十大革命性理论

Original 小雨 原理 5/26

在过去的几百年间，大多数科学领域至少经历了一次革命性的突破。这样的转变，或者说范式转换，是将旧的知识重新排列到一个新的框架中。这里，我们沿着从古至今发展的时间线，选取了十个彻底改变了我们的认知、为人类文明带来了翻天覆地的变化的理论。

 

 

 

这是有史以来最伟大的见解之一。

 

古希腊天文学家阿利斯塔克（Aristarchus，310BC - 230BC）提出，太阳是宇宙的“中心之火”，并将当时已知的所有行星按照正确的顺序排列。这是已知最早的太阳系日心说。可惜的是，提出这一论点的原始文本已被历史所湮没，因此我们无法确定他是如何得出这一结论的。

 

等到这一学说真正确立，又已经过去了近2000年。16世纪，波兰天文学家尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）重新提出日心说模型，他表示地球并非中心，包括地球在内的行星是以太阳为中心，围绕太阳旋转的。哥白尼的模型对行星运动的变化作出了合理的解释，比如火星逆行只是一种错觉，它是由同样围绕太阳旋转的地球在“超越”火星时所造成的。

 

1543年，也就是哥白尼去世的那一年，他的《天体运行论》一书才得以出版。

 

 

 

1789年，安托万-洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier）在第一本化学教科书中写道：“自然界中没有什么会凭空消失，没有什么能被凭空创造，万物皆是转化而来。”他表明，若要发明新的化学物质，化学家必须改造现有的化学物质。他在书中列出了许多化学元素，其中包括氢、氮、氧、磷、硫、铁、锌、汞和金等。
 

 

拉瓦锡并不是氧气的发现者，但他却证明了在燃烧过程中，气态的氧气会与物质结合。这一发现废除了当时流行的燃素论，为现代化学的发展铺平了道路。

 

 

科学在19世纪取得了巨大进步。1859年，生物学家查尔斯·达尔文（Charles Darwin）出版了描述了自然选择进化理论的《物种起源》一书。他用进化论阐述了生命的复杂性，以及生命形式之间的复杂关系可以从自然过程中产生。

 

这样一个理论是极具革命性的，以至于直到今天仍有人对进化论表示怀疑。可以想象在当时，进化论的提出是如何威胁到了人类在天地宇宙中的“崇高地位”。可以说，进化论打开了人类的心灵，鞭策我们不受超自然偏见的影响而追求自然科学。

 

在过去的160年里，进化论在描述自然世界的许多方面都取得了巨大成功。从对世人观念的改变来看，进化论的革命性是无人能及的。

 

 

 

1808年，近代原子论之父约翰·道尔顿（John Dalton）发表了他的原子理论，他认为物质是由微小的、不可分割的粒子组成的。原子概念的深入人心，为19世纪末的另一场学术革命——统计力学的诞生奠定了基础。

 

有一些关键的概念在基本的物理定律中是看不见的，只在当我们考虑大量的粒子集合时才会出现，即所谓的“多而不同”。统计力学就是将微观物理定律转化为对宏观日常世界的描述的艺术，它确立了概率数学在物理科学中的作用。

 

以在我们生活的世界中扮演重要角色的温度为例，作为一个基本概念，谈论单个微观粒子的温度毫无意义；但对于确定温度下的大量原子和分子来说，它们的速度可以用统计和概率的方法来描述。统计力学通过用原子和分子的统计行为解释了热力学，为原子的存在提供了进一步的有力证据。

 

除此之外，统计力学中的概念是理解时间之箭等问题的关键。我们必须依赖于统计力学，才能思考过去与未来的区别是什么，可逆的微观定律如何导致明显不可逆的宏观行为等与时间有关的问题。

 

 

 

说起在20世纪做出最伟大发现的科学家，一定少不了阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的名字。

 

1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，它与质能等价理论（E = mc²）触发了一场革命。狭义相对论使得物理学家能将时间维度与空间维度结合在了一起，我们可以通过四个坐标（t, x, y, z）来描述 （1+3） 维（时间+空间）中的一个点。

 

在狭义相对论中有一个基本原理，即光速在空间的各个方向上是相同的。也就是说，光的运动具有空间上的对称性，这也被称作为洛伦兹不变性，是狭义相对论的核心。物理学家通过精确测量能量极高的光子来检验这一不变性。在迄今为止的所有测量中，这个数值都是恒定的，即使是在使用粒子加速器产生的最高能量水平下进行的测量都是如此。

 

 

 

1915年，爱因斯坦向普鲁士科学院递交了全新的引力理论——广义相对论，将引力描述为是时空弯曲的结果（时空=三维空间+一维时间），它表明引力并非像艾萨克·牛顿（Issac Newton）所认为的那样是一种作用于物体之间的力。

 

爱因斯坦写下的方程解释了物质如何弯曲时空，以及弯曲的时空告诉物质该如何运动。它不仅完美地解释了牛顿理论无法解释的水星近日点进动问题，还成功地作出了许多可检验的预言，比如引力波、黑洞等。可以说，在描述行星和星系等大尺度物理时，广义相对论是无与伦比的。

 

 

 

 

20世纪的物理学始于一系列新的见解。从约瑟夫·约翰·汤姆逊（J. J. Thomson）在1897年发现了电子开始，到后来科学家对原子、电子等微小粒子的操纵，无疑都对现代文明的诸多领域产生了巨大影响。

