科学史上十个最大的想法

托马斯·库恩(Thomas Kuhn

托马斯·库恩(Thomas Kuhn)在他的《科学革命的结构》一书中辩称,科学并没有像通常认为的那样逐步逐步发展,而是以尴尬的跳跃和界限向前发展。这样做的原因是,建立的理论很难推翻,并且矛盾的数据通常被视为异常。但是,在某个时候,反对该理论的证据变得如此压倒性,以至于在库恩称为“范式转变”的过程中,它被更好的证据被更好地移动。在科学中,有一天,即使是最广泛接受的想法也可以被视为昨天的教条。

科学中最伟大的想法

然而,有些概念被认为是如此坚固的岩石,很难想象它们被更好地取代。此外,这些概念从根本上改变了它们的领域,以以前从未做过的方式统一和照亮它们。

那么,这些想法是什么?编译这样的列表将是一项艰巨的任务,主要是因为有很多好的选择。值得庆幸的是,牛津化学教授彼得·阿特金斯(Peter Atkins)在2003年的《伽利略的手指:十个伟大的科学思想》中做到了这一点。阿特金斯博士的科学知识广度确实令人印象深刻,他的十种选择也很棒。尽管这本书是在牢记受欢迎的观众中写的,但即使对于具有科学背景的人来说,它在某些地方也可能难以理解。不过,我强烈推荐它。

让我们看一下十个好主意(没有特定顺序列出)。

#1。进化是由自然选择发生的,合成维生素C的能力在进化史上已经失去了多次。(信用:Guy Drouin等人,Curr Genomics,2011年)在1973年,进化生物学家Theodosius Dobzhansky撰写了一篇题为“除了进化之外,生物学上没有任何生物学是有意义的”论文。到现在为止,全球成千上万的学生听到了他们的生物学老师给他们的标题。

也有充分的理由。进化的力量来自其解释生活的统一和多样性的能力。换句话说,该理论描述了物种之间的相似性和差异是如何通过普遍共同祖先的血统而产生的。值得注意的是,所有物种的共同基因大约有三分之一,而65%的人类基因与细菌和单细胞真核生物(如藻类和酵母)相似。

共同下降的最迷人的例子之一是负责维生素C合成最终步骤的基因的演变。人类有这个基因,但它被打破了。这就是为什么我们必须喝橙汁或找到其他维生素C的其他外部来源。通过对该基因进行测序并跟踪突变,可以准确追溯何时丢失维生素C的能力。根据这种系统发育树(见上文),损失发生在祖先中,这引起了整个人类人类灵长类动物的谱系。人类,黑猩猩,猩猩和大猩猩都拥有这种破碎的基因,因此,所有人都需要一个外部维生素C的来源(在进化史的其他角度,蝙蝠和豚鼠也失去了这种维生素C基因。)许多哺乳动物在饮食中不需要维生素C,因为它们具有功能性的副本并能够自行生产;这就是为什么您的狗或猫在没有橙汁的情况下就可以很好地得到。这些观察结果最令人满意的解释是从共同祖先的修改中下降的。

#2。 DNA编码可遗传的信息遗传密码将核苷酸的“三重态”转化为氨基酸。 (信用:Mary Ann Clark等人,生物学2E,OpenStax,2018年。)

对科学和宗教有冲突的观念的逆势体现,“遗传学之父”就是奥古斯丁男修道士格雷戈尔·门德尔(Gregor Mendel)。他著名地使用豌豆植物进行了实验,并在此过程中推断了基本的遗传模式。他将这些可遗传的单位称为“元素”。今天,我们称它们为“基因”。令人惊讶的是,门德尔甚至都不知道DNA存在,查尔斯·达尔文(Charles Darwin)既不知道DNA也不知道Mendel的发现。

直到1952年,科学家才确定DNA是负责传输可遗传信息的分子。阿尔弗雷德·赫尔希(Alfred Hershey)和玛莎·蔡斯(Martha Chase)进行的一项实验,使用带有放射性标记的硫或磷的病毒感染细菌,相当令人信服地证明了这种情况。然后,在1953年,詹姆斯·沃特森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)的大量投入以罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)的大量投入使用其DNA结构的双螺旋模型破碎了生物世界。 )DNA序列编码信息。在三个组中(例如ACG,GAA,CCT等),这些核苷酸编码为氨基酸,即蛋白质的构建块。总的来说,三个字母的每种可能组合都称为“遗传密码”。 (请参见上图。请注意,每个T在RNA中被U替换。)最终,出现了分子生物学的中心教条:(1)DNA是主蓝图,负责继承; (2)DNA被转录为RNA,它充当使者,传达了这一重要信息; (3)RNA转化为蛋白质,该蛋白为细胞提供结构和酶促功能。

如今,众所周知,单独的DNA序列不足以解释在细胞水平上观察到的所有行为。对不影响字母序列(称为表观遗传变化)的DNA的改变正在进行中。目前尚不清楚表观遗传学在多大程度上造成了可遗传的特征。

