改变世界的10大科学发现

唯一不变的就是变化。至少，希腊哲学家赫拉克利特被认为是这样说的。虽然科学和哲学并非总是携手并进，但赫拉克利特的观点有其真实性。变化是不可避免的，在某些情况下，对我们物种的进化是必需的。虽然有些变化会自动发生，比如潮汐涨落，但有些变化则源于科学发现。

使用火来烹饪食物和取暖，推动了我们的祖先走向早期定居的基础，并持续了文明的增长。使用火来塑造金属制造武器和建筑材料，导致了越来越多的发现和进步。虽然许多进步塑造了人类，但我们重点关注了十项改变世界的重大科学发现。

1. DNA

DNA的发现与其说是改变了世界，不如说是改变了我们对世界的理解——更确切地说，改变了我们对生命的理解。DNA是一个我们直到20世纪才开始使用的术语，尽管其最初的发现可以追溯到19世纪的几十年前。

什么是DNA？

DNA是编码所有生物遗传信息的分子。它在将性状从亲代传递给后代方面起着关键作用，并且是复杂生物细胞核中染色体的主要组成部分。

谁发现了DNA？

许多人认为科学家詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在20世纪50年代发现了DNA。不，没那么快。DNA实际上是在1869年由瑞士医生弗里德里希·米歇尔首次发现的。他在血细胞中识别出他所称的“核素”。直到沃森和克里克，其他几位研究人员也一直在进行与DNA识别相关的项目。

DNA代表什么？

核素一词最终演变为我们所知的DNA，即脱氧核糖核酸的缩写。德国生物化学家阿尔布雷希特·科塞尔，后来获得诺贝尔奖，通常被认为是这个名称的命名者。

莱文的多核苷酸模型

多年来，其他科学家，例如菲布斯·莱文，在米歇尔的工作基础上进行了研究。莱文不知道DNA核苷酸成分是如何排列的。他提出了多核苷酸模型，正确地指出核酸是由核苷酸链组成的，每个核苷酸都包含一个碱基、一个糖和一个磷酸基团。

沃森和克里克的双螺旋结构

沃森和克里克以及“他们”在遗传学领域的突破性发现，准确地确定了DNA的双螺旋结构，该结构由氢键连接。凭借他们的发现，沃森和克里克在1962年获得了诺贝尔奖和全球赞誉。

尽管沃森和克里克获得了诺贝尔奖，但多年后我们才得知，这对搭档很可能未经化学家罗莎琳德·富兰克林的允许，窃取了她的研究成果。正是由于她的研究，双螺旋结构才得以实现，但她却未能获得诺贝尔奖。

2014年，沃森将他的诺贝尔奖章拍卖，售价超过400万美元。买家是一位俄罗斯亿万富翁，一年后他将奖章归还给沃森。2019年，沃森因其种族主义言论被剥夺了荣誉头衔。

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2. 运动中的地球

虽然地球绕轴自转并围绕太阳公转已是常识，但在某个时期，这个想法却被认为是极其荒谬的。行星怎么可能移动而我们却感觉不到呢？多亏了几位聪明的科学家，地球运动理论才不再是一个异想天开的想法。

什么是“运动中的地球”？

运动中的地球指的是地球并非静止不动，而是以不同方式运动的理解。地球绕轴自转并围绕恒星公转。

地球自转

地球绕其轴线自转，该轴线是一条从北极到南极的假想线。这种自转导致了昼夜循环，一次完整的自转大约需要24小时。

地球公转

地球绕太阳公转，大约每365天完成一次轨道。这种公转，加上地球轴线的倾斜，导致了季节的变化。

谁发现了地球的运动？

地球运动的发现和被接受是一个循序渐进的过程，涉及科学史上几位关键人物。

阿里斯塔克斯的地球运动假说

古希腊天文学家萨摩斯的阿里斯塔克斯是首批提出地球绕太阳运行的人之一。这种观点在他的时代并未被广泛接受，因为当时人们认为地球是宇宙的中心，恒星、行星和太阳都围绕着我们的行星运行。

