“最美麗”的十大物理實驗

　　美國的物理學(xué)家最近評出的這些實驗共同之處是：它們都“抓”住了物理學(xué)家眼中“最美麗”的科學(xué)之魂，這種美麗是一種經(jīng)典概念：最簡單的儀器和設(shè)備，最根本、最單純的科學(xué)結(jié)論，就像是一座座歷史豐碑一樣，人們長久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對自然界的認(rèn)識更加清晰。

　　無論在加速器中裂解亞原子粒子，還是測序基因序列，或分析一顆遙遠恒星的擺動，這些讓世界矚目的實驗常常動輒耗資百萬美元，產(chǎn)生出洪水般洶涌的數(shù)據(jù)，并需要超高速計算機處理幾個月。一些實驗小組因此成長為一個個的小公司。

　　羅伯特·克瑞絲是美國紐約大學(xué)石溪分校哲學(xué)系的教員、布魯克海文國家實驗室的歷史學(xué)家，他最近在美國的物理學(xué)家中作了一次調(diào)查，要求他們提名歷史上最美麗的科學(xué)實驗。9月份出版的《物理學(xué)世界》刊登了排名前10位的最美麗實驗，其中的大多數(shù)都是我們耳熟能詳?shù)慕?jīng)典之作。令人驚奇的是這十大實驗中的絕大多數(shù)是科學(xué)家獨立完成，最多有一兩個助手。所有的實驗都是在實驗桌上進行的，沒有用到什么大型計算工具比如電腦一類，最多不過是把直尺或者是計算器。

　　所有這些實驗共同之處是他們都僅僅“抓”住了物理學(xué)家眼中“最美麗”的科學(xué)之魂，這種美麗是一種經(jīng)典概念：最簡單的儀器和設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學(xué)概念，就像是一座座歷史豐碑一樣，人們長久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對自然界的認(rèn)識更加清晰。

　　從十大經(jīng)典科學(xué)實驗評選本身，我們也能清楚地看出2000年來科學(xué)家們最重大的發(fā)現(xiàn)軌跡，就像我們“鳥瞰”歷史一樣。

　　《物理學(xué)世界》對這些實驗進行的排名是根據(jù)公眾對它們的認(rèn)識程度，排在第一位的是展示物理世界量子特征的實驗。但是，科學(xué)的發(fā)展是一個積累的過程，9月25日的美國《紐約時報》根據(jù)時間順序?qū)�這些實驗重新排序，并作了簡單的解釋。

　　埃拉托色尼測量地球圓周長

　　古埃及的一個現(xiàn)名為阿斯旺的小鎮(zhèn)。在這個小鎮(zhèn)上，夏至日正午的陽光懸在頭頂：物體沒有影子，陽光直接射入深水井中。埃拉托色尼是公元前3世紀(jì)亞歷山大圖書館館長，他意識到這一信息可以幫助他估計地球的周長。在以后幾年里的同一天、同一時間，他在亞歷山大測量了同一地點的物體的影子。發(fā)現(xiàn)太陽光線有輕微的傾斜，在垂直方向偏離大約7度角。

　　剩下的就是幾何學(xué)問題了。假設(shè)地球是球狀，那么它的圓周應(yīng)跨越360度。如果兩座城市成7度角，就是7／360的圓周，就是當(dāng)時5000個希臘運動場的距離。因此地球周長應(yīng)該是25萬個希臘運動場。今天，通過航跡測算，我們知道埃拉托色尼的測量誤差僅僅在5％以內(nèi)。（排名第七）

