瑞士联邦理工学院的科学家首次拍摄的同时以波和粒子形式存在的光线照片，证明了爱因斯坦的理论，即光线这种电磁辐射同时表现出波和粒子的特性。照片中，底部的切片状景象展示了光线的粒子特性，顶部的景象展示了光线的波特性。
地球大气层的高空气体原子在与太阳风携带的高能带电粒子进行碰撞时形成绚烂的极光。
当穿过一个棱镜时，阳光发生折射，分割成不同的色彩，不同颜色对应不同光线的波长。
据国外媒体报道，“光线同时具有波粒二象性”是现代科学界最令人难以捉摸的观点之一。1905年，爱因斯坦率先描述光线的这种双重状态，试图依此解释光线表现出的一些明显矛盾的行为。但一直以来，科学家从未观察到光线同时以这两种状态存在。在尝试对这两种状态进行观察时，科学家只能看到一种状态，要么是光子粒子，要么是电磁波。现在，瑞士联邦理工学院的科学家首次拍摄到同时以波和粒子形式存在的光线照片，证明了爱因斯坦的理论，即光线这种电磁辐射同时表现出波和粒子的特性。
瑞士联邦理工学院采用的拍摄技术有助于开辟新的超快计算机领域，即利用物质的量子态。联邦理工学院的法布里泽-卡尔伯纳博士表示：“这项实验第一次证明我们能够直接对量子力学的怪异特征进行成像。能够成像以及在纳米尺度控制量子现象将开辟一条通往量子计算的新道路。”
光线的波型特性能够简单而清楚地观察到。当穿过一个棱镜时，阳光发生折射，分割成不同的色彩，不同颜色对应不同光线的波长。此外，光线也会表现出类似粒子的行为，例如铀等物质辐射时产生光子，极地高空气体在受到太阳风轰炸时形成极光。在发表于《自然-通讯》杂志的一篇论文中，研究小组阐述了他们的实验以及如何利用电子对光线进行成像。
实验中，他们朝着悬挂在石墨烯上方的微型金属线发射激光脉冲。在激光的作用下，金属线发生振动。随后，光线从两个方向穿过金属线。当以相对的方向移动时，光线在会合时形成新的光线“驻波”。随后，他们向纳米金属线发射电子流，超快显微镜因电子流的加速或者放缓对光线进行成像。卡尔伯纳表示最后拍摄的照片证明光线不仅表现出波的特性，同时也表现出粒子的特性。当电子近距离穿过驻波时，它们撞击驻波中的光子，再度影响最后捕捉到的画面
科学家“看”到了光的波粒二象性
长久以来，人们都知道光既可以表现出粒子的形式，也可以呈现波动的特征，这取决于光子实验测定时的方法，但在此之前，光还从未同时表现出这两种状态。
关于光是粒子还是波的争论由来已久，甚至可以追溯到科学最初萌芽的时候。艾萨克·牛顿提出了光的粒子理论，。到了1905年，争论出现了戏剧性的变化。爱因斯坦提出光是由称为“光子”的粒子组成，借此解释了光电效应。他也因此获得了诺贝尔物理学奖。光电效应的发现对物理学影响深远，并为后来量子力学的发展作出了重大贡献。
量子力学在对微小粒子，如原子和光子的行为预测上，具有惊人的准确性，然而，这些预测非常违反直觉。比如，量子理论认为类似光子的粒子可以同时在不同的地方出现，甚至是同时在无穷多的地方出现，就像波的行为一样。这种被称为“波粒二象性”的概念，也适用于所有的亚原子粒子，如电子、夸克甚至希格斯玻色子等。波粒二象性是量子力学理论系统的基础，诺贝尔奖获得者理查德·费曼将其称为“量子力学中一个真正的奥秘”。
据报道，刊于《科学》杂志上的两组独立研究利用不同的方法对光从波形态向粒子态的转变进行了测定，以揭示光的本质面貌。两组研究都来源于理论物理学家约翰·惠勒于上个世纪80年代进行的经典实验。惠勒的实验提出，观察光子时应用的方法，将最终决定光子的行为是像粒子还是像波。
Peruzzo)佐是布里斯托大学量子光子学中心的研究员，在他的带领下，一个由物理学家和量子理论物理学家组成的团队根据惠勒的实验设计了新的方法，以同时观测光的粒子性和波动性。他们利用光分离器使一个光子纠缠另一个光子。通过对第二个光子的测定，来决定对第一个光子的测定方法。这一过程使研究者得以探索光从波的形式向粒子态转变的过程。
