關鍵要點
在伽利略的手指，有史以來最好的科普書籍之一，牛津大學化學教授彼得阿特金斯描述了科學史上十大最偉大的思想。 這些想法構成了現代生物學、化學和物理學的基石。 儘管科學理論總是在測試和審查缺陷，但這十個概念是如此堅如磐石，很難想象它們會被更好的東西取代。托馬斯·庫恩在他 的《科學革命的結構》一書中認為，科學並不是像通常認為的那樣以小步驟逐漸進步，而是以尷尬的跨越式發展。其原因是既定的理論難以推翻，相互矛盾的資料往往被認為僅僅是反常的。然而，在某些時候，反對該理論的證據變得如此壓倒性，以至於在庫恩稱之為“正規化轉變”的過程中，它被一個更好的證據強行取代。在科學中，即使是最被廣泛接受的想法，總有一天也會被認為是昨天的教條。
科學界最偉大的思想
然而，有些概念被認為是堅如磐石的，很難想象它們會被更好的東西取代。更重要的是，這些概念從根本上改變了它們的領域，以前所未有的方式統一和闡明它們。那麼，這些想法是什麼？編制這樣一份清單將是一項艱鉅的任務，主要是因為有很多好的清單可供選擇。值得慶幸的是，牛津大學化學教授彼得阿特金斯在他 2003 年出版 的《伽利略的手指：科學的十大理念》一書中做到了這一點。阿特金斯博士的科學知識廣度令人印象深刻，他的十個選擇非常出色。儘管這本書是為大眾讀者而寫的，但它在某些地方可能非常難以理解，即使對於具有科學背景的人來說也是如此。不過，我強烈推薦它。讓我們來看看十個偉大的想法（排名不分先後）。
#1。進化透過自然選擇發生
1973 年，進化生物學家 Theodosius Dobzhansky 寫了一篇題為“生物學中沒有任何東西在進化之光下才有意義”的文章。到目前為止，全球數以千計的學生已經聽過他們的生物老師給他們引用的這個標題。
也有充分的理由。進化的力量來自於它解釋生命的統一性和多樣性的能力；換句話說，該理論描述了物種之間的相似性和差異是如何從一個普遍的共同祖先的血統中產生的。值得注意的是，所有物種大約 有三分之一的基因是相同的， 人類基因中 65% 與細菌和單細胞真核生物（如藻類和酵母）中發現的基因相似。
共同血統最引人入勝的例子之一是 負責維生素 C 合成最後一步的基因的進化. 人類有這個基因，但它被破壞了。這就是為什麼我們必須喝橙汁或尋找其他外部維生素 C 來源的原因。透過對這個基因進行測序和跟蹤突變，可以準確追溯何時失去合成維生素 C 的能力。根據這個系統發育樹（見上文），損失發生在一個祖先身上，該祖先產生了整個類人猿靈長類譜系。人類、黑猩猩、猩猩和大猩猩都擁有這種被破壞的基因，因此，它們都需要外部維生素 C 來源。（在進化歷史的其他時間點，蝙蝠和豚鼠也失去了這種維生素 C 基因。）然而，許多哺乳動物在他們的飲食中不需要維生素 C，因為它們擁有一個有功能的副本並且能夠自己生產它；這就是為什麼你的狗或貓沒有橙汁也能過得很好。對這些觀察結果最令人滿意的解釋是來自共同祖先的修改後裔。
#2。DNA編碼可遺傳資訊
與科學與宗教衝突的概念相反，“遺傳學之父”正是奧古斯丁修道士格雷戈爾·孟德爾。他用豌豆植物進行了著名的實驗，並在此過程中推斷出遺傳的基本模式。他將這些可遺傳的單位稱為“元素”；今天，我們稱它們為“基因”。令人驚訝的是， 孟德爾甚至不知道DNA的存在，而查爾斯達爾文既不知道DNA，也不知道孟德爾的發現。
直到 1952 年，科學家們才確定 DNA 是負責傳遞可遺傳資訊的分子。阿爾弗雷德·赫爾希 (Alfred Hershey) 和瑪莎·蔡斯 (Martha Chase) 進行的一項實驗，使用 帶有放射性標記的硫或磷的病毒來感染細菌，相當令人信服地證明了這種情況。然後，在 1953 年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在羅莎琳德·富蘭克林的大量投入下，用他們的 DNA 結構雙螺旋模型打破了生物世界。
從那裡可以確定 DNA 序列的“字母”（A、C、G、T）編碼資訊。在三個一組（例如，ACG、GAA、CCT 等）中，這些核苷酸編碼氨基酸，即蛋白質的組成部分。總的來說，三個字母的每一種可能組合都被稱為“遺傳密碼”。（見上圖。注意RNA中的每個T都被U代替。）最終，分子生物學的中心法則出現了：（1）DNA是主藍圖，負責遺傳；(2) DNA 被轉錄成 RNA，RNA 作為信使，傳遞這一重要資訊；(3) RNA被翻譯成蛋白質，為細胞提供結構和酶促功能
