歷史上的十大經(jīng)典物理實驗

　　2002 年，美國兩位學者在全美物理學家中做了一次調(diào)查，請他們提名有史以來最出色的十大物理實驗，其中多數(shù)都是我們耳熟能詳?shù)慕?jīng)典之作。令人驚奇的是十大經(jīng)典物理實驗的核心是他們都抓住了物理學家眼中最美麗的科學之魂：由簡單的儀器和設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學概念。十大經(jīng)典物理實驗猶如十座歷史豐碑，掃開人們長久的困惑和含糊，開辟了對自然界的嶄新認識。從十大經(jīng)典物理實驗評選本身，我們也能清楚地看出 2000 年來科學家們最重大的發(fā)現(xiàn)軌跡，就像我們“鳥瞰”歷史一樣。

　　十大經(jīng)典物理實驗

　　排名第一：托馬斯·楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉實驗

　　在20世紀初的一段時間中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了微觀客體(光子、電子、質(zhì)子、中子等)既有波動性，又有粒子性，即所謂的“波粒二象性”。“波動”和“粒子”都是經(jīng)典物理學中從宏觀世界里獲得的概念，與我們的直觀經(jīng)驗較為相符。然而，微觀客體的行為與人們的日常經(jīng)驗畢竟相差很遠。如何按照現(xiàn)代量子物理學的觀點去準確認識、理解微觀世界本身的規(guī)律，電子雙縫干涉實驗為一典型實例。

　　楊氏的雙縫干涉實驗是經(jīng)典的波動光學實驗，玻爾和愛因斯坦試圖以電子束代替光束來做雙縫干涉實驗，以此來討論量子物理學中的基本原理?？墒?，由于技術(shù)的原因，當時它只是一個思想實驗。直到 1961 年，約恩·孫制作出長為 50mm、寬為 0.3mm、縫間距為 1mm 的雙縫，并把一束電子加速到 50keV，然后讓它們通過雙縫。當電子撞擊熒光屏時顯示了可見的圖樣，并可用照相機記錄圖樣結(jié)果。電子雙縫干涉實驗的圖樣與光的雙縫干涉實驗結(jié)果的類似性給人們留下了深刻的印象，這是電子具有波動性的一個實證。更有甚者，實驗中即使電子是一個個地發(fā)射，仍有相同的干涉圖樣。但是，當我們試圖決定電子究竟是通過哪個縫的，不論用何手段，圖樣都立即消失，這實際告訴我們，在觀察粒子波動性的過程中，任何試圖研究粒子的努力都將破壞波動的特性，我們無法同時觀察兩個方面。要設(shè)計出一種儀器，它既能判斷電子通過哪個縫，又不干擾圖樣的出現(xiàn)是絕對做不到的。這是微觀世界的規(guī)律，并非實驗手段的不足。

　　排名第二：伽利略的自由落體實驗

　　伽利略(1564—1642)是近代自然科學的奠基者，是科學史上第一位現(xiàn)代意義上的科學家。他首先為自然科學創(chuàng)立了兩個研究法則：觀察實驗和量化方法，創(chuàng)立了實驗和數(shù)學相結(jié)合、真實實驗和理想實驗相結(jié)合的方法，從而創(chuàng)造了和以往不同的近代科學研究方法，使近代物理學從此走上了以實驗精確觀測為基礎(chǔ)的道路。愛因斯坦高度評價道：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一”。

　　16 世紀以前，希臘最著名的思想家和哲學家亞里斯多德是第一個研究物理現(xiàn)象的科學巨人，他的《物理學》一書是世界上最早的物理學專著。但是亞里斯多德在研究物理學時并不依靠實驗，而是從原始的直接經(jīng)驗出發(fā)，用哲學思辨代替科學實驗。亞里斯多德認為每一個物體都有回到自然位置的特性，物體回到自然位置的運動就是自然運動。這種運動取決于物體的本性，不需要外部的作用。自由落體是典型的自然運動，物體越重，回到自然位置的傾向越大，因而在自由落體運動中，物體越重，下落越快;物體越輕，下落越慢。