　　伽利略的自由落體實驗

　　在16世紀(jì)末，人人都認(rèn)為重量大的物體比重量小的物體下落得快，因為偉大的亞里士多德已經(jīng)這么說了。伽利略，當(dāng)時在比薩大學(xué)數(shù)學(xué)系任職，他大膽地向公眾的觀點挑戰(zhàn)。著名的比薩斜塔實驗已經(jīng)成為科學(xué)中的一個故事：他從斜塔上同時扔下一輕一重的物體，讓大家看到兩個物體同時落地。伽利略挑戰(zhàn)亞里士多德的代價也許是他失去了工作，但他展示的是自然界的本質(zhì)，而不是人類的權(quán)威，科學(xué)作出了最后的裁決。（排名第二）

　　伽利略的加速度實驗

　　伽利略繼續(xù)提煉他有關(guān)物體移動的觀點。他做了一個6米多長，3米多寬的光滑直木板槽。再把這個木板槽傾斜固定，讓銅球從木槽頂端沿斜面滑下，并用水鐘測量銅球每次下滑的時間，研究它們之間的關(guān)系。亞里士多德曾預(yù)言滾動球的速度是均勻不變的：銅球滾動兩倍的時間就走出兩倍的路程。伽利略卻證明銅球滾動的路程和時間的平方成比例：兩倍的時間里，銅球滾動4倍的距離，因為存在恒定的重力加速度。（排名第八）

　　牛頓的棱鏡分解太陽光

　　艾薩克·牛頓出生那年，伽利略與世長辭。牛頓1665年畢業(yè)于劍橋大學(xué)的三一學(xué)院，后來因躲避鼠疫在家里呆了兩年，后來順利地得到了工作。

　　當(dāng)時大家都認(rèn)為白光是一種純的沒有其它顏色的光（亞里士多德就是這樣認(rèn)為的），而彩色光是一種不知何故發(fā)生變化的光。

　　為了驗證這個假設(shè)，牛頓把一面三棱鏡放在陽光下，透過三棱鏡，光在墻上被分解為不同顏色，后來我們稱作為光譜。人們知道彩虹的五顏六色，但是他們認(rèn)為那是因為不正常。牛頓的結(jié)論是：正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎(chǔ)色有不同的色譜才形成了表面上顏色單一的白色光，如果你深入地看看，會發(fā)現(xiàn)白光是非常美麗的。（排名第四）

　　卡文迪許扭矩實驗

　　牛頓的另一偉大貢獻是他的萬有引力定律，但是萬有引力到底多大？

　　18世紀(jì)末，英國科學(xué)家亨利·卡文迪許決定要找出這個引力。他將兩邊系有小金屬球的6英尺木棒用金屬線懸吊起來，這個木棒就像啞鈴一樣。再將兩個350磅重的鉛球放在相當(dāng)近的地方，以產(chǎn)生足夠的引力讓啞鈴轉(zhuǎn)動，并扭轉(zhuǎn)金屬線。然后用自制的儀器測量出微小的轉(zhuǎn)動。

　　測量結(jié)果驚人的準(zhǔn)確，他測出了萬有引力恒量的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上卡文迪許計算地球的密度和質(zhì)量�？ㄎ牡显S的計算結(jié)果是：地球重6.0×1024公斤，或者說13萬億萬億磅。（排名第六）

　　托馬斯·楊的光干涉實驗

　　牛頓也不是永遠正確。在多次爭吵后，牛頓讓科學(xué)界接受了這樣的觀點：光是由微粒組成的，而不是一種波。1830年，英國醫(yī)生、物理學(xué)家托馬斯·楊用實驗來驗證這一觀點。他在百葉窗上開了一個小洞，然后用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個很小的洞。讓光線透過，并用一面鏡子反射透過的光線。然后他用一個厚約1／30英寸的紙片把這束光從中間分成兩束。結(jié)果看到了相交的光線和陰影。這說明兩束光線可以像波一樣相互干涉。這個實驗為一個世紀(jì)后量子學(xué)說的創(chuàng)立起到了至關(guān)重要的作用。（排名第五）

