С начала цивилизации научное мышление и научные теории постоянно развивались. Научный прогресс далеко продвинул человечество, положив начало прогрессу нашего общества. Мы не можем игнорировать вклад науки и исследований в комфорт нашей жизни. Вероятно, вы читаете эту статью на компьютере, мобильном телефоне или планшете. Ну, спасибо науке за это! Мы живем сейчас в среднем на 30 лет больше, чем сто лет назад.
Все достижения науки начинаются с научной теории. Такая теория является объяснением некоторого аспекта мира, который можно многократно проверять с помощью экспериментов в соответствии с научным методом. Есть много научных теорий, которые внесли большой вклад в наш прогресс и помогли нам понять мир вокруг нас. Трудно сказать, какой из них самый важный. Здесь я сталкиваюсь с трудной задачей выбора и объяснения только пяти теорий, и это будет несправедливо по отношению ко многим другим научным концепциям, возможно, не менее важным. Поэтому в этой статье я (субъективно) представлю то, что считаю важными научными теориями, вместе с кратким описанием и почему они важны.
Квантовая теория
Немногие научные концепции столь же странны, как квантовая теория. Это теория, которая позволяет кошке быть мертвой и живой, пока вы не проверите ее. Он предсказывает, что будущие события могут повлиять на прошлое. И это заявляет, что частицы, которые могут быть найдены где-либо, имеют нулевую вероятность существования в одном конкретном месте!
Квантовая теория была разработана для компенсации недостатков классических теорий в физике. Они не могли объяснить некоторые части реальности. Например, классическая ньютоновская физика терпит неудачу при применении к очень быстро движущимся объектам; в условиях сильной гравитации или на уровне очень маленьких систем (например, атомов). Квантовая теория объясняет, как ведут себя очень мелкие частицы вещества (электроны, протоны, нейтроны и т. Д.). Это теория, которая лучше всего объясняет поведение этих компонентов. Более того, это позволяет материи восприниматься как форма энергии, как это происходит со светом, который рассматривается как частицы (фотоны) и энергия (световые волны).
Разработка
Первая квантовая теория была разработана Максом Планком в 1900 году. Он основывался на идеях предыдущих ученых, включая Людвинга Больцмана, который в 1877 году предположил, что энергетические уровни физической системы, такой как молекула, могут быть дискретными. Теория Планка гласит, что энергия квантуется (состоит из небольших «пакетов» энергии). Позже, квантовая теория была применена к электронам двумя другими учеными Стефаном Прокопиу и Нильсом Бором. В 1905 году Альберт Эйнштейн пришел с некоторыми критическими разработками к квантовой теории и опубликовал гипотезу света-кванта. На самом деле Эйнштейн - одна из самых важных фигур в истории квантовой физики, хотя он не принял большинство своих квантовых находок, считая их слишком «жуткими». В 1926 году физик Эрвин Шредингер сформулировал волновое уравнение, развивая квантовую механику. Кошачий. Позже в 20 - м века, квантовая теория развивалась и начала применяться в различных областях науки, от химии к биологии.
Приложения квантовой теории
Наука, стоящая за квантовой теорией, имеет много практических применений. Атомные часы, самые точные часы в мире, измеряют время, используя принципы квантовой физики. Вместо того, чтобы измерять колебания физического объекта (такого как маятник или кристалл кварца), как это делают обычные часы, они измеряют частоту излучения, которая заставляет электроны переключаться между уровнями энергии.
Квантовые принципы также используются при шифровании сообщений. Это достигается путем случайной поляризации фотонов, чтобы сохранить сообщение. Этот тип кода является практически неразрушимым, если только у него нет точного квантового ключа, используемого для начального шифрования. Другие приложения квантовой теории включают разработку квантовых компьютеров и микроскопию высокого разрешения, основанную на запутывании фотонов.
Стволовые клетки
Практически каждую неделю мы слышим о каком-то новом революционном исследовании, касающемся стволовых клеток, и о том, как оно обещает революцию в медицине. Стволовые клетки обещают восстановить части тела, излечить неизлечимые заболевания и даже отсрочить старение. Но что это за знаменитые стволовые клетки? И что они действительно могут нам предложить?
