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十大革命性理论(Top 10 revolutionary scientifictheories)中英版(19k字)

本篇《十大革命性理论》(Top 10 revolutionary scientific theories |Science News)中英文对照版AB,把原文倒叙整理为科学理论诞生时间顺序并补充零星知识,介绍近代为人类文明带来了翻天覆地变化的“一些彻底颠覆了世人认知的理论”:日心说、氧气理论、进化论、统计力学、侠义和广义相对论、量子理论、板块构造论、博弈论和信息论等十大革命性理论。

图1:关于汤姆·西格弗里德AboutTom Siegfried(推特Twitter):汤姆·西格弗里德(TomSiegfried)特约记者,于2007年至2012年担任《科学新闻》(Science News)总编辑,并于2014年至2017年担任执行编辑。


A.十大革命性理论(Top 10revolutionary scientific theories)中文版

十大革命性理论

文|汤姆·西格弗里德(Tom Siegfried),科学新闻November 13, 2013 at 7:32 pm,译编|秦陇纪,科学Sciences©20200605Fri

图2:阿尔弗雷德·韦格纳(AlfredWegener)在1912年至1913年的格陵兰之旅中在此展示,他最早在1912年提出了关于大陆漂移(continental drift)的想法,后来将这一概念纳入了板块构造(plate tectonics)的革命性理论中。阿尔弗雷德·韦格纳研究所/维基共享资源档案(Archiveof Alfred Wegener Institute/Wikimedia Commons)

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汤姆·西格弗里德(Tom Siegfried),2013年11月13日下午7:32

在最近几个世纪中,大多数科学领域至少经历过一次革命性理论的锻造。这种改造或范式转换(paradigm shifts,https://www.sciencenews.org/blog/context/replacing-paradigms-requires-open-minds)将旧知识重新排列为新框架。当新的框架使解决困扰先前知识分子霸权(intellectual regime)问题成为可能时,革命性理论就取得了成功。这是我最喜欢的革命。我希望能在死之前看到更多(这种科学革命)。

一、日心说(Heliocentrism)1543年,尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus)

有史以来最伟大的见解之一,由一些古希腊人构想,但仅在两千年后才确立:地球围绕太阳旋转(其他行星也是如此)。它是第一名,因为它是第一名。无论如何,您认为革命性一词来自哪里?(在哥白尼将革命作为他的革命著作的标题之前,很少有人用它来表示今天的所作所为。)

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。

直到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。

二、燃烧的氧气理论(Oxygen Theory of Combustion)1770年代,安托万-洛朗·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)

拉瓦锡没有发现氧气,但他发现是气体与物质燃烧时结合在一起。因此,拉瓦锡(Lavoisier)取消了流行的发火素理论,为现代化学的发展铺平了道路。对于拉瓦锡来说,这是一场比不久之后在法国进行的政治革命更为安全的革命,这场革命使拉瓦锡对这一点失去了控制。

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。

三、自然选择进化论(Theory of Evolution by natural selection)1859年,查尔斯·达尔文(Charles Darwin)

达尔文证明,生活的复杂性和生命形式之间的复杂关系可以从自然过程中出现并生存下来,而无需设计师或方舟。他为追求自然科学而不受超自然偏见的影响打开了人类的视野。他的理论如此革命,以至于有人仍然对此表示怀疑。他们不应该(怀疑)。

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。

四、统计力学(Statistical Mechanics)19世纪末,詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)、路德维希·博尔兹曼(Ludwig Boltzmann)和J·威拉德·吉布斯(Willard Gibbs)

通过原子和分子的统计行为来解释热量,统计力学使热力学变得有意义,也为原子的存在提供了有力的证据。除此之外,统计力学确立了概率数学在物理科学中的作用。统计力学的现代扩展(有时也称为统计物理学)已应用于从材料科学和磁石到交通拥堵和投票行为的所有领域,甚至博弈论。

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。

五、狭义相对论(Special Relativity)1905年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)

在某些方面,相对论并不是那么具有革命性,因为它保留了许多经典物理学。但是,来吧。它将时间与空间融合在一起,将能量与物质融合在一起,使原子弹爆炸成为可能,并使您在太空飞行中的年龄变慢。您想获得怎样的革命性?

