最美麗”的十大物理實驗

□文／喬治·約翰遜　　□編譯／王丹紅　吳曼　
　　最簡單的儀器和設備，發現了最根本、最單純的科學概念，這些
“抓”住了物理學家眼中“最美的”科學之魂的實驗，就像是一座座
歷史豐碑一樣，人們長久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對自然界的
認識更加清晰。
　　羅伯特·克瑞絲是美國紐約大學石溪分校哲學系的教員、布魯克
海文國家實驗室的歷史學家，他最近在美國的物理學家中作了一次調
查，要求他們提名歷史上最美麗的科學實驗。9月份出版的《物理學
世界》刊登了排名前10位的最美麗實驗，其中的大多數都是我們耳熟
能詳的經典之作。令人驚奇的是這十大實驗中的絕大多數是科學家獨
立完成，最多有一兩個助手。所有的實驗都是在實驗桌上進行的，沒
有用到什麼大型計算工具比如電腦一類，最多不過是把直尺或者是計
算器。　　
　　從十大經典科學實驗評選本身，我們也能清楚地看出2000年來科
學家們最重大的發現軌跡，就像我們“鳥瞰”歷史一樣。
　　《物理學世界》對這些實驗進行的排名是根據公眾對它們的認識
程度，排在第一位的是展示物理世界量子特徵的實驗。但是，科學的
發展是一個積累的過程，9月25日的美國《紐約時報》根據時間順序
對這些實驗重新排序，並作了簡單的解釋。
　　埃拉托色尼測量地球圓周長
　　古埃及的一個現名為阿斯旺的小鎮。在這個小鎮上，夏日正午的
陽光懸在頭頂：物體沒有影子，陽光直接射入深水井中。埃拉托色尼
是公元前3世紀亞歷山大圖書館館長，他意識到這一信息可以幫助他
估計地球的周長。在以後幾年裡的同一天、同一時間，他在亞歷山大
測量了同一地點的物體的影子。發現太陽光線有輕微的傾斜，在垂直
方向偏離大約7度角。
　　剩下的就是幾何學問題了。假設地球是球狀，那麼它的圓周應跨
越360度。如果兩座城市成7度角，就是7／360的圓周，就是當時5000
個希臘運動場的距離。因此地球周長應該是25萬個希臘運動場。今天，
通過航跡測算，我們知道埃拉托色尼的測量誤差僅僅在5％以內。（
排名第七）
　　伽利略的自由落體實驗
　　在16世紀末，人人都認為重量大的物體比重量小的物體下落得快，
因為偉大的亞里士多德已經這麼說了。伽利略，當時在比薩大學數學
系任職，他大膽地向公眾的觀點挑戰。著名的比薩斜塔實驗已經成為
科學中的一個故事：他從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。伽利略挑戰亞里士多德的代價也許使他失去了
工作，但他展示的是自然界的本質，而不是人類的權威，科學做出了
最後的裁決。（排名第二）
　　伽利略的加速度實驗
　　伽利略繼續提煉他有關物體移動的觀點。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
端沿斜面滑下，並用水鍾測量銅球每次下滑的時間，研究它們之間的
關係。亞里士多德曾預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：兩倍的時間裡，銅球滾動4倍的距離，因為存在恆定的重
力加速度。（排名第八）
　　牛頓的稜鏡分解太陽光
　　艾薩克·牛頓出生那年，伽利略與世長辭。牛頓1665年畢業於劍
橋大學的三一學院，後因躲避鼠疫在家裡呆了兩年，再後來順利地得
到了工作。當時大家都認為白光是一種純的沒有其他顏色的光（亞里
士多德就是這樣認為的），而彩色光是一種不知何故發生變化的光。
　　為了驗證這個假設，牛頓把一面三稜鏡放在陽光下，透過三稜鏡，
光在牆上被分解為不同顏色，後來我們稱作為光譜。人們知道彩虹的
五顏六色，但是他們認為那是因為不正常。牛頓的結論是：正是這些
紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎色有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，會發現白光是非常美麗的。（
排名第四）
　　卡文迪許扭矩實驗
　　牛頓的另一偉大貢獻是他的萬有引力定律，但是萬有引力到底多
大？