哥白尼创建了第一个地球运动模型

数学家兼天文学家尼古拉·哥白尼通常被认为是提出了第一个日心宇宙模型的人。1543年，他出版了他的巨著《天体运行论》，阐述了他的理论。

其中包括昼夜是由地球自转造成的。哥白尼日心说取代了普遍接受的托勒密学说，后者认为地球是静止的。哥白尼的工作在他有生之年鲜为人知，但后来得到了支持。

伽利略·伽利雷的望远镜观测

伽利略·伽利雷同意哥白尼的理论，并通过他的望远镜观测证明了这一点。1610年，他观测到金星的相位和木星的卫星，这都是反对地心宇宙模型的有力证据。

伽利略同意哥白尼的理论，并使用望远镜证实金星经历的不同相位是由于其围绕太阳运行造成的，从而证明了该理论。

约翰内斯·开普勒的行星定律

德国数学家约翰内斯·开普勒提出了一系列详细描述行星绕太阳轨道的定律。这些定律至今仍然适用，为根据哥白尼理论准确预测行星运动提供了数学方程。

我们为什么感觉不到地球自转？

根据加州理工学院（CalTech）研究人员的说法，地球平稳且以恒定的速度自转。如果地球随时改变速度，我们就会感觉到。

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3. 电

本杰明·富兰克林发现了电吗？

本·富兰克林用他著名的风筝实验发现电是一个常见的误解。但他1752年的实验，通过使用钥匙和风筝，证明了闪电是一种电的形式。另一个传说是富兰克林被闪电击中。他没有，但风暴确实使风筝带电了。

谁首次观测到电？

早在公元前600年，古希腊哲学家米利都的泰勒斯首次在琥珀（化石化的树脂）与毛皮摩擦时观测到静电。

谁发明了电？

英国科学家兼医生威廉·吉尔伯特创造了“电”（electric）这个词，它来源于希腊语中“琥珀”的意思。吉尔伯特被誉为“电学之父”，他也是第一个使用磁极、电力和电吸引力等术语的人。1600年，他六卷本的著作《论磁》（De Magnete）出版。除了其他思想外，它还包括地球本身就是一个磁体的假说。

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4. 疾病细菌理论

什么是疾病细菌理论？

细菌理论是医学中的一个科学原理，它将许多疾病的病因归结为侵入并增殖于人体内的微生物，例如细菌和病毒。这一理论是对以前关于疾病病因信念的重大转变。

谁发明了细菌理论？

路易·巴斯德通过证明活微生物导致发酵，从而使牛奶和葡萄酒变酸，发现了细菌理论。从那里，他的实验揭示了这些微生物可以通过加热被杀死——这个过程我们现在称之为巴氏杀菌。

这一进步改变了游戏规则，使人们免受未巴氏杀菌食品中细菌的侵害，例如鸡蛋、牛奶和奶酪。在巴斯德之前，普通人和科学家都认为疾病来自体内。

巴斯德的研究证明了细菌理论是正确的，疾病是微生物攻击身体的结果。由于巴斯德，人们的态度发生了变化，变得更容易接受细菌理论。

科赫的假设如何促进了细菌理论？

德国医生兼微生物学家罗伯特·科赫在建立一种系统的方法来证明微生物与疾病之间的因果关系方面发挥了关键作用。

他提出了科赫假设，并将这些原则应用于识别导致结核病和霍乱等疾病的细菌。

巴斯德和科赫共同为细菌学作为一门科学奠定了基础，并极大地改变了医学界对传染病的理解。他们的工作促进了卫生条件的改善、疫苗的开发以及公共卫生措施的进步。

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5. 引力

谁发现了引力？

据我们所知，艾萨克·牛顿并没有真的被苹果砸到头。但是看到一个苹果从树上掉下来，确实激发了他的灵感，使这位数学家和物理学家在仅仅23岁时就发现了引力。

他思考这种力如何将物体直接拉向地面，而不是像发射的炮弹一样沿曲线路径运动。引力就是答案——一种将物体相互吸引的力。

引力是如何运作的？

物体质量越大，其力或引力越大。当物体相距越远，力就越弱。牛顿的工作和他对引力的理解被用来解释从棒球的轨迹到地球绕太阳的轨道的一切。但牛顿的发现不止于此。

牛顿运动定律

1687年，牛顿出版了他的著作《原理》，该书阐述了他的万有引力定律和三条运动定律。他的工作为现代物理学奠定了基础。

在此发现的基础上，电力领域的进步得以继续。

1800年，意大利物理学家亚历山德罗·伏特制造了第一个伏打电池，这是早期的一种电电池。

爱因斯坦的广义相对论

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。这个理论将引力重新定义为不是一种力，而是由质量和能量的存在引起的时空弯曲。