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。

六、广义相对论(General Relativity)1915年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)

广义相对论比狭义相对论更具革命性,因为它抛弃了牛顿的引力定律,而倾向于弯曲的时空。并打开了科学家对不断扩展的宇宙的整个历史的视野。并为科幻小说作家提供了黑洞。

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。

七、量子理论(Quantum Theory)1900-1926年,马克斯·普朗克(Max Planck)、爱因斯坦(Einstein)、尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)、维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)、欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)、麦克斯·伯恩(Max Born),保罗·狄拉克(Paul Dirac)

量子理论将古典物理学的整个结构撕成碎片,摧毁了现实本质的普通观念,弄乱了因果关系的整个哲学,并揭示了关于自然的奇特之处,无论想象力如何,都无法想象。认真地说,很难相信它只是第三名。

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。

八、板块构造论(Plate Tectonics)1912年,阿尔弗雷德·韦格纳(Alfred Wegener);1960年代,托佐·威尔逊(J. Tuzo Wilson)

韦格纳意识到,这些大陆早在1912年就漂移过。但是直到1960年代,科学家们才将这些碎片整合成一个全面的板块构造理论。加拿大地球物理学家威尔逊(Wilson)是其中一些主要著作的重要贡献者,而其他许多研究人员也发挥了重要作用。 (请记住,板块构造不应与板块构造混淆,后者是革命性的科学主题餐厅的好名字。)

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。

最新地质学研究猜测,板块构造过程大约始于32亿年前。在过去数百万到数亿年间,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。

九、博弈论(Game Theory)1944年,约翰·冯诺依曼(John von Neumann)和奥斯卡·摩根斯坦(Oskar Morgenstern)[约翰·纳什(John Nash)在1950年代发表的重要著作]

博弈论是为经济学而开发的,并取得了一些成功,但并没有完全彻底改变该领域。但是它已被许多其他社会科学广泛采用。进化博弈论是进化生物学研究的重要分支。博弈论甚至适用于日常活动,例如扑克,足球和为博主争取高薪的谈判。甚至还有诸如量子博弈论之类的东西,势必有一天会彻底改变某些东西。约翰·纳什(John Nash)因其对博弈论的贡献而获得了诺贝尔奖,他的困境生活激发了出色的著作《美丽的心灵》(A Beautiful Mind., http://www.amazon.com/A-Beautiful-Mind-Sylvia-Nasar/dp/1451628420)。但是不要期望通过观看电影版本来学习有关游戏理论的任何知识。

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。

十、信息论(Information Theory)1948年,克劳德·香侬(Claude Shannon)

这并不是最具有革命性的理论,因为实际上并没有革命性的前身理论。但是,香农无疑为涉及电子通信和计算机科学的许多其他革命性发展提供了数学基础。如果没有信息论,钻头仍然只是钻探。

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。

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说明:十张配图和补充文字来自于公号“原理”,设计:岳岳、雯雯,编辑:小林绿子。参考来源:

https://theconversation.com/four-amazing-astronomical-discoveries-from-ancient-greece-136197

https://theconversation.com/copernicus-revolution-and-galileos-vision-our-changing-view-of-the-universe-in-pictures-60103

https://plato.stanford.edu/entries/leucippus/

https://theconversation.com/what-does-a-chemical-do-addressing-misconceptions-about-chemistry-104085

https://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-thought

https://theconversation.com/earths-core-has-been-leaking-for-billions-of-years-119395

https://www.history.com/this-day-in-history/the-birth-of-quantum-theory

https://theconversation.com/how-earths-continents-became-twisted-and-contorted-over-millions-of-years

https://phys.org/news/2019-05-physicists-quantization-quantum-shannon-theory.html

http://www1.ece.neu.edu/~naderi/Claude%20Shannon.html

特别声明:本文为人民日报新媒体平台“人民号”作者上传并发布,仅代表作者观点。人民日报提供信息发布平台。


B.Top 10 revolutionary scientific theories(十大革命性理论)英文版

Top 10 revolutionary scientific theories(十大革命性理论)

Tom Siegfried(汤姆·西格弗里德),November 13, 2013 at 7:32 pm,Science News(科学新闻),科学Sciences©20200605Fri

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Top 10 revolutionary scientific theories

AlfredWegener, shown here on a trip to Greenland in 1912–1913, proposed his ideasabout continental drift as early as 1912, a concept later incorporated into therevolutionary theory of plate tectonics.

Archiveof Alfred Wegener Institute/Wikimedia Commons

ByTomSiegfried

November13, 2013 at 7:32 pm

Most scientific fieldshave been made over with a revolutionary theory at least once in recentcenturies. Such makeovers, orparadigm shifts, reorder old knowledgeinto a new framework. Revolutionary theories succeed when the new frameworkmakes it possible to solve problems that stymied the previous intellectualregime. Here are my favorite revolutions. I’m hoping for more before I die.

10. Information theory: Claude Shannon, 1948

It’s not exactly themost revolutionary theory, since there really wasn’t a predecessor theory torevolutionize. But Shannon certainly provided the mathematical foundation for alot of other revolutionary developments involving electronic communication andcomputer science. Without information theory, bits would still be just fordrills.

