最美的十大物理实验.docx

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最美的十大物理实验

科学史上最美的十个实验之序言

在科学家眼里，美，应该怎样阐释？

  —用最简单的实验和设备获得最根本、最直接、最精确的科学结论，这就是美！

Whethertheyareblastingapartsubatomicparticlesinaccelerators,sequencingthegenomeoranalyzingthewobbleofadistantstar,theexperimentsthatgrabtheworld'sattentionoftencostmillionsofdollarstoexecuteandproducetorrentsofdatatobeprocessedovermonthsbysupercomputers.Someresearchgroupshavegrowntothesizeofsmallcompanies.

Butultimatelysciencecomesdowntotheindividualmindgrapplingwithsomethingmysterious.WhenRobertP.Crease,amemberofthephilosophydepartmentattheStateUniversityofNewYorkatStonyBrookandthehistorianatBrookhavenNationalLaboratory,askedphysiciststonominatethemostbeautifulexperimentofalltime,the10winnerswerelargelysoloperformances,involvingatmostafewassistants.Mostoftheexperimentstookplaceontabletopsandnonerequiredmorecomputationalpowerthanthatofaslideruleorcalculator.

Whattheyhaveincommonisthattheyepitomizetheelusivequalityscientistscallbeauty.Thisisbeautyintheclassicalsense:

thelogicalsimplicityoftheapparatus,likethelogicalsimplicityoftheanalysis,seemsasinevitableandpureasthelinesofaGreekmonument.Confusionandambiguityaremomentarilysweptaside,andsomethingnewaboutnaturebecomesclear.

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。

《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。

科学史上最美的十个实验之一

Double-slitelectrondiffraction

双缝电子衍射

NeitherNewtonnorYoungwasquiterightaboutthenatureoflight.Thoughitisnotsimplymadeofparticles,neithercanitbedescribedpurelyasawave.Inthefirstfiveyearsofthe20thcentury,MaxPlanckandthenAlbertEinsteinshowed,respectively,thatlightisemittedandabsorbedinpackets—calledphotons.Butotherexperimentscontinuedtoverifythatlightisalsowavelike.

Ittookquantumtheory,developedoverthenextfewdecades,toreconcilehowbothideascouldbetrue:

photonsandothersubatomicparticles—electrons,protons,andsoforth—exhibittwocomplementaryqualities;theyare,asonephysicistputit,"wavicles."

Toexplaintheidea,toothersandthemselves,physicistsoftenusedathoughtexperiment,inwhichYoung'sdouble-slitdemonstrationisrepeatedwithabeamofelectronsinsteadoflight.Obeyingthelawsofquantummechanics,thestreamofparticleswouldsplitintwo,andthesmallerstreamswouldinterferewitheachother,leavingthesamekindoflight-anddark-stripedpatternaswascastbylight.Particleswouldactlikewaves.

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·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。

但是其它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。

科学史上最美的十个实验之二

Galileo'sexperimentonfallingobjects

伽利略的自由落体实验

Inthelate1500's,everyoneknewthatheavyobjectsfallfasterthanlighterones.Afterall,Aristotlehadsaidso.ThatanancientGreekscholarstillheldsuchswaywasasignofhowfarsciencehaddeclinedduringthedarkages.

GalileoGalilei,whoheldachairinmathematicsattheUniversityofPisa,wasimpudentenoughtoquestionthecommonknowledge.Thestoryhasbecomepartofthefolkloreofscience:

heisreputedtohavedroppedtwodifferentweightsfromthetown'sLeaningTowershowingthattheylandedatthesametime.HischallengestoAristotlemayhavecostGalileohisjob,buthehaddemonstratedtheimportanceoftakingnature,nothumanauthority,asthefinalarbiterinmattersofscience.

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。

科学史上最美的十个实验之三

Millikan'soil-dropexperiment

密立根油滴实验

Sinceancienttimes,scientistshadstudiedelectricity—anintangibleessencethatcamefromtheskyaslightningorcouldbeproducedsimplybyrunningabrushthroughyourhair.In1897theBritishphysicistJ.J.Thomsonhadestablishedthatelectricityconsistedofnegativelychargedparticles—electrons.ItwaslefttotheAmericanscientistRobertMillikan,in1909,tomeasuretheircharge.

Usingaperfumeatomizer,hesprayedtinydropsofoilintoatransparentchamber.Atthetopandbottomweremetalplateshookedtoabattery,makingonepositiveandtheothernegative.Sinceeachdropletpickedupaslightchargeofstaticelectricityasittraveledthroughtheair,thespeedofitsdescentcouldbecontrolledbyalteringthevoltageontheplates.

