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“最美丽”的十大物理实验

2013-04-27 17:19:57  来源:考试信息网论坛

  美国的物理学家最近评出的这些实验共同之处是:它们都“抓”住了物理学家眼中“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顷刻间一扫而空,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。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,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,最多不过是把直尺或者是计算器。

  所有这些实验共同之处是他们都仅仅“抓”住了物理学家眼中“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,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。

  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。

  《物理学世界》对这些实验进行的排名是根据公众对它们的认识程度,排在第一位的是展示物理世界量子特征的实验。但是,科学的发展是一个积累的过程,9月25日的美国《纽约时报》根据时间顺序对这些实验重新排序,并作了简单的解释。

  埃拉托色尼测量地球圆周长

  古埃及的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,在垂直方向偏离大约7度角。

  剩下的就是几何学问题了。假设地球是球状,那么它的圆周应跨越360度。如果两座城市成7度角,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。(排名第七)

  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。(排名第二)

  伽利略的加速度实验

  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。(排名第八)

  牛顿的棱镜分解太阳光

  艾萨克·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,后来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。(排名第四)

  卡文迪许扭矩实验

  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6.0×1024公斤,或者说13万亿万亿磅。(排名第六)

  托马斯·杨的光干涉实验

  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。(排名第五)

  米歇尔·傅科钟摆实验

  去年,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。(排名第十)

  罗伯特·米利肯的油滴实验

  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·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。(排名第三)

  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。(排名第九)

  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。

  这一期《物理学世界》上另一篇由编辑彼特·罗格斯写的文章推测,直到1961年,某一位科学家才在真实的世界里做出了这一实验。(排名第一)

  

责任编辑: 曹嘉馨
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