　　伽利略當時在比薩大學任職，他大膽地向亞里斯多德的觀點挑戰(zhàn)。伽利略設(shè)想了一個理想實驗：讓一重物體和一輕物體束縛在一起同時下落。按照亞里斯多德的觀點，這一理想實驗將會得到兩個結(jié)論。首先，由于這一聯(lián)結(jié)，重物受到輕物的牽連與阻礙，下落速度將會減慢，下落時間將會延長;其次，也由于這一聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)體的重量之和大于原重物體;因而下落時間會更短。顯然這是兩個截然相反的結(jié)論。

　　伽利略利用理想實驗和科學推理，巧妙地揭示了亞里斯多德運動理論的內(nèi)在矛盾，打開了亞里斯多德運動理論的缺口，導(dǎo)致了物理學的真正誕生。

　　人們傳說伽利略從比薩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，從而向世人展示了他尊重科學，不畏權(quán)威的可貴精神。

　　排名第三：羅伯特·密立根的油滴試驗

　　很早以前，科學家就在研究電。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，英國物理學家托馬斯已經(jīng)得知如何獲取負電荷電流。1909 年美國科學家羅伯特·密立根(1868—1953)開始測量電流的電荷。

　　他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放有一個通正電的電極和一個通負電的電極。當小油滴通過空氣時，就帶了一些靜電，它們下落的速度可以通過改變電極的電壓來控制。當去掉電場時，測量油滴在重力作用下的速度可以得出油滴半徑;加上電場后，可測出油滴在重力和電場力共同作用下的速度，并由此測出油滴得到或失去電荷后的速度變化。這樣，他可以一次連續(xù)幾個小時測量油滴的速度變化，即使工作因故被打斷，被電場平衡住的油滴經(jīng)過一個多小時也不會跑多遠。

　　經(jīng)過反復(fù)試驗，密立根得出結(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。他認為電子本身既不是一個假想的也不是不確定的，而是一個“我們這一代人第一次看到的事實”。他在諾貝爾獎獲獎演講中強調(diào)了他的工作的兩條基本結(jié)論，即“電子電荷總是元電荷的確定的整數(shù)倍而不是分數(shù)倍”和“這一實驗的觀察者幾乎可以認為是看到了電子”。

　　“科學是用理論和實驗這兩只腳前進的”，密立根在他的獲獎演說中講道，“有時這只腳先邁出一步，有時是另一只腳先邁出一步，但是前進要靠兩只腳：先建立理論然后做實驗，或者是先在實驗中得出了新的關(guān)系，然后再邁出理論這只腳并推動實驗前進，如此不斷交替進行”。他用非常形象的比喻說明了理論和實驗在科學發(fā)展中的作用。作為一名實驗物理學家，他不但重視實驗，也極為重視理論的指導(dǎo)作用。

　　排名第四：牛頓的棱鏡分解太陽光

　　對光學問題的研究是牛頓(1642—1727)工作的重要部分之一，亦是他最后未完成的課題。牛頓 1665 年畢業(yè)于劍橋大學的三一學院，當時大家都認為白光是一種純的沒有其他顏色的光;而有色光是一種不知何故發(fā)生變化的光(亞里斯多德的理論)。1665—1667 年間，年輕的牛頓獨自做了一系列實驗來研究各種光現(xiàn)象。他把一塊三棱鏡放在陽光下，透過三棱鏡，光在墻上被分解為不同顏色，后來我們將其稱作光譜。在他的手里首次使三棱鏡變成了光譜儀，真正揭示了顏色起源的本質(zhì)。1672 年 2 月，牛頓懷著揭露大自然奧秘的興奮和喜悅，在第一篇正式的科學論文《白光的結(jié)構(gòu)》中，闡述了他的顏色起源學說，“顏色不像一般所認為的那樣是從自然物體的折射或反射中所導(dǎo)出的光的性能，而是一種原始的、天生的性質(zhì)”。“通常的白光確實是每一種不同顏色的光線的混合，光譜的伸長是由于玻璃對這些不同的光線折射本領(lǐng)不同”。

