無論我們是發射航天飛機還是試圖發現另一個類似地球的行星，我們都依賴於科學規律和理論來指導我們。
當科學家們試圖描述自然和宇宙是如何運作的時候，他們有許多可用的工具。他們通常先接觸定律和理論。有什麼區別呢？
科學的定律往往被簡化為一個數學陳述（如E = mc²），它是一種基於經驗數據的特定陳述，其真實性通常被限制在一定的條件下。例如，在E = mc²，c是指在真空中光速。
科學理論常常試圖綜合一系列對特定現象的證據或觀察。它通常（儘管並非總是）是關於自然運行方式的更宏大、可驗證的陳述。你不可能把一個科學理論簡化成一個精闢的陳述或方程式，但它確實代表了自然界運作的一些基本原理。
定律和理論都依賴於科學方法的基本要素，如生成假設、檢驗前提、發現(或找不到)經驗證據和得出結論。最終，如果這個實驗註定要成為被廣泛接受的法律或理論的基礎，那麼其他科學家必須能夠複製這些結果。
在這篇文章中，我們將看看你可能想要複習的10個科學定律和理論，即使這些定律和理論你自己都沒有注意過，比如經常操作掃描電子顯微鏡。我們將從一聲巨響開始，然後繼續討論宇宙的基本定律，然後再討論進化論。最後，我們將討論一些更重要的材料，深入到量子物理學領域。
NO.10 大爆炸理論
大爆炸理論
如果你想知道大爆炸科學理論說的什麼，簡單的說，你可以把它當成解釋宇宙如何到達現在狀態的理論。根據埃德溫·哈勃、喬治·勒邁特和阿爾伯特·愛因斯坦等人的研究，大爆炸理論假設宇宙始於大約140億年前的一次大規模膨脹事件。當時，宇宙被限制在一個點上，包含了宇宙中所有的物質。隨著宇宙不斷向外擴張，最初的運動一直持續到今天。
阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1965年發現宇宙微波背景輻射後，大爆炸理論在科學界得到了廣泛的支持。這兩位天文學家利用射電望遠鏡探測到宇宙噪聲，也就是靜態噪聲，這些噪聲不會隨時間消散。他們與普林斯頓大學的研究人員羅伯特·迪克合作，證實了迪克的假設，即最初的大爆炸在整個宇宙中留下了可探測到的低輻射。
NO.9 哈勃宇宙膨脹定律
膨脹的宇宙
讓我們關注一下埃德溫·哈勃。當20世紀20年代呼嘯而過，大蕭條一瘸一拐地過去時，哈勃正在進行開創性的天文學研究。哈勃望遠鏡不僅證明了銀河系之外還有其他星系，他還發現這些星系正在遠離我們自己的星系，這是一種被他稱為“衰退”的運動。
為了量化這個星系的速度運動，哈勃提出了哈勃宇宙膨脹定律，又稱哈勃定律，一個狀態方程：速度= H×距離。速度表示星系的後退速度；H是哈勃常數，或表示宇宙膨脹速度的參數；距離是星系與被比較的星系的距離。
隨著時間的推移，哈勃的常數以不同的值計算，但是當前的接受值是70公里/秒/每百萬秒差距（70(km/s)/Mpc），後者是星系間空間的距離單位。就我們的目的而言，這並不重要。最重要的是，哈勃定律提供了一種簡明的方法來測量星系的速度與我們自身的速度的關係。也許最重要的是，定律確定了宇宙是由許多星系組成的，這些星系的運動可以追溯到大爆炸。
NO.8 開普勒行星運動定律
行星太陽連線在相同時間掃過陰影面積相同
幾個世紀以來，科學家們就行星的運行軌道，特別是它們是否圍繞著我們的太陽運行，彼此和宗教領袖們進行著鬥爭。在16世紀，哥白尼提出了他有爭議的日心說，即行星圍繞太陽運轉，而不是地球。但是，約翰內斯·開普勒需要在泰科·布拉赫和其他人的研究基礎上，為行星的運動建立一個清晰的科學基礎。
