十大最美丽的物理实验

我们无论何时都生活在一个个活生生的充满着奇妙的各种物理现象的世界中，但是美国的物理学家们在2002年评出了十个最“美丽”的物理实验，它 们的共同特点是：“都‘抓’住了物理学家眼中的“最美丽”的科学之魂。”这种美丽是一种经典概念：最简单的仪器和设备，最根本、最单纯的科学结论，就像是 一座座历史丰碑一样，人们长久的困惑和含糊一瞬之间一扫而空，人们对自然界的认识更加清晰。

　　无论在加速器中裂解亚原子粒子，还是测序基因序列，或分析一颗遥远恒星的摆动，这些让世界瞩目的实验常常动辄耗资百万美元，产生出洪水般汹涌的数据，并需要超高速计算机处理几个月。一些实验小组因此成长为一个个的小公司。

　　罗伯特·克瑞丝是美国纽约大学石溪分校哲学系的教员、布鲁克海文国家实验室的历史学家，他最近在美国的物理学家中作了一次调查，要求他们提 名历史上最美丽的科学实验。在2002年9月份出版的《物理学世界》刊登了排名前10位的最美丽实验，其中的大多数都是我们耳熟能详的经典之作。令人惊奇 的是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。所有的实验都是在实验桌上进行的，没有用到什么大型计算工具，比如电脑一类，最多不过 是直尺或者计算器。从十大经典科学实验评选本身，我们也能清楚地看出2000年来科学家们最重大的发现轨迹，就像我们“鸟瞰”历史一样。

　　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。光既不是简单的由微粒构成，也不是一种单纯的波。20世纪初，麦克斯·普克朗和阿 尔伯特·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：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，称为物质波，也叫德布罗意 波。

　　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，当时在比萨大学数学系任职，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。伽利略挑战亚里 士多德的代价也许是他失去了工作，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。并且由于伽利略对自由落体的研究，开创了研究自然 规律的科学方法，这就是抽象思维、数学推导和科学实验相结合的方法，这种方法对于后来的科学研究具有重大的启蒙作用，至今仍不失为重要的科学方法之一。

　　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·米利肯开始测量电流的电荷。

米利肯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，让一边成为正电板，另一边成为负电板。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间的电压来控制。

　　米利肯不断改变电压，仔细观察每一颗油滴的运动。经过反复试验，米利肯得出结论：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。

　　艾萨克·牛顿出生那年，伽利略与世长辞。伟大原来也有巧合……

　　当时大家都认为白光是一种纯的没有其它颜色的光（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，但是他们认为那是因为不正常。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。如右图所示：

　　牛顿也不是永远正确。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。1830年，英国医生、物理学家托马 斯·杨用实验来验证光是波这一观点。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1／30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。

　　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·卡文迪许决定要找出这个引力。他将两边系有小金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样。再 将两个350磅重的铅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。测量结果惊人的准确，他测出了 万有引力恒量的参数，在此基础上卡文迪许计算地球的密度和质量。卡文迪许的计算结果是：地球重5.89×1024公斤，或者说13万亿万亿磅。

　　埃拉托色尼（Eratosthenes，约前276～约前194）因创用地理学（geographica）一词，在西方被称为地理学之父。 埃拉托色尼生于昔兰尼，卒于亚历山大，曾在埃及亚历山大城图书馆馆长。他利用太阳光线在两个地方“一正一斜”照射的现象，不仅说明了大地是球形的，而且巧 妙地计算出了地球的大小。

　　埃拉托色尼测量地球大小的方法既简单又科学，如图1所示。在6月21日（夏至日）这一天，他选择同一子午线上的两地西恩纳（Syene，今 天的阿斯旺）和亚历山大，进行太阳位置观察的比较。在西恩纳附近的尼罗河的一个河心岛洲上有一口深井，夏至日那天太阳光可直射井底。这一现象闻名已久，它 表明太阳在夏至日正好位于天顶。与此同时，他在亚历山大里亚选择一个很高的方尖塔作为日文，并测量了夏至日那天塔的阴影长度，这样他就可以量出直立的方尖 塔和太阳光射线之间的角度，埃拉托色尼通过观测得到了这一角度为7˚12′，之后他运用了平行线的相关性质，得知西恩纳与亚历山大的连线对地心的圆心角也 是这个数值，即相当于圆周角360˚的l／50。由此表明，这一角度对应的弧长，即从西恩纳到亚历山大里亚的距离，应相当于地球周长的1/50。

　　接着埃拉托色尼借助于皇家测量员的测地资料，测量得到这两个城市的距离是5000希腊里。一旦得到这个结果，地球周长只要乘以50即可，结 果为25万希腊里。为了符合传统的圆周为60等分制，埃拉托色尼将这一数值提高到252 000希腊里，以便可被60除尽。埃及的希腊里约为157．5米，可换算为现代的公制，地球圆周长约为39375公里，经埃拉托色尼修订后为39360公 里，这与现在的测得数据惊人地相近。

　　伽利略继续提炼他有关物体移动的观点。他做了一个6米多长，3米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑 下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，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 明铜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4倍的距离，因为存在恒定的重力加速度。

　　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就好像是"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阿尔法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。

　　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磅重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。实际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。

　　科学是美丽的，但是美丽东西的获取总是要付出代价的。科学探索需要睿智头脑，敏捷的思维，丰富的想象力；更加需要坚忍不拔品质，持之以恒的精神；不畏困难，勇于攀登！

　　无论是牛顿还是伽利略，他们都是人类的英雄。他们不仅揭开了自然之迷，还留给人类了最宝贵的财产——自强，自立，自信，敢于挑战失败，敢于 向自然说“不”！或许我们没有他们过人的才智，但是我们要有善于发现的眼睛，对待科学的热情！年轻是我们的资本，我们要用它在科学的伟大殿塔中，找到属于 自己的一片蓝天！年轻的一代，勇敢的向科学进军吧！