Millikanobservedonedropafteranother,varyingthevoltageandnotingtheeffect.Aftermanyrepetitionsheconcludedthatchargecouldonlyassumecertainfixedvalues.Thesmallestoftheseportionswasnoneotherthanthechargeofasingleelectron.

　　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·密立根开始测量电子的电荷。

　　密立根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。

　　密立根不断改变电压，仔细观察每一颗油滴的运动。

经过反复实验，密立根得出结论：

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。

科学史上最美的十个实验之四

Newton'sdecompositionofsunlightwithaprism

 牛顿用棱镜分解太阳光

IsaacNewtonwasborntheyearGalileodied.HegraduatedfromTrinityCollege,Cambridge,in1665,thenholedupathomeforacoupleofyearswaitingouttheplague.Hehadnotroublekeepinghimselfoccupied.

Thecommonwisdomheldthatwhitelightisthepurestform（Aristotleagain）andthatcoloredlightmustthereforehavebeenalteredsomehow.

Totestthishypothesis,Newtonshinedabeamofsunlightthroughaglassprismandshowedthatitdecomposedintoaspectrumcastonthewall.Peoplealreadyknewaboutrainbows,ofcourse,buttheywereconsideredtobelittlemorethanprettyaberrations.Actually,Newtonconcluded,itwasthesecolors—red,orange,yellow,green,blue,indigo,violetandthegradationsinbetween—thatwerefundamental.Whatseemedsimpleonthesurface,abeamofwhitelight,was,ifonelookeddeeper,beautifullycomplex.

　　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。

科学史上最美的十个实验之五

Young'slight-interferenceexperiment

杨氏光的干涉实验

Newtonwasn'talwaysright.Throughvariousarguments,hehadmovedthescientificmainstreamtowardtheconvictionthatlightconsistsexclusivelyofparticlesratherthanwaves.In1803,ThomasYoung,anEnglishphysicianandphysicist,puttheideatoatest.Hecutaholeinawindowshutter,covereditwithathickpieceofpaperpuncturedwithatinypinholeandusedamirrortodivertthethinbeamthatcameshiningthrough.Thenhetook"aslipofacard,aboutone-thirtiethofaninchinbreadth"andhelditedgewiseinthepathofthebeam,dividingitintwo.Theresultwasashadowofalternatinglightanddarkbands—aphenomenonthatcouldbeexplainedifthetwobeamswereinteractinglikewaves.Theseso-calleddouble-slitexperimentsbecamethestandardfordeterminingwavelikemotion—afactthatwastobecomeespeciallyimportantacenturylaterwhenquantumtheorybegan.

　　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。

科学史上最美的十个实验之六

Cavendish'storsion-barexperiment

卡文迪许扭矩实验

AnotherofNewton'scontributionswashistheoryofgravity,whichholdsthatthestrengthofattractionbetweentwoobjectsincreaseswiththesquareoftheirmassesanddecreaseswiththesquareofthedistancebetweenthem.Buthowstrongisgravityinthefirstplace?

Inthelate1700'sanEnglishscientist,HenryCavendish,decidedtofindout.Hetookasix-footwoodenrodandattachedsmallmetalspherestoeachend,likeadumbbell,thensuspendeditfromawire.Two350-poundleadspheresplacednearbyexertedjustenoughgravitationalforcetotugatthesmallerballs,causingthedumbbelltomoveandthewiretotwist.Bymountingfinelyetchedpiecesofivoryontheendofeacharmandinthesidesofthecase,hecouldmeasurethesubtledisplacement.Toguardagainsttheinfluenceofaircurrents,theapparatus（calledatorsionbalance）wasenclosedinaroomandobservedwithtelescopesmountedoneachside.

Theresultwasaremarkablyaccurateestimateofaparametercalledthegravitationalconstant,andfromthatCavendishwasabletocalculatethedensityandmassoftheearth.Cavendishhadweighedit:

6.0×1024kilograms,orabout13trilliontrillionpounds.

　　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。

科学史上最美的十个实验之七

Eratosthenes'measurementoftheEarth'scircumference

 埃拉托色尼测量地球圆周长

AtnoononthesummersolsticeintheEgyptiantownnowcalledAswan,thesunhoversstraightoverhead:

objectscastnoshadowandsunlightfallsdirectlydownadeepwell.Whenhereadthisfact,Eratosthenes,thelibrarianatAlexandriainthethirdcentu