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“最美丽”的十大物理实验

2010-02-03 19:30:25 来源:

 “最美丽”的十大物理实验

   美国的物理学家最近评出的“最美丽”的十大物理实验,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。

  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。(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

   2007,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·密利根的油滴实验

  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·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)

卢瑟福发现原子核实验

  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,现在叫作原子核,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,科学家才在真实的世界里做出了这一实验。(排名第一)


 
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