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　　牛頓《光學》著作于 1704 年問世，其中第一節(jié)專門描述了關(guān)于顏色起源的棱鏡分光實驗和討論，肯定了白光由七種顏色組成。他還給這七種顏色進行了命名，直到現(xiàn)在，全世界的人都在使用牛頓命名的顏色。牛頓指出，“光帶被染成這樣的彩條：紫色、藍色、青色、綠色、黃色、橙色、紅色，還有所有的中間顏色，連續(xù)變化，順序連接”。正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎(chǔ)色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。

　　這一實驗后人可以不斷地重復(fù)進行，并得到與牛頓相同的實驗結(jié)果。自此以后七種顏色的理論就被人們普遍接受了。通過這一實驗，牛頓為光的色散理論奠定了基礎(chǔ)，并使人們對顏色的解釋擺脫了主觀視覺印象，從而走上了與客觀量度相聯(lián)系的科學軌道。同時，這一實驗開創(chuàng)了光譜學研究，不久，光譜分析就成為光學和物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的主要手段。

　　排名第五：托馬斯·楊的光干涉試驗

　　牛頓在其《光學》的論著中認為光是由微粒組成的，而不是一種波。因此在其后的近百年間，人們對光學的認識幾乎停滯不前，沒有取得什么實質(zhì)性的進展。1800 年英國物理學家托馬斯·楊(1773—1829)向這個觀點提出了挑戰(zhàn)，光學研究也獲得了飛躍性的發(fā)展。

　　楊在“關(guān)于聲和光的實驗與研究提綱”的論文中指出，光的微粒說存在著兩個缺點：一是既然發(fā)射出光微粒的力量是多種多樣的，那么，為什么又認為所有發(fā)光體發(fā)出的光都具有同樣的速度?二是透明物體表面產(chǎn)生部分反射時，為什么同一類光線有的被反射，有的卻透過去了呢?楊認為，如果把光看成類似于聲音那樣的波動，上述兩個缺點就會避免。

　　為了證明光是波動的，楊在論文中把“干涉”一詞引入光學領(lǐng)域，提出光的“干涉原理”，即“同一光源的部分光線當從不同的渠道，恰好由同一個方向或者大致相同的方向進人眼睛時，光程差是固定長度的整數(shù)倍時最亮，相干涉的兩個部分處于均衡狀態(tài)時最暗，這個長度因顏色而異”。楊氏對此進行了實驗，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。這就是著名的“楊氏干涉實驗”。

　　楊氏實驗是物理學史上一個非常著名的實驗，楊氏以一種非常巧妙的方法獲得了兩束相干光，觀察到了干涉條紋。他第一次以明確的形式提出了光波疊加的原理，并以光的波動性解釋了干涉現(xiàn)象。隨著光學的發(fā)展，人們至今仍能從中提取出很多重要概念和新的認識。無論是經(jīng)典光學還是近代光學，楊氏實驗的意義都是十分重大的。愛因斯坦(1879—1955)指出：光的波動說的成功，在牛頓物理學體系上打開了第一道缺口，揭開了現(xiàn)今所謂的場物理學的第一章。這個試驗也為一個世紀后量子學說的創(chuàng)立起到了至關(guān)重要的作用。

　　排名第六：卡文迪許扭矩實驗

　　牛頓的萬有引力理論指出：兩個物體之間的吸引力與它們質(zhì)量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比。但是萬有引力到底多大?