“这种测量装置检测到强烈的非定域性，证实了实验中光子同时表现得既像一种波又像粒子，”佩鲁佐说，“这对光或者是波形态，或者是粒子态的模型是非常有力的反驳。”
量子光子学中心的主管杰里米·奥布莱恩(Jeremy O' Brien)说：“为了进行这项研究，我们使用了一项新颖的量子光子芯片技术。这种芯片具有可重构性，即它可以根据不同的电子环路来进行编程和操控。这项技术在今天的量子计算机研究中处于十分领先的地位，而在未来，它还将带来更多有关量子力学尖端研究的重要成果。”
Kaiser)利用纠缠光子对实现了惠勒的实验。一个光子通过干涉仪被探测到，使研究者能够测定第二个光子的状态是像波的形式还是粒子形式，或者是二者之间。他们的实验也实现了光子从波的形式向粒子状态的连续转变。
上面的想象图演示的是单光子穿过干涉仪时的情景，干涉仪的输出端装有量子分光镜。图中远处可以看到正弦振荡的波形，表示的是单光子干涉，是一种波动现象。而在图片近处，观察不到振荡，说明只表现出粒子的特性。在两种极端之间，单光子的行为连续不断地从波的形式向粒子形式转变，图中显示了这两种状态的重叠。
受艺术家毛里茨·科内利斯·埃舍尔作品的启发绘制的艺术图，显示了光在粒子态和波形态之间的连续变化。
受艺术家毛里茨·科内利斯·埃舍尔作品的启发绘制的艺术图，显示了光在粒子态和波形态之间的连续变化。
，研究论文的并列第一作者。
实验中用以检测波粒二象性的量子光子芯片。单光子通过光纤进入环路，在输出端被极其敏感的探测器检测到
最伟大的十个科学发现
著名网络科普作家塔米姆·安萨利在其近著中，提出了对社会有重大影响的10大科学发现。有些我们耳熟能详，有些却似最熟悉的陌生人。基本上，我们很难分辨，达尔文的物种进化论和牛顿的三大运动定律哪个更伟大。所以，我们要做的仅仅是站在牛顿们的肩膀上，看得更多、更远。
十、光的波粒二象性
光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯·杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。
1921年，爱因斯坦因为“光的波粒二象性”这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。
（下图为青年时代的爱因斯坦）
1911 年 10 月 29 日，在物理化学家能斯特的组织下，主题为“辐射理论与量子”的第一届索尔维会议终于在布鲁塞尔成功召开了。来自各个国家的物理学家们聚在一起，共同讨论恼人的量子问题。他们都有一种共同的感受，即经典物理学的某些基本原理处境不妙了。第一届索尔维会议使量子思想声名远播，并使更多的人投入到对量子问题的研究中。爱因斯坦的好友贝索风趣地将这次会议称为“布鲁塞尔的女巫盛宴”。
（下图即为布鲁塞尔的女巫盛宴）
光子的波动性与粒子性之间的联系为：光子的波动性与粒子性是光子本性在不同的条件下的表现。波动性突出表现在其传播过程中，粒子性则突出表现在物体的电磁辐射与吸收、光子与物质的相互作用中。一般地说，频率越高、波长越短、能量越大的光子其粒子性越显著；而波长越长，能量越低的光子则波动性越显著。值得提出的是，在同一条件下，光子或者表现其粒子性，或者表现其波动性，而不能两者同时都表现出来。
九、热力学四大定律
18世纪，卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。热力学四大定律对认识宇宙有重大意义。对宇宙来说，总的无序量一直在增加。
（卡诺）