開普勒在17世紀初形成的行星運動三定律描述了行星如何圍繞太陽運行。第一個定律，有時被稱為軌道定律，指出行星圍繞太陽的軌道是橢圓形的。第二定律，面積定律，規定行星與太陽之間的連線在相同的時間內覆蓋了相同的面積。換句話說，如果你測量從地球到太陽的一條線所產生的面積，並追蹤地球在30天內的運動，那麼無論測量開始時地球在其軌道上的哪個位置，面積都是一樣的。
第三個是週期定律，它允許我們在行星的軌道週期和它與太陽的距離之間建立一個清晰的關係。由於這一定律，我們知道一顆相對接近太陽的行星，如金星，其軌道週期比遙遠的行星(如海王星)要短得多。
NO.7 萬有引力定律
萬有引力定律
我們現在可能認為這是理所當然的，但300多年前，艾薩克·牛頓爵士提出了一個革命性的想法：任何兩個物體，無論其質量如何，都會相互施加引力。這一定律由許多中學生在物理課上遇到的一個等式表示。是如下:
F = G×[(m1m2)/ r²]
F是兩個物體之間的萬有引力，單位是牛頓。m1和m2是兩個物體的質量，r是它們之間的距離。G是引力常數，目前計算是6.672×10 ^-11 N·m²/ kg²。
萬有引力定律的好處是，它允許我們計算任意兩個物體之間的引力。當科學家計劃將衛星送入軌道或繪製月球軌跡時，這種能力尤其有用。
NO.6 牛頓運動定律
牛頓第二運動定律
只要我們談論的是有史以來最偉大的科學家之一，讓我們繼續討論牛頓的其他著名定律。他的三個運動定律構成了現代物理學的一個重要組成部分。和許多科學定律一樣，它們的簡單性也相當優雅。
三定律中的第一條規定，運動中的物體除非受到外力的作用，否則它不會運動。對於一個滾過地板的球來說，外力可能是球和地板之間的摩擦，或者是蹣跚學步的孩子把球踢向另一個方向。
第二定律之間建立一個連接對象的質量(m)和它的加速度(a)，方程的形式F = m×a。F代表力量，單位為牛頓。它也是一個矢量，意味著它有一個方向分量。由於它的加速度，在地板上滾動的球有一個特定的矢量，一個它運動的方向，它在計算它的力時是有原因的。
第三條定律相當精闢，你應該很熟悉：每一個行為都有一個平等和對立的反應。也就是說，對一個物體或表面施加的每一個力，這個物體都以相等的力向後推。
NO.5 熱力學定律
熱力學定律在起作用
英國物理學家和小說家C.P.斯諾曾經說過，一個不知道熱力學第二定律的非科學家就像一個從未讀過莎士比亞的科學家。斯諾現在著名的說法是為了強調熱力學的重要性和非科學家瞭解熱力學的必要性。
熱力學是研究能量如何在一個系統中工作的，不管是一個引擎還是地球的核心。它可以歸結為幾個基本定律，斯諾聰明地總結為:
- 你不可能贏。
- 你不能收支平衡。
- 你不能退出遊戲。
讓我們把這些整理一下。通過說你贏不了，斯諾意味著既然物質和能量是守恆的，你就不能得到一個而不放棄另一個。（例如，E = mc²）。這也意味著引擎要產生功，就必須提供熱量，儘管除了完全封閉的系統之外，其他任何系統都不可避免地會失去一些熱量，這就引出了第二定律。
第二種說法，你不能收支平衡，意味著由於熵越來越大，你不能回到相同的能量狀態。集中在一個地方的能量總是流向低濃度的地方。
最後，第三定律，你不能退出遊戲，指的是絕對零度，這是可能的最低的理論溫度，以0開爾文或(- 273.15攝氏度和- 459.67華氏度)測量。當一個系統達到絕對零度時，分子停止了所有的運動，這意味著沒有動能，熵達到了可能的最低值。
但在現實世界中，即使是在空間的深處，達到絕對零度也是不可能的，你只能非常接近它。NO.4 阿基米德浮力原理
浮力使從橡皮鴨到遠洋客輪的一切都保持漂浮狀態