9. Game theory: John von Neumann and Oskar Morgenstern, 1944 (withimportant embellishments from John Nash in the 1950s)

Developed for economics,where it has had some successes, game theory didn’t quite completelyrevolutionize that field. But it has been widely adopted by many other socialsciences. And evolutionary game theory is an important branch of the study ofevolutionary biology. Game theory even applies to everyday activities likepoker, football and negotiating for higher pay for bloggers. There is also evensuch a thing as quantum game theory, which is bound to revolutionize somethingsomeday. John Nash won a Nobel Prize for his contributions to game theory, andhis troubled life inspired the excellent book ABeautiful Mind.But don’t expect to learn anything about game theory by watching the movieversion.

8. Oxygen theory of combustion: Antoine Lavoisier, 1770s

Lavoisier did notdiscover oxygen, but he figured out that it was the gas that combined withsubstances as they burned. Lavoisier thereby did away with the prevailingphlogiston theory and paved the way for the development of modern chemistry. Itwas a much safer revolution for Lavoisier than the political one that soonfollowed in France, so revolutionary that Lavoisier lost his head over it.

7. Plate tectonics: Alfred Wegener, 1912; J. Tuzo Wilson, 1960s

Wegener realized thatthe continents drifted around as early as 1912. But it wasn’t until the 1960sthat scientists put the pieces together in a comprehensive theory of platetectonics. Wilson, a Canadian geophysicist, was a key contributor of some ofthe major pieces, while many other researchers also played prominent roles.(Keep in mind that plate tectonics should not be confused with Plates Tectonic,a good name for a revolutionary science-theme restaurant.)

6. Statistical mechanics: James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, J.Willard Gibbs, late 19th century

By explaining heat interms of the statistical behavior of atoms and molecules, statistical mechanicsmade sense of thermodynamics and also provided strong evidence for the realityof atoms. Besides that, statistical mechanics established the role ofprobabilistic math in the physical sciences. Modern extensions of statisticalmechanics (sometimes now called statistical physics) have been applied toeverything from materials science and magnets to traffic jams and votingbehavior. And even game theory.

5. Special relativity: Albert Einstein, 1905

In some ways specialrelativity was not so revolutionary, because it preserved a lot of classicalphysics. But come on. It merged space with time, matter with energy, madeatomic bombs possible and lets you age slower during spaceflight. Howrevolutionary do you want to get?

4. General relativity: Einstein, 1915

General relativity wasmuch more revolutionary than special relativity, because it ditched Newton’slaw of gravity in favor of curved spacetime. And opened scientists’ eyes to thewhole history of the expanding universe. And provided science fiction writerswith black holes.

3. Quantum theory: Max Planck, Einstein, Niels Bohr, WernerHeisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, Paul Dirac, 1900–1926

Quantum theory rippedthe entire fabric of classical physics to shreds, demolished ordinary notionsof the nature of reality, screwed up entire philosophies of cause and effectand revealed peculiarities about nature that nobody, no matter how imaginative,could ever have imagined. Seriously, it’s hard to believe it’s only Number 3.

2. Evolution by natural selection: Charles Darwin, 1859

Darwin showed that theintricate complexity of life and the intricate relationships among life-formscould emerge and survive from natural processes, with no need for a designer oran ark. He opened the human mind to pursuing natural science unimpaired bysupernatural prejudices. His theory was so revolutionary that some people stilldoubt it. They shouldn’t.

1. Heliocentrism: Copernicus, 1543

One of the greatestinsights ever, conceived by some ancient Greeks but established only twomillennia later: the Earth revolves around the sun (as do other planets). It’sNumber 1 because it was the first. Where did you think word revolutionarycame from, anyway? (It was only rarely used to mean what it does today beforeCopernicus put revolutions in the title of his revolutionary book.)

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1. Tom Siegfried, Top 10 revolutionary scientific theories | ScienceNews. [EB/OL], sciencenews, https://www.sciencenews.org/blog/context/top-10-revolutionary-scientific-theories, November 13,2013 at 7:32 pm, visit date: 2020-06-05-Fri

2. 作者:汤姆·西格弗里德(Tom Siegfried),译者:原理-小雨,转载:中科院物理所. 你看不懂的十大革命性理论都讲了些什么?. [EB/OL], 人民号, https://rmh.pdnews.cn/Pc/ArtInfoApi/article?id=13716996, 2020-06-0207:51:22, visit date: 2020-06-05-Fri

x. 秦陇纪. 人工智能起源与发展正史; 西方哲学与人工智能、计算机; 数据科学与大数据技术专业概论; 人工智能研究现状及教育应用; 数据资源概论; 文本数据溯源与简化; 大数据简化技术体系; 数据简化社区概述. [EB/OL], 数据简化DataSimp(微信公众号),https://dsc.datasimp.org/, http://www.datasimp.org, 2017-06-06, visit date: 2020-04-10-Fri

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本文分享自微信公众号 - 科学Sciences(SciencesPub),作者:汤姆·西格弗里德

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原始发表时间:2020-06-06

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