热力学是法国科学家卡诺奠定的一门新科学，它的建立是由研究蒸汽机的效率开始的。1824年，卡诺发表了《论火的动力》一书，在扼要评述蒸汽机重要性之后，他提出了卡诺循环和卡诺定理，主张热是一种物质运动形式，它是不生不灭的。这是历史上关于能量守恒原理的最早表述。
卡诺的著作生前没有引起人们的重视，1832年卡诺得霍乱过早死去，他用过的东西连同一些珍贵的手稿都被烧毁。今天,人们把卡诺视为力学中的伽利略，认为他奠定了现代热力学和热动力机械技术的基础。
（下图为著名的卡诺循环）
热力学四大定律：
第一定律——能量守恒定律(包含了热能)
第二定律——机械能可全部转换成热能，但是热能却不能以有限次的试验操作全部转换成功(热能不能完全转化为功)
第三定律——绝对零度不可达成性
第零定律——若A与B热平衡，B与C热平衡时，A与C也同时热平衡。
八、基因
孟德尔从未描述过基因，也没有观测到基因以及使用基因这个词。但这位奥地利传教士发现了遗传定律，仅仅通过繁育豌豆，画出其结果图，就得出了卓越的结论。孟德尔发现，在预先可测知规律下控制的组合，父母可将其独特的特性传给子女。
（下图孟德尔是修道士）
（下图为孟德尔可能使用过的显微玻片及工具，在捷克圣汤玛斯修道院展出。）
孟德尔遗传定律：
1、分离律：细胞中有成对的基本遗传单位，在杂种的生殖细胞中，成对的遗传单位一个来自雄性亲体，一个来自雌性亲体，形成配子时这些遗传单位彼此分离。
2、独立分配律：在后代中不同对的对立性状随机组合。性状决定于遗传单位，遗传单位的出现符合简单的统计学规律。
（下图示孟德尔曾作过杂交实验的园地）
1909年，丹麦生物学家约翰森根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因（gene）一词，并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。不过他所说的基因并不代表物质实体，而是一种与细胞的任何可见形态结构毫无关系的抽象单位。因此，那时所指的基因只是遗传性状的符号，还没有具体涉及基因的物质概念。
1953年，克里克和沃森发现DNA的双螺旋结构。随着研究的深入，现在我们已经知道，在生物界并非所有的基因都是由DNA构成的。
（下图是年轻时的沃森和克里克）
（下图为DNA的发现者之一詹姆斯·沃森在国际人类基因组计划的新闻发布会上讲话 ）
（下图为DNA双螺旋结构模型——示空间结构）
七、物种进化
人们习惯认为，目前在地球上的每一种生命从一开始就是这样，即没有新的物种诞生，迄今也未发生什么变化。19世纪达尔文提出进化论，揭示出地球上生命的动态性质。尽管进化论本身在科学家们之间仍有争议，但事实上，没有一名主流科学家怀疑下列事实：老的物种在死亡、新的物种在生成。
1859年，达尔文出版《物种的起源》，提出相似的物种都是相互联系的，起源于一个共同的祖先；自然界中存在着优胜劣汰的竞争，旧种被消灭，新种不断产生，呈现物种的连续变化。进化理论自诞生之日起，直至今天仍对人类社会的发展产生着重大影响。
（下图为达尔文）
学术界眼中的进化论：
“虽然进化论是用粗糙的英国方式来申论，但它对自然史的基本观点，。” ——社会学家马克思 （他等着拜读达尔文的著作，并透露和达尔文曾通过信，还送了一 本自己签名的《资本论》给他。）
“在经济放任政策下，个人为了求存，就会努力展现他潜在的能力，并不断自我改善；相对的，偷懒和依赖国家社会者，其结果是无 法生存。” ——社会学家斯宾塞 （他认为物竞天择，适者生存的理论不但能应用到自然界，也能应 用到人类社会。）
“为什么有些人有某些特征，他的孩子却没有相同的特征呢？” ——自然科学家理查德·欧文 他在小猎犬号帮达尔文收集标本，却是达尔文最大的反对者。（他认为，进化论纯属理论，没有实验证实。）