爱因斯坦认为，大质量物体会引起时空结构中的扭曲，类似于一个沉重的球放在蹦床上会使其变形。其他物体则沿着这种扭曲所创造的时空曲线运动。

牛顿和爱因斯坦都极大地增进了我们对引力的理解。他们的理论标志着物理学领域的关键里程碑，并在科学技术领域产生了深远的影响。

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6. 抗生素

就像细菌理论彻底改变了现代医学一样，抗生素的发明也同样如此。这一发现将挽救无数生命。

抗生素是什么时候发明的？

根据微生物学学会的说法，人类使用某种形式的抗生素已有数千年历史。直到近代，人类才意识到细菌引起某些感染，并且我们现在可以提供现成的治疗。

1909年，德国医生保罗·埃利希注意到某些化学染料不会像对其他细菌细胞那样给某些细菌细胞着色。因此，他认为有可能在不杀死周围其他细胞的情况下杀死某些细菌。埃利希后来发现了梅毒的治疗方法，许多科学界人士称之为第一种抗生素。然而，埃利希将他的发现称为化疗，因为它使用化学物质治疗疾病。埃利希因其发现而被誉为“免疫学之父”。

据微生物学学会称，乌克兰裔美国微生物学家塞尔曼·瓦克斯曼在大约30年后创造了“抗生素”一词。

谁发现了青霉素？

当今最知名的抗生素之一是青霉素。每年，医疗专业人员为数百万患者开具这种抗生素。然而，这种最著名的抗生素之一却是意外发现的。

1928年，苏格兰微生物学家亚历山大·弗莱明在离开实验室一段时间后，发现了一种名为青霉菌（Penicillium notatum）的真菌污染了含有葡萄球菌的培养皿。弗莱明注意到这种真菌在培养皿上形成了无菌区。经过多次试验，弗莱明成功证明了P. notatum能够阻止葡萄球菌的生长。很快，这种抗生素就可以大规模生产，并在第二次世界大战期间挽救了许多生命。

青霉素有什么用？

青霉素用于治疗由细菌引起的感染。这种药物通过阻止和预防细菌生长而发挥作用。

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7. 大爆炸理论

大爆炸理论是关于宇宙起源最广为接受的理论之一。该理论认为，大约137亿年前，宇宙的所有物质都浓缩在一个极小的点中。经过一次巨大的爆炸后，宇宙的物质爆发并膨胀，至今仍在继续膨胀。

谁提出了大爆炸理论？

大爆炸的首次提及来自比利时宇宙学家兼天主教神父乔治·勒梅特。最初，勒梅特在1927年发表了一篇关于广义相对论及其方程解的论文。然而，这篇论文大多未被注意到。

尽管许多科学家不相信宇宙正在膨胀，但一群宇宙学家开始反其道而行之。在埃德温·哈勃注意到离我们越远的星系似乎比离我们更近的星系离开得更快之后，宇宙膨胀的观点似乎更有道理。勒梅特的1927年论文得到了认可，而“大爆炸”一词则出现在勒梅特1931年关于该主题的论文中。

什么是哈勃空间望远镜？

埃德温·哈勃发现星系正在远离我们，这被称为哈勃定律，是他众多发现中的一个。尽管这一发现为大爆炸理论增添了证据，但这一发现却受到了自望远镜诞生以来一直困扰望远镜的同一件事的阻碍：地球大气层。根据美国宇航局的说法，地球大气层会扭曲光线，限制望远镜能看到多远，即使在晴朗的夜晚也是如此。

因此，研究人员，特别是莱曼·斯皮策，建议将望远镜放置在太空，恰好在地球大气层之外，进入其轨道。经过20世纪60年代和70年代的几次尝试，美国宇航局与欧洲航天局（ESA）合作，于1990年4月24日发射了一架太空望远镜。这架以先驱宇宙学家的名字命名的哈勃空间望远镜，在2021年詹姆斯·韦伯空间望远镜发射之前，是人类已知的最强大的望远镜。

什么是宇宙微波背景？

根据欧洲航天局的说法，大爆炸发出了大量的原始光。随着时间的推移，这种光“冷却”并变得不再可见。然而，研究人员能够检测到所谓的宇宙微波背景（CMB），根据欧洲航天局的说法，这是宇宙中第一束光冷却后的遗迹。一些研究人员甚至将CMB称为大爆炸的回声。

