科学史上最美的十大实验

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物理是来自于实验的自然科学,实验对于物理学的前进与发展起着至关重要的作用。可能很多人认为物理实验是枯燥、繁琐、无聊的,但事实上,真正优秀的实验必须首先是美丽的。下面就是世界知名物理学家们联合评选出的物理学史上十大最美丽的实验。

这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成的,最多有一两个助手。所有的实验都“抓”住了物理学家眼中“最漂亮”的科学之魂。这种漂亮是一种经典概念:使用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。

第10名:

傅科钟摆证明地球自转!

科学史上最美的十大实验

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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。

科学史上最美的十大实验

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。如果地球不自转,摆锤摆动时不受外力,将保持固定的摆动方向。

如果地球自转,摆锤将会受到重力、惯性等各方面因素,运动轨迹也会发生偏差。傅科的演示说明地球是在围绕地轴自转的。

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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。

此后,人们为了纪念傅科的伟大实验,把用来试验的巨摆称作“傅科摆”,而世界各地的好多天文馆和物理教学场所都会设置傅科摆。

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位于北京西直门外的北京天文馆里也有一个傅科摆,大家有空可以去亲眼看看,亲自感受一下地球的自转。

第9名:

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。

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但是他和他的助手发现向金箔发射带正电的α微粒时有少量被弹回,这使他们非常吃惊。

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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。

第8名:

伽利略的加速度实验

伽利略提炼他有关物体移动的观点。他做了一个6m多长、3m多宽的光滑直木板槽,再把这个木板槽倾斜固定,让钢球从木槽顶端沿斜面滑下,并用水钟测量钢球每次下滑的时间,研究它们之间的关系。

科学史上最美的十大实验

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。伽利略却证明钢球滚动的路程和时间的平方成比例:两倍的时间里,铜球滚动了4倍的距离,因为存在恒定的重力加速度。

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第7名:

埃拉托色尼测量地球圆周长

古埃及有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。

科学史上最美的十大实验

埃拉托色尼是公元前3世纪亚历山大图书馆的馆长,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,在垂直方向偏离了大约7°。

科学史上最美的十大实验

假设地球是球状,那么它的圆周应跨越360°。如果两座城市成7°,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。

第6名:

卡文迪什扭秤实验

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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·卡文迪什决定要找出这个引力。他将小金属球系在长为6英尺(1英尺等于0.305米)木棒的两边并用金属线悬吊起来,这个木棒就像哑铃一样。再将两个350磅(1磅等于0.4536千克)的铜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。

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测量结果惊人地准确,他测出了万有引力恒量的参数,在此基础上卡文迪什计算地球的密度和质量。卡文迪什的计算结果是地球的质量为6.0 x10^24kg.

第5名:

托马斯·杨的光干涉实验

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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。但牛顿也不是永远正确的。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。然后他用一个厚约三十分之一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。

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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。

第4名:

牛顿的棱镜色散实验

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,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他颜色的光(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。

科学史上最美的十大实验

人们知道彩虹的五颜六色,但却不知其原因。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。

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第3名:

密立根的油滴实验

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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·密立根开始测量电流的电荷。

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,让一边成为正电极,另一边成为负电极。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问的电压来控制。

科学史上最美的十大实验

密立根不断改变电压,仔细观察每一颗油滴的运动。经过反复试验,10年后,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。

第2名:

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。

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伽利略挑战亚里士多德的代价也使他失去了工作,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。

第1名:

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。光既不是简单地由微粒构成,也不是一种单纯的波。20世纪初,普朗克和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。

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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,物理上称它们具有波粒二象性。

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。

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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。

本文来源:量子科学,版权归原作者所有,若侵删。

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slduo
  • 本文由 发表于 2021年4月3日15:30:55
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