对许多人来说，科学不过是你在学校里被要求上的那门课。然而，无论你是否意识到，科学无处不在，它影响着我们生活的方方面面。而且，关键科学发现背后的故事，尽管不为人所知，却真真切切地令人振奋。
所以，如果你想快速回顾一下宇宙是如何运作的，请关注这四个引人入胜的发现以及它们背后的历史。
能量总是守恒的
到1609年，伽利略·伽利莱（1564-1642）通过他对摆锤动力学、自由落体物体和沿斜坡滚动的物体的实验，已经掌握了动能（运动的能量）和势能（储存的能量）之间的能量守恒原理。
然而，他从未提供过能量的清晰定义，也没有意识到它的其他形式。这又花了200多年。原因是什么？热。
到18世纪末，热被认为是一种能够流过普通物体的流体。这并不算太疯狂，毕竟，例如你咖啡的热量确实会“流”过杯子到你的手中。
热与功之间的关系在朱利叶斯·罗伯特·迈耶（1814-1878）和詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818-1889）的努力下得以理解，他们阐明了热是能量的几种形式之一。在他们工作的基础上，赫尔姆霍兹（1821-1894）构建了一个能量守恒的数学理论，其中包括动能、势能和热，以及电、磁和化学等各种形式。他们的集体努力和其他人的贡献促成了1850年《第一定律》（能量既不会被创造也不会被毁灭）的建立。
熵总是增加的
1823年，萨迪·卡诺（1796-1832）想了解为什么热机（比如你的汽车发动机）在将热转化为功方面效率如此之低。实际上，当时只有区区6%的热量用于做功，其余的都散失到环境中了。
卡诺发现，即使是一个完美的热机（没有运动部件之间的摩擦热损失），也无法达到100%的效率，即所有热量都转化为功。显然，宇宙总是要求损失一定量的热量。问题是：为什么？
1852年，威廉·汤姆森（后来的开尔文勋爵）（1824-1907）发表了一篇文章，指出并非所有能量都是等同的，他指出某些类型的能量可以用于做功，而其他类型的能量则不太容易利用。例如，从河流均匀（有序）的流动中提取功比从海洋汹涌、随机（无序）的波浪中提取功要容易得多。汤姆森得出结论，自然界仅仅偏爱随机或耗散的能量，一旦它耗散了，就很难从中获取功。他揭示了一些《第一定律》没有解释的东西。
1854年，鲁道夫·克劳修斯（1822-1888）在卡诺的工作基础上，发现了一种新的物理性质，并在1865年最终将其命名为熵。他发现，在自然界发生的过程中（例如，咖啡冷却），熵总是增加的，他将其总结为“宇宙的熵趋于最大值。”他的陈述（《第二定律》）与汤姆森的“能量趋于耗散”不谋而合。
路德维希·玻尔兹曼（1844-1906）证明了熵与原子和分子的微观运动有关。具体来说，他考虑了一组气体原子在高速运动并相互碰撞，将它们集体的位置和速度（在给定时刻）称为微观状态。在玻尔兹曼的描述中，一个受偏爱的物理过程（例如，咖啡和奶精混合）之所以发生，是因为它增加了微观状态的数量，这反过来又增加了熵。
光以块状…和波的形式存在
早在古希腊时期，光的本质就一直存在争议。最终，随着詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831-1879）在1864年的工作，电和磁被统一起来，光被公认为是一种电磁波。光作为波成功地解释了许多物理现象，除了一个人之外，没有物理学家愿意去改变这样的成功。
1905年，26岁的爱因斯坦提出光以“块状”——光量子——的形式存在，我们现在称之为光子。事实上，他通过证明理想气体的熵与低强度光的熵形式相同而得出这一结论。不幸的是，物理学界尚未做好准备，直到将近20年后才被完全接受。然而，光的这种“波粒二象性”（以及所有其他量子粒子：电子、质子、中子等）只是量子力学所体现的“怪异”之处的一小部分。
宇宙本质上是概率性的
在1926年的十二个月期间，38岁的欧文·薛定谔（1887-1961）撰写了六篇主要论文，奠定了量子力学的基础，并向我们介绍了他的著名波方程。他的波方程中包含的物理后果将在物理学中引起一场巨大的动荡，导致爱因斯坦对量子力学的谴责，甚至薛定谔本人也有些后悔。
几位物理学家都提出了自己的看法，但正是马克斯·玻恩（1882-1970）提供了物理学解释：量子力学的定律本质上是概率性的，因此，宇宙本身也是如此。等等，什么？
考虑最简单的原子：氢，它有一个电子和一个质子。我们大多数人都学过电子绕质子运行，就像地球绕太阳运行一样。这确实是一个非常令人愉悦的物理图像，但量子力学不赞同。作为一个量子粒子，在任何给定时刻，电子的轨道和物理性质都不是明确定义的。相反，事情有点“模糊”。唯一可以肯定的是，电子根据薛定谔波方程确定的概率在量子态之间移动。
科学充满了更多像这样的激动人心的故事，分解开来，它绝不无聊。现在，花点时间思考这些宇宙的奇迹，希望它们能激励你进一步探索。
斯科特·本贝内克博士是强生制药研发公司圣地亚哥计算机辅助药物发现小组的首席科学家。他还是《宇宙机器：运行我们宇宙的科学及其背后的故事》一书的作者。要了解更多关于本贝内克博士及其工作的信息，请访问http://scottbembenek.com并在Twitter上与他联系。