今天，眾所周知，僅 DNA 序列不足以解釋在細胞水平上觀察到的所有行為。不影響字母序列的 DNA 改變——稱為 表觀遺傳變化 ——正在接受深入的研究。目前尚不清楚表觀遺傳學在多大程度上對可遺傳性狀負責。
#3。能量是守恆的
當前存在於宇宙中的所有能量都是曾經存在過的和將要存在的一切。能量既不會被創造也不會被摧毀（這就是為什麼你永遠不應該購買永動機），儘管它可以轉化為質量（反之亦然）。這被稱為質能等價，每個學童都知道描述它的方程式：E = mc 2。
能源的故事很大程度上始於艾薩克·牛頓。可以說，他的三個運動定律讓球滾動起來，但它們並沒有直接處理能量；相反，他們處理的是武力。最終，在像開爾文勳爵這樣的科學家的幫助下，物理學開始關注能量。它的兩種最重要的形式是勢能（儲存的能量）和動能（運動的能量）。大多數其他形式的能量，包括化學能和電能，只是勢能和動能的不同表現形式。此外，“功”和“熱”本身並不是能量的形式，而只是傳遞能量的方法。
#4。熵：宇宙趨於無序
墨菲定律 指出，“任何可能出錯的事情都會出錯。” 熵有點像應用於整個宇宙的墨菲定律。
簡而言之，熵是無序的量度，熱力學第二定律指出，所有封閉系統都傾向於使熵最大化。扭轉這種日益增加的無序趨勢需要輸入能量。這就是為什麼家政如此令人厭煩的原因。單獨離開，你的房子會變得塵土飛揚，蜘蛛會搬進來，最終它會分崩離析。然而，在一個地方為防止混亂而投入的能量同時在其他地方增加了它。總的來說，宇宙的熵 總是在 增加。
熵還以另一種方式表現出來：沒有完美的能量轉移。你的身體（或細胞）不能完美地利用食物作為能源，因為其中一些能量會永遠流失到宇宙中。因此，就像金融業一樣，每筆交易都伴隨著稅收。（華盛頓大學微生物學家富蘭克林哈羅德喜歡稱其為“上帝的能源稅”。）
生活中沒有什麼是確定的，除了死亡和稅收——這句俗語因此有了新的含義。
#5。物質是由原子組成的
空氣、水、細菌、人類、計算機、星星：所有這些都是由原子構成的。事實上，構成地球（以及地球上的一切，包括我們在內）的原子最初來自恆星，這就是為什麼卡爾薩根有句名言：“我們是由恆星組成的。”
但什麼是原子？實際上，大部分是空的。這意味著你也大部分是空的。每個原子的中心，稱為原子核，由帶正電的質子和不帶電的中子組成。圍繞著這個密集的正電荷簇的是帶負電的電子，它們嗡嗡作響，相當不可預測。最初，人們認為電子以類似於圍繞太陽的行星的方式繞核執行，即所謂的原子“太陽系模型”，尼爾斯·玻爾對此表示讚賞。該模型過於簡單且不正確，但對於某些計算來說已經足夠好，這就是為什麼它仍然在基礎化學課程中教授。該模型最終被更復雜的原子軌道模型所取代。
所有已知的原子都可以在元素週期表中找到，這是每個化學課程的核心。該表以各種方式組織原子，其中兩個特別重要：首先，原子按增加的原子序數排列，原子序數代表質子的數量並定義每個元素。其次，表格中的每一列代表每個原子中的外殼電子數。這很重要，因為外殼電子在很大程度上決定了原子將參與的化學反應的種類。
也許元素週期表最迷人的方面是它是如何產生的。俄羅斯化學家德米特里·門捷列夫首先建立了現代元素週期表。但是，它缺少元素。並且使用他的表格，他正確地預測了尚未被發現的元素的存在。
#6。對稱量化美
對稱性，這個有點模糊的概念，涉及以各種方式摺疊或扭曲三角形、立方體和其他物體，其應用遠遠超出了高中幾何課。事實證明，宇宙充滿了對稱性，或者說缺乏對稱性。
最美的人臉也是 最對稱的。晶體中的原子以對稱的重複模式排列。 從蜂窩到螺旋星系，自然界中的許多其他現象都表現出驚人的對稱性。
粒子物理學和天體物理學也被對稱的概念所吸引。最大的不對稱之一是我們的宇宙由 更多的物質組成而不是反物質。如果宇宙是完全對稱的，那麼兩者的數量就會相等。（但那時宇宙可能不存在，因為物質和反物質相互湮滅。）然而，正如阿特金斯所寫，宇宙是 對稱的， “如果 我們同時 將粒子換成反粒子……，在鏡子中反射宇宙……，然後反轉時間的方向。”
這能解釋為什麼環球小姐總是那麼漂亮嗎？
#7。經典力學無法描述小粒子
Isaac Newton 和 James Clerk Maxwell 的經典物理學適用於大多數日常應用。但經典物理學的侷限性在於它 不能完全準確地描述現實。