#3。能量是保守的:Sunder Muthukumaran / Unsplash

目前宇宙中目前存在的所有能量都是有史以来的所有能量。能量既不是创造也不破坏的(这就是为什么您永远不应该购买永久运动机的原因),尽管它可以转变为质量(反之亦然)。这被称为质量能量等效性,每个学童都知道描述它的方程式:e = mc2。能量的故事主要始于艾萨克·牛顿(Isaac Newton)。可以这么说,他的三个运动定律使球滚动,但他们没有直接处理能量。相反,他们处理了武力。最终,在像开尔文勋爵(Lord Kelvin)这样的科学家的帮助下,物理学开始专注于能量。 IT的两种最重要形式是势能(存储能量)和动能(运动能量)。大多数其他形式的能量,包括化学和电能,只是潜在和动能的变化表现。同样,“工作”和“热”不是能量本身的形式,而只是转移它的方法。

#4。熵:宇宙趋向于障碍:Alexandradaryl / Adob​​e Stock

墨菲的法律指出:“任何可能出错的事情,都会出错。”熵有点像墨菲定律适用于整个宇宙。

简而言之,熵是疾病的量度,热力学的第二定律指出,所有封闭的系统都倾向于最大化熵。扭转这种不断增加的疾病趋势需要能量输入。这就是为什么家政如此累人的原因。您的房子独自一人会变得尘土飞扬,蜘蛛会搬进来,最终会崩溃。但是,在一个地方预防障碍的能量同时增加了其他地方。总体而言,宇宙的熵总是增加。肠胃也以另一种方式表现出来:没有完美的能量转移。您的身体(或细胞)不能完美地利用食物作为能源,因为其中一些能量永远损失在宇宙中。因此,就像在金融中一样,每笔交易都均征税。 (华盛顿大学微生物学家富兰克林·哈罗德(Franklin Harold)喜欢称其为“上帝的能量税”。)

因此,“生命中没有一定的死亡和税收”的普遍格言因此具有新的含义。

#5。物质由Atomscredit制成:Evgeniybobrov / Adob​​e股票

空气,水,细菌,人类,计算机,星星:所有这些都是由原子制成的。实际上,构成地球的原子(包括我们在内的所有东西)最初来自星星,这就是为什么卡尔·萨根(Carl Sagan)著名地打趣道:“我们是由星星制成的。”

但是什么是原子?实际上,主要是空的空间。这也意味着您也是空的空间。每个原子的中心称为核,由呈阳性的质子和未充电的中子组成。围绕着阳性浓密的群集是负电荷的电子,它嗡嗡作响,是不可预测的。最初,人们认为电子以类似于太阳周围的行星的方式绕核绕,这是原子的所谓“太阳系模型”,为此赋予了尼尔斯·鲍尔(Niels Bohr)的信誉。该模型过于简单和不正确,但是对于某些计算,它的功能足够好,这就是为什么它仍在基本化学类中进行教学的原因。该模型最终被更复杂的原子轨道模型取代。在元素周期表上发现了所有已知的原子,这是每个化学类别的核心。该表以各种方式组织原子,其中两个特别重要:首先,原子是通过增加原子数来安排的,该原子数代表质子的数量并定义了每个元素。其次,表上的每列表示每个原子中外壳电子的数量。这很重要,因为外壳电子在很大程度上决定了原子参与的化学反应。

元素周期表中最迷人的方面也许是它的产生方式。俄罗斯化学家德米特里·门德莱夫(Dmitri Mendeleev)首先创建了现代元素周期表。但是,它缺少元素。并使用他的桌子正确地预测了尚未发现的元素的存在。

#6。对称性量化美容:Serge-B / Adob​​e Stock

对称性,这种模糊的概念涉及以各种方式折叠或扭曲的三角形,立方体和其他对象的应用,其应用远远超出了高中几何类别。事实证明,宇宙充满对称性或缺乏对称性。最美丽的人脸也是最对称的。晶体中的原子以对称的重复模式排列。从蜂窝到螺旋星系,整个自然界的许多其他现象表现出令人叹为观止的对称性。

粒子物理和天体物理学也被对称的概念所吸引。最大的不对称之一是,我们的宇宙比反物质更重要。如果宇宙完全对称,则两者都有相等的数量。 (但是,宇宙可能不存在,因为物质和反物质互相消灭。)但是,正如阿特金斯所写的那样,宇宙是对称的。时间方向。”

这是否解释了为什么环球小姐总是那么漂亮?