　　18 世紀末，英國科學家亨利·卡文迪什(1731—1810)決定要找到一個計算方法。他把兩頭帶有金屬球的 6 英尺長的木棒用金屬線懸吊起來。再用兩個 350 磅重的皮球分別放在兩個懸掛著的金屬球足夠近的地方，以吸引金屬球轉(zhuǎn)動，從而使金屬線扭動，然后用自制的儀器測量出微小的轉(zhuǎn)動。

　　測量結(jié)果驚人的準確，他測出了萬有引力的引力常數(shù) G。牛頓萬有引力常數(shù) G 的精確測量不僅對物理學有重要意義，同時也對天體力學、天文觀測學，以及地球物理學具有重要的實際意義。人們在卡文迪什實驗的基礎(chǔ)上可以準確地計算地球的密度和質(zhì)量。

　　排名第七：埃拉托色尼測量地球圓周

　　埃拉托色尼(約公元前 276一約前 194)公元前 276 年生于北非城市塞里尼(今利比亞的沙哈特)。他興趣廣泛，博學多才，是古代僅次于亞里斯多德的百科全書式的學者。只是因為他的著作全部失傳，今天才對他不太了解。

　　埃拉托色尼的科學工作極為廣泛，最為著名的成就是測定地球的大小，其方法完全是幾何學的。假定地球是一個球體，那么同一個時間在地球上不同的地方，太陽線與地平面的夾角是不一樣的。只要測出這個夾角的差以及兩地之間的距離，地球周長就可以計算出來。他聽說在埃及的塞恩即今天的阿斯旺，夏至這天中午的陽光懸在頭頂，物體沒有影子，光線可以直射到井底，表明這時的太陽正好垂直塞恩的地面，埃拉托色尼意識到這可以幫助他測量地球的圓周。他測出了塞恩到亞歷山大城的距離，又測出夏至正中午時亞歷山大城垂直桿的桿長和影長，發(fā)現(xiàn)太陽光線有稍稍偏離，與垂直方向大約成 7° 角。剩下的就是幾何問題了。假設(shè)地球是球狀，那么它的圓周應(yīng)是 360°。如果兩座城市成 7° 角(7/360 的圓周)，就是當時 5000 個希臘運動場的距離，因此地球圓周應(yīng)該是 25 萬個希臘運動場，約合 4 萬千米。今天我們知道埃拉托色尼的測量誤差僅僅在 5% 以內(nèi)，即與實際只差 100 多千米。

　　排名第八：伽利略的加速度試驗

　　伽利略利用理想實驗和科學推理巧妙地否定了亞里斯多德的自由落體運動理論。那么正確的自由落體運動規(guī)律應(yīng)是怎樣的呢?由于當時測量條件的限制，伽利略無法用直接測量運動速度的方法來尋找自由落體的運動規(guī)律。因此他設(shè)想用斜面來“沖淡”重力，“放慢”運動，而且把速度的測量轉(zhuǎn)化為對路程和時間的測量，并把自由落體運動看成為傾角為 90° 的斜面運動的特例。在這一思想的指導(dǎo)下，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滾下，然后測量銅球每次滾下的時間和距離的關(guān)系，并研究它們之間的數(shù)學關(guān)系。亞里斯多德曾預(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。他把實驗過程和結(jié)果詳細記載在 1638 年發(fā)表的著名的科學著作《關(guān)于兩門新科學的對話》中。

　　伽利略在實驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過數(shù)學的計算和推理，得出假設(shè);然后再用實驗加以檢驗，由此得出正確的自由落體運動規(guī)律。這種研究方法后來成了近代自然科學研究的基本程序和方法。