Стволовые клетки - это недифференцированные (ювенильные) клетки, которые обладают удивительной способностью: они могут превращаться в клетки любого типа из живого организма! Теоретически, они являются постоянными источниками новых клеток, которые могут заменить поврежденные или состарившиеся ткани, чтобы сохранить тело здоровым и функциональным. Стволовые клетки считаются медицинским чудом с потенциально неограниченным применением в здравоохранении, медицине и исследованиях.
Открытие и история стволовых клеток
История стволовых клеток не очень длинная. В 1981 году сэр Мартин Эвенс из Университета Кардиффа первым открыл эмбриональные стволовые клетки у мышей, и в 2007 году он получил Нобелевскую премию. 5 июля 1996 года в Институте Рослина в Эдинбурге родилась Долли. Кто, спросите вы? Овечка Долли, первое млекопитающее, когда-либо клонированное из взрослой клетки! Она значительно продвинулась в области стволовых клеток. Техника, которая использовалась для клонирования Долли, была позже применена учеными для получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. (iPS клетки). Это стволовые клетки, полученные из клеток взрослой кожи (вместо эмбрионов). Это открытие было удостоено еще одной Нобелевской премии в 2012 году. Они обладают такой же способностью дифференцироваться в клетки любого типа, но они этически безопасны, поскольку больше нет необходимости извлекать стволовые клетки из эмбрионов. Первое медицинское применение стволовых клеток произошло в 2010 году, когда человек с повреждением спинного мозга получил терапию эмбриональными стволовыми клетками. Два года спустя стволовые клетки были использованы для лечения слепоты. Дальнейшие успехи произошли в 2013-2014 годах с успешным терапевтическим клонированием (создание стволовых клеток, генетически подобранных к конкретным людям) и в 2014 году с началом клинических испытаний на людях с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками.
Аппликации стволовых клеток
Наиболее очевидным возможным применением стволовых клеток является регенерация тканей. Каждая клетка в теле имеет свое происхождение от стволовых клеток. Теоретически, правильные инструкции, предоставляемые стволовым клеткам, могут создавать новые типы клеток для регенерации поврежденных или пораженных тканей.
Стволовые клетки могут быть использованы для специфического лечения некоторых заболеваний. Например, их можно использовать для регенерации мозговой ткани, пораженной нейродегенеративными нарушениями, такими как болезни Паркинсона и Альцгеймера. Они могут заменить дефектные типы клеток в организме, как, например, инсулин-продуцирующие клетки, которые теряются при диабете. В 2013 году группа ученых сообщила о создании новых кровеносных сосудов из стволовых клеток у мышей, открыв тем самым ворота для сердечно-сосудистых заболеваний. В настоящее время лечение болезней стволовыми клетками все еще находится на стадии исследования, поэтому нам все еще нужно немного подождать, прежде чем этот подход станет обычной практикой.
Одним из наиболее важных практических применений стволовых клеток является научное исследование. Ученые обычно используют их, чтобы понять, как организм формируется во время развития, как лечить рак или как передаются генетические признаки. Более того, исследователи постоянно пытаются найти новые методы для контроля трансформации стволовых клеток в желаемые ткани с потенциальным прямым клиническим применением.
На практике сегодня стволовые клетки уже используются для лечения таких заболеваний, как лейкемия или болезни сердца. Однако предстоит еще долгий путь, пока наука не сможет полностью контролировать дифференцировку стволовых клеток. Когда этот момент наступит, приложения будут безграничны.
Теория эволюции
27 декабря 1831 года, когда он сел на корабль HMS Beagle, Чарльз Дарвин не знал, что это путешествие потрясет научный мир и навсегда изменит его жизнь. Это было начало интенсивного научного путешествия, которое в конечном итоге привело к теории естественной эволюции видов. Концепция эволюции впервые была сформулирована Дарвином в его книге «О происхождении видов». Почти в то же время другой биолог, Альфред Рассел Уоллес, разработал аналогичную теорию естественного отбора, и его вклад в эту концепцию сейчас широко принят.
Научная теория эволюции путем естественного отбора гласит, что изменения, влияющие на организмы во времени, обусловлены изменениями физических и поведенческих признаков, которые могут передаваться из поколения в поколение. Наследственные признаки, которые позволяют организму лучше адаптироваться к часто динамичной среде, помогут выжить видам. Более того, они будут распространяться быстрее, потому что эти организмы будут размножаться более эффективно. Хотя некоторые из них могут не согласиться, эволюция видов является одной из наиболее хорошо поддерживаемых теорий в науке с доказательствами из широкого спектра дисциплин: генетика, биология, геология, палеонтология и т. д.
