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)