“最美麗”的十大物理實驗

　　最簡單的儀器和設備，發(fā)現了最根本、最單純的科學概念，這些“抓”住了物理學家眼中“最美的”科學之魂的實驗，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，對自然界的認識更加清晰。

　　羅伯特·克瑞絲是美國紐約大學石溪分校哲學系的教員、布魯克海文國家實驗室的歷史學家，他最近在美國的物理學家中作了一次調查，要求他們提名歷史上最美麗的科學實驗。9月份出版的《物理學世界》刊登了排名前10位的最美麗實驗，其中的大多數都是我們耳熟能詳的經典之作。令人驚奇的是這十大實驗中的絕大多數是科學家獨立完成，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。

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

　　《物理學世界》對這些實驗進行的排名是根據公眾對它們的認識程度，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》根據時間順序對這些實驗重新排序，并作了簡單的解釋。

　　埃拉托色尼測量地球圓周長

　　古埃及的一個現名為阿斯旺的小鎮(zhèn)。在這個小鎮(zhèn)上，夏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，他在亞歷山大量了同一地點的物體的影子。發(fā)現太陽光線有輕微的傾斜，在垂直向偏離大約7度角。

　　剩下的就是幾何學問題了。假設地球是球狀，那么它的圓周應跨360度。如果兩座城市成7度角，就是7／360的圓周，就是當時5000個希臘運動場的距離。因此地球周長應該是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。（排名第七）

　　伽利略的自由落體實驗

　　在16世紀末，人人都認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這么說了。伽利略，當時在比薩大學數學系任職，他大膽地向公眾的觀點挑戰(zhàn)。著名的比薩斜塔實驗已經成為科學中的一個故事：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使他失去了工作，但他展示的是自然界的本質，而不是人類的權威，科學做出了最后的裁決。（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，研究它們之間的關系。亞里士多德曾預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)于劍橋大學的三一學院，后因躲避鼠疫在家里呆了兩年，再后來順利地得到了工作。當時大家都認為白光是一種純的沒有其他顏色的光（亞里士多德就是這樣認為的），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，牛頓把一面三棱鏡放在陽光下，透過三棱鏡，在墻上被分解為不同顏色，后來我們稱作為光譜。人們知道彩虹的顏六色，但是他們認為那是因為不正常。牛頓的結論是：正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎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？

　　18世紀末，英國科學家亨利·卡文迪許決定要找出這個引力。他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近的地方，以產生足夠的引力讓啞鈴轉動，并扭動金屬線。然后用自制的儀器測量出微小的

　　轉動。

　　測量結果驚人的準確，他測出了萬有引力恒量的參數，在此基礎上卡文迪許計算地球的密度和質量。卡文迪許的計算結果是：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后量子學說的創(chuàng)立起到了至關重要的作用。（排名第五）

　　米歇爾·傅科鐘擺實驗

　　去年，科學家們在南極安置一個擺鐘，并觀察它的擺動。他們是重復1851年巴黎的一個著名實驗。1851年法國科學家米歇爾·傅科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)現鐘擺每次擺動都會稍稍偏離原軌跡并發(fā)生旋轉時，無不驚。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，鐘擺應是逆時針轉動，而在赤道上將不會轉動。在南極，轉動周期是24小時。（排名第十）

　　羅伯特·米利肯的油滴實驗

　　很早以前，科學家就在研究電。人們知道這種無形的物質可以從上的閃電中得到，也可以通過摩擦頭發(fā)得到。1897年，英國物理學家J·J·托馬斯已經確立電流是由帶負電粒子即電子組成的。1909年美國科學家羅伯特·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。經過反復試，米利肯得出結論：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)現核子實驗

　　1911年盧瑟福還在曼徹斯特大學做放射能實驗時，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，中間包含著電子微粒。但是他和他的助手發(fā)現向金箔發(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團糊狀物質，大部分物質集中在一個中心小核上，現在叫做核子，

　　電子在它周圍環(huán)繞。（排名第九）

　　托馬斯·楊的雙縫演示應用于電子干涉實驗牛頓和托馬斯·楊對光的性質研究得出的結論都不完全正確。光既不是簡單的由微粒構成，也不是一種單純的波。20世紀初，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。經過幾十年發(fā)展的量子學說最終總結了兩個矛盾的真理：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。科學們用電子流代替光束來解釋這個實驗。根據量子力學，電粒子流被分為兩股，被分得更小的粒子流產生波的效應，它們相互影響，以至產生像托馬斯·楊的雙縫演示中出現的加強光和陰影。這說明微粒也有波的效應。

　　《物理學世界》編輯彼特·羅格斯推測，直到1961年，某一位科學家才在真實的世界里做出了這一實驗。（排名第一）

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