 

在非常小的尺度上研究物质和光的行为属于量子物理学的范畴。追本溯源，古希腊的哲学家德谟克利特（Democritus，460BC - 370BC）和留基伯（Leucippus，500BC - 440BC）被视为是原子论最早的建立者，他们都认为原子是微小到无法被看见的存在。而“atom”（原子）一词，也源自于希腊语“atomos”，意为隐形。

 

现代量子物理学起源于1900年马克斯·普朗克（Max Planck）关于量子能量的伟大发现。那一年，普朗克发表了关于黑体辐射的研究，他通过物理实验证明，在某些情况下，能量可以表现离散的特性。这一发现解决了之前一些无法解释的自然现象，如固体中的热行为，以及光在原子层面上的吸收性质。

 

1911年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了原子核。在接下来的二十年里，一众优秀的物理学家见证了量子力学的出现和壮大。1918年，普朗克因在黑体辐射方面的研究获得诺贝尔物理学奖。其他科学家，如爱因斯坦、尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）、路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）、埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）和保罗·狄拉克（Paul Dirac），精进了普朗克的理论，共同构建了量子理论的体系。

 

量子力学是量子理论的数学应用，它以概率的观点看待自然，这与经典力学形成了鲜明的对比，在经典力学中，物体的所有精确属性原则上都是可以计算、可预测的。而量子理论揭示的自然属性，是无论多么富有想象力的人都无法想象的。它击穿了经典物理学的整个结构，摧毁了许多关于现实本质的常规概念，让关于因果关系的整个哲学体系变得更加混乱。

 

 

 

早在1912年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）就发现了大陆板块的漂移。虽然魏格纳被称为大陆漂移学说之父，但经典的板块构造理论是直到20世纪60年代才逐渐发展起来的。

 

板块构造理论的提出表明地球的外层是由少数几个刚性板块组成的，将这些板块分隔开来的是一些狭窄的边界。换句话说，我们可以将地球表面看作是一个简易拼图。我们现在的地球外壳大约由15块坚硬的地壳组成，有的板块有时会与其他板块发生冲撞。

 

最新的地质学研究猜测，板块构造过程大约始于32亿年前。在过去的数百万到数亿年间，大陆板块发生多次重大漂移，这些过程在一定程度上改变了海洋和大气环流模式，塑造了地球现在的样子。

 

 

 

1944年，应用数学领域诞生了一个后来对经济学家、社科学家、生物学家等都极为重要的理论，那就是博弈论。它最初由数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）和经济学家奥斯卡·莫根施特恩（Oskar Morgenstern）提出，最初是为了经济学而发展的理论。博弈论分析的是在博弈中的主体会如何行动，它实际是一个关于最优化的课题，研究的是哪一种策略组合能产出最佳结果。

 

可以说，它是一种描述决策者之间的战略互动的数学模型，具有非常广泛的应用，可被用于各种各样的问题，合作的产生、语言的形成、道路的拥堵都与它息息相关。在国际关系、生态学和种群生物学中，我们都能看到它的身影。

 

博弈论中还有一个著名的基本概念，叫纳什均衡，它是以数学家约翰·纳什（John F. Nash）的名字命名的，说的是如果在一场博弈中，每一个决策者都采取最佳的可能策略，并且将其他主体的策略都考虑在内，使得任何一个主体都不再有改变策略的动机，那么这场博弈就达到了纳什均衡。纳什在1950年证明了所有的博弈都会达到纳什均衡。

 

 

 

在20世纪最重大的科技革命中，现代计算机和信息技术为生活、工作、国防等方方面面带来的影响或许是最为巨大而直观的。而这一切的一个重要基础理论——信息论。上世纪40年代末，美国电气工程师克劳德·香农（Claude Shannon）根据经典物理定律建立了数据传输模型，发展出了信息论。我们现在能够用电脑加载网页、发送电子邮件，都得益于香农的信息论，它是使互联网变得可能的原因。

 

或许严格意义上说，信息论并不能被视为多么具有“颠覆性”，因为在它之前，并没有一个可以与之相应的理论。但这个理论为许多其他革命性的发展提供了重要的数学基础，包括电子通讯和计算机科学。如果没有信息论，后来的数字时代中的一切或许都不会发生。

 

设计：岳岳、雯雯

 

参考来源：https://theconversation.com/four-amazing-astronomical-discoveries-from-ancient-greece-136197https://theconversation.com/copernicus-revolution-and-galileos-vision-our-changing-view-of-the-universe-in-pictures-60103https://plato.stanford.edu/entries/leucippus/https://theconversation.com/what-does-a-chemical-do-addressing-misconceptions-about-chemistry-104085https://www.smithsonianmag.com/science-nature/charles-darwin-botanist-orchid-flowers-validate-natural-selection-180971472/https://cds.cern.ch/record/489163/files/0102462.pdf

https://www.sciencenews.org/article/earth-plate-tectonics-may-have-started-earlier-than-we-thoughthttps://theconversation.com/earths-core-has-been-leaking-for-billions-of-years-119395

https://www.history.com/this-day-in-history/the-birth-of-quantum-theoryhttps://theconversation.com/how-earths-continents-became-twisted-and-contorted-over-millions-of-years

 https://phys.org/news/2019-05-physicists-quantization-quantum-shannon-theory.htmlhttp://www1.ece.neu.edu/~naderi/Claude%20Shannon.html