История теории эволюции
Эта теория была впервые описана Дарвином в 1859 году в его книге «О происхождении видов», хотя некоторые идеи об эволюции уже существовали до этого. Французский зоолог Жан-Батист Ламарк (1744 - 1829) предложил механизм эволюции, первую последовательную теорию этого типа. Он ожидал, что изменяющаяся среда может заставить организмы развивать новые черты. Его концепции были хорошо приняты, пока теория Дарвина не вышла на сцену. В 1858 году английский натуралист Альфред Рассел Уоллес разработал теорию эволюции, очень похожую на теорию Дарвина. Уоллес переписывался на эту тему с Дарвином, и они решили представить свои теории одновременно научному сообществу в Лондоне. Уже в следующем году была опубликована «О происхождении видов».
Первоначально эволюция через естественный отбор была радикальной идеей, и она не очень хорошо воспринималась всеми. Мысль о том, что наземное животное может постепенно превратиться в морское млекопитающее (как в случае с китами), была слишком эретичной для тех времен. Дарвин не имел опыта в области генетики, но он наблюдал закономерности в живом мире, которые впоследствии были подтверждены генетическими открытиями. Он предположил, что черты передаются от одного поколения к другому. Этот процесс может иногда вводить новые физические или поведенческие особенности, которые могут быть полезными и, таким образом, сохраняются. Постепенно этот процесс может привести к генерации совершенно нового вида. Теперь мы знаем, что мутации могут происходить случайным образом и что эти мутации являются инструментами эволюции.
Значение и практическое применение теории эволюции
Многие области науки и биологии опираются на теорию эволюции. Его принципы регулярно применяются селекционерами, пытающимися получить новые варианты растений или животных. Это называется искусственным отбором и широко используется в сельском хозяйстве и для отбора специфических признаков у животных или других организмов.
Применяется также в экологии, природоохранной биологии и эпидемиологии. Например, теперь мы знаем, что вирусы гриппа меняются каждый год в результате мутаций в соответствии с эволюционными механизмами, описанными Дарвином. Вот почему мы должны получать новую вакцину от гриппа каждый год.
Теория даже применяется в информатике. Он использовался для разработки эволюционных алгоритмов и стратегий эволюции, которые применяются для решения сложных задач, например, в машиностроении. Эволюционные алгоритмы являются инновационным программным обеспечением, которое может решать многомерные задачи лучше, чем другие компьютерные программы.
Радиоактивность
Мы все слышали о радиации, но мало кто знает, что это такое. Радиация повсюду вокруг нас, и она приходит во многих формах и формах. Это может быть естественным или искусственным. Естественное излучение включает в себя излучение солнца, а также излучение радиоактивных минералов в почве и подземных химических веществ. Искусственное излучение производится мобильными телефонами, телевизорами, микроволновыми печами, и это лишь несколько источников. Некоторое излучение хорошо; другое плохо, так что посмотрим, как оно работает!
Открытие радиоактивности
История начинается в 1895 году, когда физик Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи. Год спустя Анри Беккерель использовал природные флуоресцентные минералы, такие как уранилсульфат калия, для изучения свойств рентгеновских лучей, и он обнаружил радиоактивность в процессе. Тем не менее, наиболее важный вклад внесла Мария Кюри, которая, работая вместе со своим мужем, значительно расширила наше понимание радиоактивности. Она была первой женщиной, получившей Нобелевскую премию за свои открытия. Она обнаружила радиоактивный элемент радия в 1898 году.
Но что такое радиоактивность? Это спонтанное излучение энергии (излучения) от атомных ядер, которые являются «нестабильными». Излучение помогает ядру перейти в более стабильное энергетическое состояние. Существует несколько типов излучения: альфа, бета, гамма и т. д., но их обсуждение выходит за рамки этой статьи.
Радиоактивность измеряется с помощью специальных приборов, которые могут подсчитать количество атомов, распадающихся с течением времени. Единица измерения называется кюри (Ci), названная в честь семьи Кюри. Один Ки эквивалентен 37 000 000 000 распадов в секунду!
Почему радиоактивность важна?
Понимание радиоактивности позволило нам узнать, как защитить себя от радиации и как использовать энергию атомов и использовать ее в наших интересах.