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8. 疫苗

本杰明·富兰克林曾说：“一盎司的预防胜过一磅的治疗。”这句话在当时适用于使城镇更安全地抵御火灾。然而，同样的说法也适用于健康和福祉。疫苗的出现帮助预防了几种严重疾病，并保障了人们的安全。多亏了疫苗，人们很少感染脊髓灰质炎等疾病，而且天花已被根除。

什么是疫苗？

根据疾病控制中心（CDC）的说法，疫苗是一种保护方法，它将少量疾病引入人体，以便人体在疾病再次试图进入人体时能够形成免疫反应。

基本上，通过疫苗，人体暴露在少量疾病中，以便免疫系统能够建立对它的防御。

第一支疫苗是什么时候发明的？

根据世界卫生组织（WHO）的说法，爱德华·詹纳博士在1796年创造了第一支疫苗，他使用了牛痘疮（一种类似于天花的疾病）的感染物质。他用这种物质为一名8岁男孩詹姆斯·菲普斯接种，发现男孩虽然一开始感觉不适，但从疾病中康复了。

几个月后，詹纳用天花疮的物质测试了菲普斯，发现菲普斯完全没有生病。从那时起，天花疫苗在接下来的几个世纪中挽救了无数生命。

脊髓灰质炎疫苗是什么时候发明的？

从1796年到1945年，医生和科学家努力为西班牙流感、黄热病和流感等其他严重疾病开发疫苗。其中一位医生是乔纳斯·萨克。在萨克于1945年帮助开发流感疫苗后，他开始研究脊髓灰质炎疫苗。在1952年至1955年之间，萨克完成了疫苗，并开始了临床试验。萨克的疫苗接种方法需要针头和注射器，但在1960年，阿尔伯特·萨宾创造了一种不同的脊髓灰质炎疫苗接种方法。萨宾的版本可以通过滴剂或糖块施用。

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9. 进化

什么是进化？

进化是一种理论，它认为生物体在基因层面上会从一代传到下一代，适应环境并发生变化。这可能需要数百万年的时间，通过自然选择等方式实现。动物的颜色或喙可能会随着环境的变化而改变，帮助它们躲避捕食者或更好地捕捉猎物。

谁是进化论之父？

在加拉帕戈斯群岛研究动物，特别是雀类之后，一位名叫查尔斯·达尔文的博物学家确定，这些鸟类——它们都居住在不同的加拉帕戈斯群岛上——属于相同或相似的物种，但具有独特的特征。达尔文注意到每个岛上的雀类都有不同的喙。这些喙帮助雀类在其特定的岛屿上觅食主要的食物来源。有些喙较大，用于敲开坚果和种子，而另一些喙较小较窄，用于寻找昆虫。

这些观察使查尔斯·达尔文获得了“进化论之父”的称号。尽管进化论自达尔文于1859年出版《物种起源》以来有所改变，但他为现代科学家奠定了框架。

进化是理论还是事实？

数千年来，人们普遍认为世界及其所有生物都是由一种力量创造的。但是，随着科学的进步，有明确的证据可以反驳这一点。

这个问题的答案很复杂，因为进化既是事实又是理论。根据国家科学教育中心的说法，科学理解需要理论和事实。有证据表明生物体随着时间的推移发生了变化或进化，现在科学家有能力研究和确定这些变化是如何发生的。

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10. CRISPR

CRISPR 代表什么？

根据美国国家人类基因组研究所的说法，CRISPR代表“成簇的规律间隔短回文重复序列”。研究人员利用这项技术来修改活生物体的DNA。

谁发现了CRISPR？

CRISPR的发现涉及多个人和几十年的研究。这些研究人员包括石野良纯、弗朗西斯科·莫吉卡，以及最近因CRISPR获得诺贝尔化学奖的詹妮弗·杜德纳和埃马纽埃尔·沙尔庞捷。

什么是CRISPR？

CRISPR是一种可以编辑基因甚至打开或关闭基因的技术。研究人员将CRISPR描述为分子剪刀，可以剪断DNA，然后替换、删除或修改基因。根据2018年的一项研究，科学家可以使用这项技术帮助替换可能导致疾病的某些基因，例如癌症或杜氏肌营养不良症等遗传性疾病——一种可能导致过早死亡的退行性疾病。

CRISPR是如何工作的？

简而言之，科学家利用CRISPR技术在细胞内找到特定的DNA片段。然后科学家修改该DNA片段，或用不同的DNA序列替换它。CRISPR技术还确保通过基因驱动将改变后的基因传递给下一代。

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本文最初发布于2021年10月22日，此后已由《发现》杂志工作人员更新了新信息。