六、电流
19世纪，伏特等科学家们让“电”流动。使人们了解到电流是一种性质截然不同的力。发现电流要比其实际应用意义重大得多，科学家发现，电、磁、无线电波和光是各种不同形式的电磁力。
（下图为伏特）
伏特在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏特自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏特并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。
伏特不仅发现两种不同金属接触时会发生电流效应，而且发现当金属浸入某些液体时，也会有同样的效应。伏特开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。当时引起极大的轰动。这是第一个能产生稳定、持续电流的置。有了持续电流，对电学的研究打开了新的局面。为了纪念他，人们将电动势单位取名伏特。
（下图为记录电流的超精密仪器）
五、血液循环
每一个人拥有固定量血液，以固定方向绕其身体循环。这个事实在12世纪，首先由阿拉伯医生Ibnal－Nafis发现。17世纪，又被英国医生哈维再次予以发现。哈维的成就为人们充分了解人和动物的生理学开辟了新的途径。 哈维根据实验研究证实了动物体内的血液循环现象，并阐明了血液受心脏推动，沿动脉流向全身，再沿静脉返回心脏，环流不息的原理。 哈维在1628年发表的《动物心血运动的研究》，首次阐明了心液循环的原理，使人类对血液循环有了正确的认识。
心血管系统是一个完整的封闭的循环管道，它以心脏为中心通过血管与全身各器官、组织相连，血液在其中循环流动。心脏是一个中空的肌性器官，它不停地有规律地收缩和舒张，不断地吸入和压出血液，保证血液沿着血管朝一个方向不断地向前流动。
（心脏）
血管是运输血液的管道，包括动脉、静脉和毛细血管。 动脉自心脏发出，经反复分支，血管口径逐步变小，数目逐渐增多，最后分布到全身各部组织内，成为毛细血管。毛细血管呈网状，血液与组织间的物质交换就在此进行。毛细血管逐渐汇合成为静脉，小静脉汇合成大静脉，最后返回心脏，完成血液循环。
（下图示动脉和静脉）
四、物质的结构
1789年，法国化学家拉瓦锡推翻燃素说，提出“元素”说。他说，这种“元素”物质不能被任何化学过程再分解。他提出的元素表是不完整的，且有一些错误，但是他对完整元素表的提出起到了重要作用。基于他的工作，科学家们提出近代的看法：即所有物质能被分解为109种元素，所有元素是由原子构成，所有原子由质子、中子和电子构成，等等……
（下图为有机化学之父——拉瓦锡）
拉瓦锡通过金属煅烧实验，于1777年向巴黎科学院提出了一篇报告《燃烧概论》，阐明了燃烧作用的氧化学说，要点为：
①燃烧时放出光和热；
②只有在氧存在时，物质才会燃烧；
③空气是由两种成分组成的，物质在空气中燃烧时，吸收了空气中的氧,因此重量增加,物质所增加的重量恰恰就是它所吸收氧的重量；
④一般的可燃物质（非金属）燃烧后通常变为酸，氧是酸的本原，一切酸中都含有氧。金属煅烧后变为煅灰，它们是金属的氧化物。
下图是硫元素图
他还通过精确的定量实验，证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态，但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。于是拉瓦锡用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说，使化学开始蓬勃地发展起来。
三、三大运动定律