Существует много практических применений радиоактивности и радиации. Радиоактивные элементы, называемые метками, используются в медицине для оценки функционирования органов. Они обычно используются в медицинской диагностике и исследованиях, а также в биологических исследованиях. Радиация часто используется для стерилизации медицинских инструментов и продуктов питания. Это работает, потому что микроорганизмы убиты интенсивной радиацией. Процесс был усовершенствован до такой степени, что нет риска загрязнения остаточной радиацией.
Радиоактивная энергия собирается в ядерных реакторах и используется для питания нашего общества. Атомные электростанции регулярно используют уран для производства энергии. Есть и другие промышленные применения радиоактивности: анализ материалов, промышленная радиография и многое другое.
Некоторые считают радиацию опасной, что верно во многих случаях. Однако помните, что некоторые формы излучения полезны для нас. Например, ультрафиолетовое излучение (УФ), форма естественной энергии, исходящей от солнца, стимулирует выработку витамина D. Таким образом, воздействие небольшого количества солнечного света полезно, но не забывайте использовать солнцезащитные средства для длительного воздействия. Когда слишком много солнечного излучения достигает нашей кожи, это становится опасным.
Теория относительности
Вы уже хорошо знакомы с этой теорией, даже если еще не знаете. Подумайте об этом: время летит, когда вам весело, но оно проходит очень медленно, когда вы испытываете что-то неприятное. Конечно, теория относительности немного сложнее. На самом деле, мы должны говорить о двух теориях: теории специальной теории относительности и теории общей теории относительности. Эти теории предсказывают какое-то очень странное явление, которое противоречит здравому смыслу, например, космические путешественники стареют медленнее, чем люди на родной планете; часы, которые по-разному измеряют время в зависимости от скорости, с которой они движутся; изгиб света массивными объектами и т. д.
Истоки теории относительности
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой утверждается, что скорость света в вакууме одинакова для всех, независимо от скорости, с которой движутся наблюдатели. Более того, законы физики одинаковы для этих наблюдателей (если только они не находятся в ускоренном движении). Это был первый раз, когда теория специальной теории относительности была введена. До Эйнштейна считалось, что скорость света меняется в зависимости от положения наблюдателя.
Одной из целей этой теории было решение нескольких проблем электромагнетизма. Однако это имело глубокие и странные последствия для пространства и времени. Пространство и время нельзя было бы поддерживать постоянными, если бы скорость света была абсолютной. Следствием этого является то, что время и пространство должны быть взаимосвязаны, образуя единую структуру, пространственно-временной континуум. Несколько следствий вытекают из этой теории. Время течет медленнее, когда наблюдатель движется очень быстро, это явление называется дилатацией времени. В то же время объекты уменьшают свой размер, поскольку любая длина, измеренная в быстро движущейся среде, короче (сокращение длины). Наконец, масса быстро движущегося объекта будет измеряться стационарным наблюдателем как большая масса. Именно эта идея в конечном итоге привела Эйнштейна к тому, что сейчас, вероятно, является самым известным уравнением в истории = mc 2.
Позже, в 1915 году, Эйнштейн включил ускорение в свою предыдущую теорию и придумал теорию общей теории относительности. Одним из главных последствий новой теории было то, что очень массивные объекты способны искажать ткань пространства-времени. Чтобы представить это, подумайте о мягкой, гибкой поверхности, на которой находится тяжелый предмет. Поверхность будет деформирована весом объекта.
Практические приложения теории относительности
Электромагниты используют некоторые принципы теории относительности. Это рабочая основа для трансформаторов и электрических генераторов. Другое приложение - GPS (система глобального позиционирования). Чтобы обеспечить точное местоположение, спутники GPS должны корректировать эффект относительности. Спутники очень быстро движутся вокруг Земли, поэтому они должны учитывать относительность для точного измерения времени.
Чрезвычайно массивные структуры, такие как скопления галактик, могут изгибать световые волны благодаря своей огромной гравитационной силе. Это явление называется гравитационной линзой и используется астрономами для наблюдения очень далеких звезд. Он был экспериментально подтвержден в 1979 году. Он работает аналогично линзе в увеличительном стекле, за исключением того, что изображение фокусируется не в одной точке, а в нескольких, создавая несколько изображений одного и того же объекта.
