“最美麗”的十大物理實(shí)驗(yàn)

1、 “最美麗”的十大物理實(shí)驗(yàn) 美國(guó)的物理學(xué)家最近評(píng)出的這些實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(zhǎng)久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更加清晰。無(wú)論在加速器中裂解亞原子粒子，還是測(cè)序基因序列，或分析一顆遙遠(yuǎn)恒星的擺動(dòng)，這些讓世界矚目的實(shí)驗(yàn)常常動(dòng)輒耗資百萬(wàn)美元，產(chǎn)生出洪水般洶涌的數(shù)據(jù)，并需要超高速計(jì)算機(jī)處理幾個(gè)月。一些實(shí)驗(yàn)小組因此成長(zhǎng)為一個(gè)個(gè)的小公司。羅伯特克瑞絲是美國(guó)紐約大學(xué)石溪分校哲學(xué)系的教員、布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的歷史學(xué)家，他最近在美國(guó)的物理學(xué)家中作了一次調(diào)

2、查，要求他們提名歷史上最美麗的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)中的絕大多數(shù)是科學(xué)家獨(dú)立完成，最多有一兩個(gè)助手。所有的實(shí)驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)桌上進(jìn)行的，沒(méi)有用到什么大型計(jì)算工具比如電腦一類，最多不過(guò)是把直尺或者是計(jì)算器。所有這些實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(zhǎng)久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更加清晰。從十大經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)評(píng)選本身，我們也能清楚地看出2000年來(lái)

3、科學(xué)家們最重大的發(fā)現(xiàn)軌跡，就像我們“鳥(niǎo)瞰”歷史一樣。物理學(xué)世界對(duì)這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的排名是根據(jù)公眾對(duì)它們的認(rèn)識(shí)程度，排在第一位的是展示物理世界量子特征的實(shí)驗(yàn)。但是，科學(xué)的發(fā)展是一個(gè)積累的過(guò)程，9月25日的美國(guó)紐約時(shí)報(bào)根據(jù)時(shí)間順序?qū)@些實(shí)驗(yàn)重新排序，并作了簡(jiǎn)單的解釋。埃拉托色尼測(cè)量地球圓周長(zhǎng)古埃及的一個(gè)現(xiàn)名為阿斯旺的小鎮(zhèn)。在這個(gè)小鎮(zhèn)上，夏至日正午的陽(yáng)光懸在頭頂：物體沒(méi)有影子，陽(yáng)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(shū)館館長(zhǎng)，他意識(shí)到這一信息可以幫助他估計(jì)地球的周長(zhǎng)。在以后幾年里的同一天、同一時(shí)間，他在亞歷山大測(cè)量了同一地點(diǎn)的物體的影子。發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光線有輕微的傾斜，在垂直方向偏離大約7度角

4、。剩下的就是幾何學(xué)問(wèn)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7360的圓周，就是當(dāng)時(shí)5000個(gè)希臘運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的距離。因此地球周長(zhǎng)應(yīng)該是25萬(wàn)個(gè)希臘運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。今天，通過(guò)航跡測(cè)算，我們知道埃拉托色尼的測(cè)量誤差僅僅在5以內(nèi)。（排名第七）伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)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?yàn)閭ゴ蟮膩喞锸慷嗟乱呀?jīng)這么說(shuō)了。伽利略，當(dāng)時(shí)在比薩大學(xué)數(shù)學(xué)系任職，他大膽地向公眾的觀點(diǎn)挑戰(zhàn)。著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為科學(xué)中的一個(gè)故事：他從斜塔上同時(shí)扔下一輕一重的物體，讓大家看到兩個(gè)物體同時(shí)落地。伽利略挑戰(zhàn)亞里士多德的代價(jià)也許是他失去了工作，但他展示的是自

5、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(shí)驗(yàn)伽利略繼續(xù)提煉他有關(guān)物體移動(dòng)的觀點(diǎn)。他做了一個(gè)6米多長(zhǎng)，3米多寬的光滑直木板槽。再把這個(gè)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(cè)量銅球每次下滑的時(shí)間，研究它們之間的關(guān)系。亞里士多德曾預(yù)言滾動(dòng)球的速度是均勻不變的：銅球滾動(dòng)兩倍的時(shí)間就走出兩倍的路程。伽利略卻證明銅球滾動(dòng)的路程和時(shí)間的平方成比例：兩倍的時(shí)間里，銅球滾動(dòng)4倍的距離，因?yàn)榇嬖诤愣ǖ闹亓铀俣?。（排名第八）牛頓的棱鏡分解太陽(yáng)光艾薩克牛頓出生那年，伽利略與世長(zhǎng)辭。牛頓1665年畢業(yè)于劍橋大學(xué)的三一學(xué)院，后來(lái)因躲避鼠疫在家里呆了兩年，后來(lái)順利地得