牛顿提出了运动的三大定律，解释了宇宙中所有物体的运动。牛顿还发明了微积分及解释了引力。
（下图为牛顿）
三大运动定律：
（一）惯性定律：物体若不受力，则始终保持原有的运动状态，即静止或作等速度运动。
（二）运动定律：物体受力必做加速度运动，其加速度正比于作用力，反比于物体的质量。
（三）作用与反作用定律：甲物体对乙物体施力之同时，乙物体会对甲物体施以大小相等、方向相反的另一个力。
（下图为三大运动定律卡通版本）
二、微生物的存在
17世纪末，荷兰透镜制造商列文·虎克从自己的牙齿刮下一些污物，并通过显微镜观看这些东西。他认为这里有“小微生物”在动。事实上，人肉眼是看不见这种“小微生物”的。约两个世纪后，对这种“不可见”微生物的了解，，这一理论又使医生攻克了多种疾病：伤寒、小儿麻痹症及白喉等。之后，人类对从传染病、心脏病到癌症等死亡主要原因的认识发生了变化。
（这就是——虎克）
（下图为列文·虎克自制的显微镜）
微生物是一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。它们是一些个体微小、构造简单的低等生物。大多为单细胞，少数为多细胞，还包括一些没有细胞结构的生物。主要有古菌；属于原核生物类的细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体；属于真核生物类的真菌、原生动物和显微藻类。
（下图为染色法观察到的活性污泥中的细菌群落，每种颜色代表一类细菌）
虽然我们用肉眼看不到单个的微生物细胞，但是当微生物大量繁殖在某种材料上形成一个大集团时，或是把微生物培养在某些基质上，我们就能看到它们了。我们把这一团由几百万个微生物细胞组成的集合体称为菌落。例如腐败的馒头和面包上长的毛，烂水果上的斑点，皮鞋上的霉点，皮肤上的藓块等就是许多微生物形成的菌落。
（下图为微生物的菌落特征）
一、勾股定理
在每个直角三角形中，斜边的平方等于两直角边平方之和。第一个证明这一定理的是公元前6世纪的希腊哲学家毕达格拉斯。毕达格拉斯认为，物理世界的核心是数学。将物理学与数学相结合，证明是最富有成果的结合。甚至到现在，如果一项科学理论能够从数学上加以证明，人们才会认为这项科学理论是真正可靠。
勾股定理是初等几何中的一个基本定理。这个定理有十分悠久的历史，几乎所有文明古国（希腊、中国、埃及、巴比伦、印度等）对此定理都有所 研究，，。
著名的希腊数学家欧几里德在巨著《几何原本》中给出一个很好的证明 （如下图）：分别以直角三角形的直角边AB，AC及斜边BC向外作正方形，ABFH，AGKC及BCED，连FC， BK，作AL⊥DE。则欧几里得通过△BCF及△BCK为媒介。证明了正方形ABFH与矩形BDLM及正方形ACKG与 矩形MLEC等积，于是推得AB2+AC2=BC2。
在我国，这个定理的叙述最早见于《周髀算经 》（大约成书于公元前一世纪前的西汉时期），书中有一段商高（约前1120年）答周公问中有「勾广三 ，股修四，经隅五」的话，意即直角三角形的两条直角边是3及4、则斜边是5。
三国的赵爽（约3世纪）， 在他的数学文献《勾股圆方图》中（作为《周髀算经》的注文，而被保留于该书之中）。运用弦图， 巧妙的证明了勾股定理。（如下图）他把三角形涂成红色，其面积叫「朱实」，中间正方形涂成黄色叫 做「中黄实」，也叫「差实」。他写道︰「按弦图，又可勾股相乘为朱实二，倍之为朱实四，以勾股 之差相乘为中黄实，加差实，亦称弦实」。若用现在的符号，分别用a、b、c记勾、股、弦之长，赵爽所述即：2ab+(a-b)2=c2，化简之得a2+b2=c2。
（下图是西汉的《周髀算经 》）
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