　　伽利略的斜面加速度實驗還是把真實實驗和理想實驗相結(jié)合的典范。伽利略在斜面實驗中發(fā)現(xiàn)，只要把摩擦減小到可以忽略的程度，小球從一斜面滾下之后，可以滾上另一斜面，而與斜面的傾角無關(guān)。也就是說，無論第二個斜面伸展多遠，小球總能達到和出發(fā)點相同的高度。如果第二斜面水平放置，而且無限延長，則小球會一直運動下去。這實際上是我們現(xiàn)在所說的慣性運動。因此，力不再是亞里斯多德所說的維持運動的原因，而是改變運動狀態(tài)(加速或減速)的原因。

　　把真實實驗和理想實驗相結(jié)合，把經(jīng)驗和理性(包括數(shù)學論證)相結(jié)合的方法，是伽利略對近代科學的重大貢獻。實驗不是也不可能是自然觀象的完全再現(xiàn)，而是在人類理性指導(dǎo)下的對自然現(xiàn)象的一種簡化和純化，因而實驗必須有理性的參與和指導(dǎo)。伽利略既重視實驗，又重視理性思維，強調(diào)科學是用理性思維把自然過程加以純化、簡化，從而找出其數(shù)學關(guān)系。因此，是伽利略開創(chuàng)了近代自然科學中經(jīng)驗和理性相結(jié)合的傳統(tǒng)。這一結(jié)合不僅對物理學，而且對整個近代自然科學都產(chǎn)生了深遠的影響。正如愛因斯坦所說：“人的思維創(chuàng)造出一直在改變的宇宙圖景，伽利略對科學的貢獻就在于毀滅直覺的觀點而用新的觀點來代替它。這就是伽利略的發(fā)現(xiàn)的重要意義”。

　　排名第九：盧瑟福散射與原子的有核模型

　　盧瑟福(1871—1937)在 1898 年發(fā)現(xiàn)了 a 射線。1911 年盧瑟福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”，即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 a 射線微粒時有少量被彈回，這使他們非常吃驚。通過計算證明，只有假設(shè)正電球集中了原子的絕大部分質(zhì)量，并且它的直徑比原子直徑小得多時，才能正確解釋這個不可想象的實驗結(jié)果。為此盧瑟福提出了原子的有核模型：原子并不是一團糊狀物質(zhì)，大部分物質(zhì)集中在一個中心的小核上，稱之為核子，電子在它周圍環(huán)繞。

　　這是一個開創(chuàng)新時代的實驗，是一個導(dǎo)致原子物理和原子核物理肇始的具有里程碑性質(zhì)的重要實驗。同時他推演出一套可供實驗驗證的盧瑟福散射理論。以散射為手段研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，對近代物理有相當重要的影響。一旦我們在散射實驗中觀察到盧瑟福散射的特征，即所謂“盧瑟福影子”，則可預(yù)料到在研究的對象中可能存在著“點”狀的亞結(jié)構(gòu)。此外，盧瑟福散射也為材料分析提供了一種有力的手段。根據(jù)被靶物質(zhì)大角散射回來的粒子能譜，可以研究物質(zhì)材料表面的性質(zhì)(如有無雜質(zhì)及雜質(zhì)的種類和分布等)，按此原理制成的“盧瑟福質(zhì)譜儀”已得到廣泛應(yīng)用。

　　排名第十：米歇爾·傅科鐘擺試驗

　　1851 年，法國著名物理學家傅科(1819—1868)為驗證地球自轉(zhuǎn)，當眾做了一個實驗，用一根長達 67m 的鋼絲吊著一個重 28kg 的擺錘《擺錘直徑 0.30m)，擺錘的頭上帶有鋼筆，可觀測記錄它的擺動軌跡。傅科的演示說明地球是在圍繞地軸旋轉(zhuǎn)。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。

　　這一實驗裝置被后人稱為傅科擺，也是人類第一次用來驗證地球自轉(zhuǎn)的實驗裝置。該裝置可以顯示由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生科里奧利力的作用效應(yīng)，也就是傅科擺振動平面繞鉛垂線發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，即傅科效應(yīng)。實際上這等同于觀察者觀察到地球在擺下的自轉(zhuǎn)。