永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)變了理解宇宙的方法：廣義相對(duì)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），而這些時(shí)空曲率與處于時(shí)空中的物質(zhì)與幅射的能量，動(dòng)量張量直接相聯(lián)系，其聯(lián)系方法即是愛因斯坦的引力場(chǎng)多項(xiàng)式（一個(gè)二階非線性偏微分等式組）。
對(duì)于任何一個(gè)不曾學(xué)習(xí)或研究它的人來說，廣義相對(duì)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)，起碼又用了4組不被人理解的詞匯。
它的內(nèi)涵和外延涉及甚廣，雖然非論文方式不能描述。在此，我們且瞧瞧被稱為現(xiàn)代引力理論研究的最高水平的廣義相對(duì)論在論哪些。作為比牛頓萬有引力更具有通常性的理論，質(zhì)量還是一個(gè)決定引力的重要屬性，并且不再是引力的惟一來源。
在愛因斯坦這兒，引力已不再是牛頓所描述的一種力，甚至可以說，已沒有了原先引力的概念。由于愛因斯坦把它看成物體周圍的時(shí)空彎曲，先前所說的“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，沿近程線的自由運(yùn)動(dòng)。
若果讓“彎曲時(shí)空”的概念更明朗化些，可以想像環(huán)繞月球飛行的航天客機(jī)里的宇航員，對(duì)她們而言，她們是按直線形式在太空中飛行，但實(shí)際上航天客機(jī)周圍的時(shí)空，早已被月球的引力所彎曲，這使航天客機(jī)成為又能往前飛行，又能圍繞月球轉(zhuǎn)的物體。
按日本相對(duì)論研究的首席專家約翰·惠勒解釋量子論的物理學(xué)基礎(chǔ)，這些所謂時(shí)空的幾何屬性可以這樣概述：時(shí)空告訴物質(zhì)怎么運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)告訴時(shí)空怎樣彎曲。因此，其可以詮釋出宇宙星光受大天體影響的彎曲形式，而且為研究黑洞奠定了理論基礎(chǔ)。
1、上帝擲色子嗎？：海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理
標(biāo)準(zhǔn)釋義：日本化學(xué)學(xué)家海森堡于1927年提出，表明量子熱學(xué)中的不確定性，指在一個(gè)量子熱學(xué)系統(tǒng)中，一個(gè)粒子的位置和它的動(dòng)量（粒子的質(zhì)量除以速率）不可被同時(shí)確定。
“測(cè)量！在精典理論中，這不是一個(gè)被考慮的問題。”《量子化學(xué)雜記》如是說。
那是由于在精典化學(xué)學(xué)里，你、我，或作為觀測(cè)者的任何一人，對(duì)這個(gè)等待被檢測(cè)的客觀物體是沒有影響，或影響甚少因而可忽視不計(jì)的。那時(shí)即使我們弄不懂個(gè)中道理，也不阻礙原理待在那，等著我們漸漸參詳。
但如今就要走入量子世界的魔潭了，此處我們作為觀測(cè)者會(huì)給實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象帶來一定的擾動(dòng)，因而假如測(cè)一個(gè)電子的動(dòng)量，所得值只是相對(duì)你這個(gè)觀測(cè)者而言的。微觀世界中，要以“概率”來論，所謂上帝擲色子。
當(dāng)初的華納·海森堡就在此中有了突破性的發(fā)覺，人們難以同時(shí)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，你或則可以確切地曉得電子的位置，但未能同時(shí)曉得其動(dòng)量，或則反之，得此失彼。而類似的不確定性也存在于能量和時(shí)間、角動(dòng)量和角度等許多數(shù)學(xué)量之間。
其實(shí)你沒明白這件事的奇特性，如同之前提到的，量子世界里的量既然是相對(duì)性，那只要它存在，就應(yīng)當(dāng)可以被檢測(cè)下來。既然無論怎樣不能檢測(cè)到，那它就不復(fù)存在。因而，在你沒確定檢測(cè)這個(gè)數(shù)學(xué)量的手段時(shí)，談?wù)撍翢o意義。一個(gè)電子的動(dòng)量，只有當(dāng)你檢測(cè)時(shí)，也才有意義。
這更像是一個(gè)哲學(xué)話題了。而“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”與其說是實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺的，倒不如說是海森堡和他老師玻爾等人討論下來的。到了玻爾發(fā)覺電子同時(shí)具有粒子和波的雙重性質(zhì)（量子化學(xué)的柱石，波粒二象性），當(dāng)我們檢測(cè)電子的位置時(shí)，我們將其當(dāng)做粒子，波長(zhǎng)不定；而當(dāng)我們要檢測(cè)動(dòng)量時(shí)，我們將其當(dāng)做波，曉得波長(zhǎng)的量值卻喪失它的位置。
雖然你如今無比混亂，這仍然沒哪些大不了的。玻爾的格言就是：“如果誰不為量子論而苦惱，那他一定沒有理解量子論。”類似的話費(fèi)曼也說過。所以我們沒啥好苦惱的，愛因斯坦和我們一個(gè)狀況。