　　米歇爾·傅科鐘擺實驗

　　去年，科學(xué)家們在南極安置一個擺鐘，并觀察它的擺動。他們是在重復(fù)1851年巴黎的一個著名實驗。1851年法國科學(xué)家傅科在公眾面前做了一個實驗，用一根長220英尺的鋼絲將一個62磅重的頭上帶有鐵筆的鐵球懸掛在屋頂下，觀測記錄它前后擺動的軌跡。周圍觀眾發(fā)現(xiàn)鐘擺每次擺動都會稍稍偏離原軌跡并發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，無不驚訝。實際上這是因為房屋在緩緩移動。傅科的演示說明地球是在圍繞地軸自轉(zhuǎn)的。在巴黎的緯度上，鐘擺的軌跡是順時針方向，30小時一周期。在南半球，鐘擺應(yīng)是逆時針轉(zhuǎn)動，而在赤道上將不會轉(zhuǎn)動。在南極，轉(zhuǎn)動周期是24小時。（排名第十）

　　羅伯特·米利肯的油滴實驗

　　很早以前，科學(xué)家就在研究電。人們知道這種無形的物質(zhì)可以從天上的閃電中得到，也可以通過摩擦頭發(fā)得到。1897年，英國物理學(xué)家J·J·托馬斯已經(jīng)確立電流是由帶負電粒子即電子組成的。1909年美國科學(xué)家羅伯特·米利肯開始測量電流的電荷。

　　米利肯用一個香水瓶的噴頭向一個透明的小盒子里噴油滴。小盒子的頂部和底部分別連接一個電池，讓一邊成為正電板，另一邊成為負電板。當(dāng)小油滴通過空氣時，就會吸一些靜電，油滴下落的速度可以通過改變電板間的電壓來控制。

　　米利肯不斷改變電壓，仔細觀察每一顆油滴的運動。經(jīng)過反復(fù)試驗，米利肯得出結(jié)論：電荷的值是某個固定的常量，最小單位就是單個電子的帶電量。（排名第三）

　　盧瑟福發(fā)現(xiàn)核子實驗

　　1911年盧瑟福還在曼徹斯特大學(xué)做放射能實驗時，原子在人們的印象中就好像是“葡萄干布丁”，大量正電荷聚集的糊狀物質(zhì)，中間包含著電子微粒。但是他和他的助手發(fā)現(xiàn)向金箔發(fā)射帶正電的阿爾法微粒時有少量被彈回，這使他們非常吃驚。盧瑟福計算出原子并不是一團糊狀物質(zhì)，大部分物質(zhì)集中在一個中心小核上，現(xiàn)在叫作核子，電子在它周圍環(huán)繞。（排名第九）

　　托馬斯·楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉實驗

　　牛頓和托馬斯·楊對光的性質(zhì)研究得出的結(jié)論都不完全正確。光既不是簡單的由微粒構(gòu)成，也不是一種單純的波。20世紀(jì)初，麥克斯·普克朗和阿爾伯特·愛因斯坦分別指出一種叫光子的東西發(fā)出光和吸收光。但是其他實驗還是證明光是一種波狀物。經(jīng)過幾十年發(fā)展的量子學(xué)說最終總結(jié)了兩個矛盾的真理：光子和亞原子微粒（如電子、光子等等）是同時具有兩種性質(zhì)的微粒，物理上稱它們：波粒二象性。

　　將托馬斯·楊的雙縫演示改造一下可以很好地說明這一點�？茖W(xué)家們用電子流代替光束來解釋這個實驗。根據(jù)量子力學(xué)，電粒子流被分為兩股，被分得更小的粒子流產(chǎn)生波的效應(yīng)，它們相互影響，以至產(chǎn)生像托馬斯·楊的雙縫演示中出現(xiàn)的加強光和陰影。這說明微粒也有波的效應(yīng)。

　　這一期《物理學(xué)世界》上另一篇由編輯彼特·羅格斯寫的文章推測，直到1961年，某一位科學(xué)家才在真實的世界里做出了這一實驗。（排名第一）

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