　　18世紀末，英國科學家亨利·卡文迪許決定要找出這個引力。他
將兩邊系有小金屬球的6英尺木棒用金屬線懸吊起來，這個木棒就像
啞鈴一樣；再將兩個350磅重的鉛球放在相當近的地方，以產生足夠
的引力讓啞鈴轉動，並扭動金屬線。然後用自製的儀器測量出微小的
轉動。
　　測量結果驚人的準確，他測出了萬有引力恆量的參數，在此基礎
上卡文迪許計算地球的密度和質量。卡文迪許的計算結果是：地球重
6．0×1024公斤，或者說13萬億萬億磅。（排名第六）
　　托馬斯·楊的光干涉實驗
　　牛頓也不是永遠正確。在多次爭吵後，牛頓讓科學界接受了這樣
的觀點：光是由微粒組成的，而不是一種波。1830年，英國醫生、物
理學家托馬斯·楊用實驗來驗證這一觀點。他在百葉窗上開了一個小
洞，然後用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個很小的洞。讓光線透過，
並用一面鏡子反射透過的光線。然後他用一個厚約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。這個實驗為一個世紀後量子學說的創
立起到了至關重要的作用。（排名第五）
　　米歇爾·傅科鐘擺實驗
　　去年，科學家們在南極安置一個擺鐘，並觀察它的擺動。他們是
在重複1851年巴黎的一個著名實驗。1851年法國科學家米歇爾·傅科
在公眾面前做了一個實驗，用一根長220英尺的鋼絲將一個62磅重的
頭上帶有鐵筆的鐵球懸掛在屋頂下，觀測記錄它前後擺動的軌跡。周
圍觀眾發現鐘擺每次擺動都會稍稍偏離原軌跡並發生旋轉時，無不驚
訝。實際上這是因為房屋在緩緩移動。
　　傅科的演示說明地球是在圍繞地軸自轉的。在巴黎的緯度上，鍾
擺的軌跡是順時針方向，30小時一周期。在南半球，鐘擺應是逆時針
轉動，而在赤道上將不會轉動。在南極，轉動周期是24小時。（排名
第十）
　　羅伯特·米利肯的油滴實驗
　　很早以前，科學家就在研究電。人們知道這種無形的物質可以從
天上的閃電中得到，也可以通過摩擦頭髮得到。1897年，英國物理學
家J·J·托馬斯已經確立電流是由帶負電粒子即電子組成的。1909年
美國科學家羅伯特·米利肯開始測量電流的電荷。米利肯用一個香水
瓶的噴頭向一個透明的小盒子裡噴油滴。小盒子的頂部和底部分別連
接一個電池，讓一邊成為正電板，另一邊成為負電板。當小油滴通過
空氣時，就會吸一些靜電，油滴下落的速度可以通過改變電板間的電
壓來控制。
　　米利肯不斷改變電壓，仔細觀察每一顆油滴的運動。經過反覆試
驗，米利肯得出結論：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。（排名第三）
　　盧瑟福發現核子實驗
　　1911年盧瑟福還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“葡萄乾布丁”，大量正電荷聚集的糊狀物質，中間
包含着電子微粒。但是他和他的助手發現向金箔發射帶正電的阿爾法
微粒時有少量被彈回，這使他們非常吃驚。盧瑟福計算出原子並不是
一團糊狀物質，大部分物質集中在一個中心小核上，現在叫做核子，
電子在它周圍環繞。（排名第九）
　　托馬斯·楊的雙縫演示應用於電子干涉實驗
　　牛頓和托馬斯·楊對光的性質研究得出的結論都不完全正確。光
既不是簡單的由微粒構成，也不是一種單純的波。20世紀初，麥克斯
·普克朗和阿爾伯特·愛因斯坦分別指出一種叫光子的東西發出光和
吸收光。但是其他實驗還是證明光是一種波狀物。經過幾十年發展的
量子學說最終總結了兩個矛盾的真理：光子和亞原子微粒（如電子、
光子等等）是同時具有兩種性質的微粒，物理上稱它們：波粒二象性。
　　將托馬斯·楊的雙縫演示改造一下可以很好地說明這一點。科學
家們用電子流代替光束來解釋這個實驗。根據量子力學，電粒子流被
分為兩股，被分得更小的粒子流產生波的效應，它們相互影響，以至
產生像托馬斯·楊的雙縫演示中出現的加強光和陰影。這說明微粒也
有波的效應。
　　《物理學世界》編輯彼特·羅格斯推測，直到1961年，某一位科
學家才在真實的世界裡做出了這一實驗。（排名第一）