古希臘學者阿基米德發現自己的浮力原理後，據稱他大喊“找到了！（Eureka）!”，然後赤身裸體地在錫拉丘茲城奔跑。這個發現非常重要。據說阿基米德在進入浴盆時發現水勢上升，這是他的重大突破。
根據阿基米德的浮力原理，作用於或浮於水中或部分沉入水中的物體的力等於該物體所排開的液體的重量。這種原理的應用範圍很廣，對計算密度、設計潛艇和其他遠洋船隻都非常重要。
NO.3 進化和自然選擇
一個假設的(和簡化的)例子，說明自然選擇如何在青蛙中進行
既然我們已經建立了一些關於宇宙起源的基本概念以及物理學在我們日常生活中的表現，讓我們把注意力轉向人類形態以及我們如何成為現在的樣子。根據大多數科學家的說法，地球上所有的生命都有一個共同的祖先。但是為了在所有生物體之間產生巨大的差異，某些生物必須進化成不同的物種。
在基本的意義上，這種分化是通過進化和修改而產生的。通過突變等機制，生物種群發展出了不同的特徵。那些具有更有利於生存的特徵的物種，例如，一隻棕色的青蛙，它可以偽裝在沼澤中，自然地被選擇生存；自然選擇一詞由此而來。
我們有可能對這兩種理論進行更深入的闡述，但這是達爾文在19世紀所做的最基本、最具開創性的發現:通過自然選擇的進化解釋了地球上生命的巨大多樣性。
NO.2 廣義相對論
愛因斯坦的廣義相對論改變了我們對宇宙的理解
阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論仍然是一個重要而重要的發現，因為它永久地改變了我們對宇宙的看法。愛因斯坦的重大突破是他說空間和時間不是絕對的，重力不是簡單地作用於物體或質量上的力。相反，與任何質量相關的重力會使它周圍的空間和時間(通常稱為時空)發生彎曲。
為了概念化這個概念，假設你沿著一條直線穿越地球，向東，從北半球的某個地方開始。過了一段時間，如果有人在地圖上指出你的位置，你實際上就在你原來位置的東南方。那是因為地球是彎曲的。要直接向東旅行，你必須考慮到地球的形狀，並將自己稍稍向北傾斜。(想想平面地圖和球形地球的區別。)
空間幾乎是一樣的。例如，對於環繞地球運行的航天飛機的乘客來說，它們看起來就像是在一條直線上穿越太空。事實上，它們周圍的時空被地球的引力彎曲(就像對任何具有巨大引力的大型物體，如行星或黑洞一樣)，導致它們向前移動，並看上去繞地球運行。
愛因斯坦的理論對天體物理學和宇宙學的未來有著巨大的影響。它解釋了水星軌道上的一個微小的、意想不到的異常，展示了星光是如何彎曲的，併為黑洞奠定了理論基礎。
NO.1 海森堡的不確定性原理
不確定性原理
愛因斯坦的廣義相對論告訴我們更多關於宇宙是如何運作的，併為量子物理學奠定了基礎，但它也給理論科學帶來了更多的困惑。1927年，德國科學家維爾納·海森堡發現了宇宙規律，在某些情況下，這種感覺是靈活的。
在假定他的不確定原理時，海森堡發現不可能精確度很高的同時知道一個粒子的兩種性質。換句話說，你可以很確定地知道電子的位置，但不能知道它的動量，反之亦然。
尼爾斯·玻爾後來有了一個發現，有助於解釋海森堡的原理。玻爾發現一個電子具有粒子和波的性質，這一概念被稱為波粒二象性，它已經成為量子物理學的基石。所以當我們測量一個電子的位置時，我們把它當作一個粒子，在空間的一個特定點，它的波長是不確定的。當我們測量它的動量時，我們把它當作一個波，這意味著我們可以知道它的波長的振幅，但不能知道它的位置。
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