對黑體輻射的分析首先發現了一些嚴重錯誤。想象一個熱爐：它起初是紅色的，然後隨著溫度的升高變成白色。經典物理學無法解釋這一點。然而，馬克斯·普朗克有一個想法：也許釋放的能量以稱為“量子”的小包形式出現。它不是採用連續值的能量，而是僅採用離散值。（想想坡道和樓梯之間的區別；站在坡道上的人可以採取任何高度，而站在樓梯上的人只有某些離散的高度可供選擇。）事實證明，這些“量子” ”的光能在今天被稱為光子。因此，證明了在此之前通常被認為是波的光也可以像離散的粒子一樣發揮作用。
隨後出現了路易斯·德布羅意，他擴充套件了這一概念：所有粒子都可以像波一樣，所有波都可以像粒子一樣。這個想法的灌籃證據來自著名的 雙縫實驗，該實驗最終表明光子、電子，甚至像巴基球這樣的分子都表現出波粒二象性。（一個實驗室在 2013 年 5 月再次證實了這個實驗的結果 。）
量子化和波粒二象性這兩個概念構成了量子力學學科的核心。另外兩個核心概念包括 不確定性原理 （即無法精確瞭解系統的各種特徵對）和 波函式 （當平方時，給出在特定位置找到粒子的機率）。這一切給了我們什麼？ 薛定諤的貓，既死又活。
難怪斯蒂芬霍金 總是伸手去拿他的槍。
#8。宇宙在膨脹
大約 138 億年前，宇宙經歷了一段快速膨脹的時期，即宇宙暴脹。緊隨其後的是大爆炸。（是的，宇宙膨脹發生 在 大爆炸之前。）從那時起，宇宙一直在繼續膨脹。
我們知道大爆炸的發生是因為它留下了明顯的證據：宇宙微波背景 (CMB) 輻射。隨著宇宙的膨脹，大爆炸最初的光爆發被拉長了。（請記住，光既可以是波也可以是粒子。）當光被拉伸時，波長會增加。今天，這種光不再是肉眼可見的，因為它現在位於電磁波譜的微波範圍內。但是，您仍然可以在帶有天線的老式電視機上“看到”它；“中間”頻道的 靜態 部分是由於 CMB。
但宇宙不僅在膨脹，而且 由於暗能量，它的膨脹速度也在加快。一個物體離地球越遠，它離開我們的速度就越快。如果你現在認為宇宙是一個孤獨的地方，那就 等一千億年吧。多虧了暗能量，我們將無法看到銀河系以外的任何恆星（屆時，銀河系和仙女座星系及其較小的衛星星系將發生巨大的合併）。
#9。時空被物質彎曲
我們宇宙的結構是時空，它由三個空間維度（長度、寬度和高度）與時間維度相結合。將這種織物想象成有彈性的橡膠板。然後想象在這張紙上放一個巨大的保齡球。床單會在保齡球周圍翹曲，任何放置在保齡球附近的物體都會滾向它。愛因斯坦廣義相對論的這個比喻解釋了引力是如何工作的。（儘管廣義相對論是愛因斯坦最偉大的成就，但並不是因為他獲得了諾貝爾獎，而是因為他在 光電效應方面的工作而獲獎。）
但這不是愛因斯坦唯一的貢獻。他還提出了狹義相對論，它描述了運動物體的時間是如何變慢的，尤其是當它們以接近光速的速度行進時。
有趣的是， 為了使 GPS 衛星正常工作，必須考慮廣義相對論和狹義相對論的影響。如果不考慮這些影響，那麼地球上和衛星上的時鐘將不同步，因此，GPS 單元報告的距離將非常不準確。所以，每次你用智慧手機成功找到當地的星巴克，都要感謝愛因斯坦。
#10。數學是理性的極限
從根本上說，數學毫無意義。對於我們這些在代數或微積分方面苦苦掙扎的人來說，這可能並不令人驚訝。雖然它是科學的語言，但事實是數學是建立在一個破裂的基礎上的。
例如，考慮一個數字。當你看到一個時，你認為你知道一個，但它很難定義。（從這個意義上說， 數字就像淫穢或色情。）並不是說數學家沒有嘗試定義數字。集合論領域在很大程度上致力於這種努力，但 並非沒有爭議。
或者考慮無窮大。 喬治·康托爾 確實如此，而且（有人推測）他在這個過程中發瘋了。與直覺相反，存在一個無窮大於另一個無窮的情況。有理數（可以表示為分數的數）構成一個無窮大，但無理數（不能表示為分數的數）構成更大的無窮大。一種特殊的無理數，稱為超越數，尤其要為此負責。最著名的超越是 pi，它既不能表示為分數，也不能表示為代數方程的解。組成 pi (3.14159265…) 的數字在沒有特定模式的情況下無限迴圈。大多數數字都是超越數，例如 pi。這產生了一個非常奇怪的結論：自然數（1、2、3……）非常罕見。
就其核心而言，數學與哲學密切相關。爭論最激烈的問題，例如 無限的存在和性質，在本質上似乎比科學更具有哲學性。多虧了庫爾特·哥德爾，我們知道無數的數學表示式可能是正確的，但無法證明。
這些困難解釋了為什麼從認識論的角度來看，數學如此令人不安：它為人類理性設定了有限的界限。