#7。古典力学未能描述小颗粒:塔里克维斯 /阿彭库存

Isaac Newton和James Clerk Maxwell的古典物理学在大多数日常应用中都可以很好地工作。但是,古典物理学是有限的,因为它不能完全准确地描绘现实。

对黑体辐射的分析,第一个意识到严重错误的印象。想象一个热炉:它首先开始红色,然后随着变热而变成白色。古典物理学无法解释这一点。然而,麦克斯·普朗克(Max Planck)有了一个想法:也许释放的能量是用小包包装的,称为“ Quanta”。它不是能量具有连续值,而是仅具有离散值。 (想想坡道和楼梯之间的差异;站在坡道上的人可以占据任何高度,而站在楼梯上的人只有一定的离散高度可以选择。)事实证明,这些“ Quanta “如今,光能被称为光子。因此,已经证明,直到那个时候通常被认为是波浪的光也可能像离散的粒子一样。像粒子一样起作用。灌篮的证据证明了这一想法的证据是通过著名的双缝实验来得出的,该实验表明光子,电子甚至像Buckyballs这样的分子表现出波颗粒二元性。 (一个实验室在2013年5月再次证实了该实验的结果。)

这两个概念,量化和波粒偶性,构成了被称为量子力学的学科的核心。其他两个核心概念包括不确定性原理(即无法了解具有精度的系统特征的各对)和波函数(当平方时,它们的概率是在特定位置找到粒子的概率)。所有给我们的一切呢? Schrödinger的猫同时死了。

难怪斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)总是会拿到他的枪。#8。宇宙正在扩展:NASA / CXC / M. Weiss

大约138亿年前,宇宙经历了一段快速扩张的时期,称为宇宙通货膨胀。在那之后立即是大爆炸。 (是的,宇宙通货膨胀发生在大爆炸之前。)从那以后,宇宙一直在不断扩大。

我们知道发生了大爆炸,这是因为它留下的明显证据:宇宙微波背景(CMB)辐射。随着宇宙的扩大,大爆炸的最初光线伸展了。 (请记住,光既可以是波浪也是粒子。)当光线拉伸时,波长会增加。如今,肉眼不再可见这种光,因为它现在居住在电磁光谱的微波范围内。但是,您仍然可以在带有天线的老式电视机上“看到”它。 “中间”通道上的静态部分是由于CMB所致。

但是,不仅宇宙在扩展,而且由于暗能量,其膨胀速度也在加速。一个距离地球的物体越远,它越来越多地远离我们。如果您认为宇宙现在是一个孤独的地方,那就等1000亿年。多亏了黑暗的能量,我们将无法看到除我们自己的银河系以外的任何星星(当时,这将是银河系与仙女座星系和较小的卫星星系之间的巨大合并)。

#9。当MatterCredit弯曲时空:网络的Christopher Vitale和Pratt Institute

我们宇宙的结构是时空,由三个空间维度(长度,宽度和高度)组成,并结合时间的尺寸。想象一下这种织物是弹性的橡皮纸。然后想象一下将一个巨大的保龄球放在那张床单上。床单会在保龄球上翘曲,保龄球附近的任何物体都会向其滚动。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的一般相对论理论的隐喻解释了重力的工作原理。 (尽管是爱因斯坦的最大成就,但总体相对论并不是他获得诺贝尔奖的奖金;相反,该奖项是因为他在光电效应方面的工作而获得的。)但这并不是爱因斯坦唯一的贡献。他还提出了特殊的相对论,其中描述了时间如何减慢移动物体,尤其是当它们更接近光速时。

有趣的是,必须考虑GPS卫星正常工作的一般和特殊相对论的影响。如果不考虑这些效果,那么地球和卫星上的时钟将失去同步,因此,GPS单位报告的距离将非常不准确。因此,每次您成功使用智能手机找到当地的星巴克时,请感谢Albert Einstein。

#10。数学是Reasoneuler身份的极限。 (信用:t.omine / adobe股票)

从根本上讲,数学没有意义。对于那些在代数或微积分中挣扎的人来说,这可能并不令人惊讶。尽管这是科学的语言,但事实是数学是建立在破裂的基础上的。

例如,考虑一个数字。您认为当您看到一个时就知道一个,但是很难定义。 (从这个意义上讲,数字就像淫秽或色情。)并不是数学家并没有试图定义数字。设定理论的领域在很大程度上致力于这样的努力,但并非没有争议。或考虑无限。乔治·坎托(Georg Cantor)做到了,(有人推测)他在此过程中发疯了。违反直觉,有一个无穷大于另一个无穷大的东西。理性数字(可以表示为分数的数字)构成一个无穷大,但非理性数字(不能表示为馏分的数字)构成了较大的无穷大。尤其要归咎于这种特殊类型的非理性数字,称为先验数字。最著名的先验是PI,它既不能表示为部分,也不能作为代数方程的解决方案。构成PI(3.14159265…)的数字无限地不限地进行。大多数数字是先验的,例如Pi。这得出了一个非常奇怪的结论:自然数(1、2、3…)非常罕见。令人惊讶的是,我们可以做任何数学。

从本质上讲,数学与哲学密切相关。最激烈的争论问题,例如《无限的存在和素质》,本质上似乎比科学更具哲学性。多亏了库尔特·戈德尔(KurtGödel),我们知道无限数量的数学表达可能是正确的,但无法证明。

这种困难解释了为什么从认识论的角度来看,数学是如此令人不安:它在人类理性上占据了有限的边界。

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