物理学史上十大最美丽的实验

专题简介

        这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成的，最多有一两个助手。所有的实验都“抓”住了物理学家眼中“最漂亮”的科学之魂，这种漂亮是一种经典概念：使用最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，就像是一座座历史丰碑一样，人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界的认识更加清晰。

第10名：

傅科钟摆实验

2001年，科学家们在南极安置一个摆钟，并观察它的摆动。他们是在重复1851年巴黎的一个著名实验。1851年，法国科学家傅科在公众面前做了一个实验，用一根长220英尺的钢丝将一个62磅的头上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下，观测记录它前后摆动的轨迹。周围观众发现钟摆每次摆动都会稍稍偏离原轨迹并发生旋转时，无不惊讶。实验上这是因为房屋在缓缓移动。傅科的演示说明地球是在围绕地轴自转的。在巴黎的纬度上，钟摆的轨迹是顺时针方向，30小时一周期。在南半球，钟摆应是逆时针转动，而在赤道上将不会转动。在南极，转动周期是24小时。

第9名：

卢瑟福发现核子实验

1911年卢瑟福还在曼彻斯特大学做放射能实验时，原子在人们的印象中好像是“葡萄干布丁”，大量正电荷聚集的糊状物质，中间包含着电子微粒。但是他和他的助手发现向金箔发射带正电的α微粒时有少量被弹回，这使他们非常吃惊。卢瑟福计算出原子并不是一团糊状物质，大部分物质集中在一个中心小核上，现在叫作核子，电子在它周围环绕。

第8名：

伽利略的加速度实验

伽利略提炼他有关物体移动的观点。他做了一个6m多长、3m多宽的光滑直木板槽，再把这个木板槽倾斜固定，让钢球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量钢球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。亚里士多德曾预言滚动球的速度是均匀不变的：铜球滚动两倍的时间就走出两倍的路程。伽利略却证明钢球滚动的路程和时间的平方成比例：两倍的时间里，铜球滚动了4倍的距离，因为存在恒定的重力加速度。

第7名：

埃拉托色尼测量地球圆周长

古埃及有一个现名为阿斯旺的小镇。在这个小镇上，夏至日正午的阳光悬在头顶，物体没有影子，阳光直接射入深水井中。埃拉托色尼是公元前3世纪亚历山大图书馆的馆长，他意识到这一信息可以帮助他估计地球的周长。在以后几年里的同一天、同一时间，他在亚历山大测量了同一地点的物体的影子。发现太阳光线有轻微的倾斜，在垂直方向偏离了大约7°。假设地球是球状，那么它的圆周应跨越360°。如果两座城市成7°，就是7／360的圆周，就是当时5000个希腊运动场的距离。因此地球周长应该是25万个希腊运动场。今天，通过航迹测算，我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在5％以内。

第6名：

卡文迪什扭秤实验

牛顿的另一伟大贡献是他的万有引力定律，但是万有引力到底多大？

18世纪末，英国科学家亨利·卡文迪什决定要找出这个引力。他将小金属球系在长为6英尺（1英尺等于0.305米）木棒的两边并用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样。再将两个350磅（1磅等于0.4536千克）的铜球放在相当近的地方，以产生足够的引力让哑铃转动，并扭转金属线。然后用自制的仪器测量出微小的转动。测量结果惊人地准确，他测出了万有引力恒量的参数，在此基础上卡文迪什计算地球的密度和质量。卡文迪什的计算结果是地球的质量为6.0 x10^24kg．

第5名：

托马斯·杨的光干涉实验

在多次争吵后，牛顿让科学界接受了这样的观点：光是由微粒组成的，而不是一种波。但牛顿也不是永远正确的。1830年，英国医生、物理学家托马斯·杨用实验来验证这一观点。他在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸片盖住，再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过，并用一面镜子反射透过的光线。然后他用一个厚约三十分之一英寸的纸片把这束光从中间分成两束。结果看到了相交的光线和阴影。这说明两束光线可以像波一样相互干涉。这个实验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。

第4名：

牛顿的棱镜色散实验

牛顿出生那年，伽利略与世长辞。牛顿1665年毕业于剑桥大学的三一学院，因躲避鼠疫在家里呆了两年，后来顺利地得到了工作。

当时大家都认为白光是一种纯的没有其他颜色的光（亚里士多德就是这样认为的），而彩色光是一种不知何故发生变化的光。

为了验证这个假设，牛顿把一面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，光在墙上被分解为不同颜色，后来我们称作为光谱。人们知道彩虹的五颜六色，但却不知其原因。牛顿的结论是：正是这些红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色有不同的色谱才形成了表面上颜色单一的白色光，如果你深入地看看，会发现白光是非常美丽的。

第3名：

密立根的油滴实验

很早以前，科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到，也可以通过摩擦头发得到。1897年，英国物理学家J·J·托马斯已经确立电流是由带负电粒子即电子组成的。1909年，美国科学家罗伯特·密立根开始测量电流的电荷。

密立根用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别连接一个电池，让一边成为正电极，另一边成为负电极。当小油滴通过空气时，就会吸一些静电，油滴下落的速度可以通过改变电板问的电压来控制。

密立根不断改变电压，仔细观察每一颗油滴的运动。经过反复试验，10年后，密立根得出结论：电荷的值是某个固定的常量，最小单位就是单个电子的带电量。

第2名：

伽利略的自由落体实验

在16世纪末，人人都认为重量大的物体比重量小的物体下落得快，因为伟大的亚里士多德已经这么说了。伽利略，当时在比萨大学任职，他大胆地向公众的观点挑战。著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个故事：他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，让大家看到两个物体同时落地。枷利略挑战亚里士多德的代价也使他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学作出了最后的裁决。

第1名：

托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验

牛顿和托马斯·杨对光的性质研究得出的结论都不完全正确。光既不是简单地由微粒构成，也不是一种单纯的波。20世纪初，普朗克和爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其他实验还是证明光是一种波状物。经过几十年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理：光子和亚原子微粒（如电子、光子等等）是同时具有两种性质的微粒，物理上称它们具有波粒二象性。

将托马斯·杨的双缝演示改造一下可以很好地说明这一点。科学家们用电子流代替光束来解释这个实验。根据量子力学，电粒子流被分为两股，被分得更小的粒子流产生波的效应，它们相互影响，以至产生像托马斯·杨的双缝演示中出现的加强光和阴影。这说明微粒也有波的效应。

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