6、到了工作。當(dāng)時(shí)大家都認(rèn)為白光是一種純的沒(méi)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(yàn)證這個(gè)假設(shè)，牛頓把一面三棱鏡放在陽(yáng)光下，透過(guò)三棱鏡，光在墻上被分解為不同顏色，后來(lái)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?yàn)椴徽?。牛頓的結(jié)論是：正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、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(huì)發(fā)現(xiàn)白光是非常美麗的。（排名第四）卡文迪許扭矩實(shí)驗(yàn)牛頓的另一偉大貢獻(xiàn)是他的萬(wàn)有引力定律，但是萬(wàn)有引力到底多大？18世紀(jì)末，英國(guó)科學(xué)家亨利卡文迪許決定要找出這個(gè)引力。他將兩邊系有小金屬球的6英尺木棒用金屬線懸

7、吊起來(lái)，這個(gè)木棒就像啞鈴一樣。再將兩個(gè)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(dòng)，并扭轉(zhuǎn)金屬線。然后用自制的儀器測(cè)量出微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)量結(jié)果驚人的準(zhǔn)確，他測(cè)出了萬(wàn)有引力恒量的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上卡文迪許計(jì)算地球的密度和質(zhì)量。卡文迪許的計(jì)算結(jié)果是：地球重6.01024公斤，或者說(shuō)13萬(wàn)億萬(wàn)億磅。（排名第六）托馬斯楊的光干涉實(shí)驗(yàn)牛頓也不是永遠(yuǎn)正確。在多次爭(zhēng)吵后，牛頓讓科學(xué)界接受了這樣的觀點(diǎn)：光是由微粒組成的，而不是一種波。1830年，英國(guó)醫(yī)生、物理學(xué)家托馬斯楊用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一觀點(diǎn)。他在百葉窗上開(kāi)了一個(gè)小洞，然后用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個(gè)很小的洞。讓光線透過(guò)，并用一面鏡子反射透過(guò)的光

8、線。然后他用一個(gè)厚約130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(shuō)明兩束光線可以像波一樣相互干涉。這個(gè)實(shí)驗(yàn)為一個(gè)世紀(jì)后量子學(xué)說(shuō)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(shí)驗(yàn)去年，科學(xué)家們?cè)谀蠘O安置一個(gè)擺鐘，并觀察它的擺動(dòng)。他們是在重復(fù)1851年巴黎的一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)。1851年法國(guó)科學(xué)家傅科在公眾面前做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用一根長(zhǎng)220英尺的鋼絲將一個(gè)62磅重的頭上帶有鐵筆的鐵球懸掛在屋頂下，觀測(cè)記錄它前后擺動(dòng)的軌跡。周圍觀眾發(fā)現(xiàn)鐘擺每次擺動(dòng)都會(huì)稍稍偏離原軌跡并發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)不驚訝。實(shí)際上這是因?yàn)榉课菰诰従徱苿?dòng)。傅科的演示說(shuō)明地球是在圍繞地軸自轉(zhuǎn)的。在巴黎的緯度上，鐘

9、擺的軌跡是順時(shí)針?lè)较颍?0小時(shí)一周期。在南半球，鐘擺應(yīng)是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而在赤道上將不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。在南極，轉(zhuǎn)動(dòng)周期是24小時(shí)。（排名第十）羅伯特米利肯的油滴實(shí)驗(yàn)很早以前，科學(xué)家就在研究電。人們知道這種無(wú)形的物質(zhì)可以從天上的閃電中得到，也可以通過(guò)摩擦頭發(fā)得到。1897年，英國(guó)物理學(xué)家JJ托馬斯已經(jīng)確立電流是由帶負(fù)電粒子即電子組成的。1909年美國(guó)科學(xué)家羅伯特米利肯開(kāi)始測(cè)量電流的電荷。米利肯用一個(gè)香水瓶的噴頭向一個(gè)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(gè)電池，讓一邊成為正電板，另一邊成為負(fù)電板。當(dāng)小油滴通過(guò)空氣時(shí)，就會(huì)吸一些靜電，油滴下落的速度可以通過(guò)改變電板間的電壓來(lái)控制。米利肯不斷改變電壓

10、，仔細(xì)觀察每一顆油滴的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，米利肯得出結(jié)論：電荷的值是某個(gè)固定的常量，最小單位就是單個(gè)電子的帶電量。（排名第三）盧瑟福發(fā)現(xiàn)核子實(shí)驗(yàn)1911年盧瑟福還在曼徹斯特大學(xué)做放射能實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)有少量被彈回，這使他們非常吃驚。盧瑟福計(jì)算出原子并不是一團(tuán)糊狀物質(zhì)，大部分物質(zhì)集中在一個(gè)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(shí)驗(yàn)牛頓和托馬斯楊對(duì)光的性質(zhì)研究得出的結(jié)論都不完全正確。光既不是簡(jiǎn)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(ài)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(shí)驗(yàn)還是證明光是一種波狀物。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展的量子學(xué)說(shuō)最終總結(jié)了兩個(gè)矛盾的真理：光子和亞原子微粒（如電子、光子等等）是同時(shí)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(shuō)