十个人类史上最重要的实验

人们每天进行各种各样的实验，首先提出一个假设，然后设计实验方法，看看能得出什么结论。这种“实验”可能只是在下班回家时走不同的路线，或者在微波炉中烹饪时多转几秒钟，或者它可能在寻找一种基因的另一种变体。

然而，不管实验有多困难，这种探索精神是任何人类发现的基础。实验帮助我们进一步加深对现实本质的理解。这种上下搜索的过程就是我们所说的“科学”。

在众多的实验中，有几个经受住了时间的考验，可以作为人类探索精神和智慧的杰出代表。这些实验优雅、粗糙，有时还很幸运，但是每个实验都深刻地改变了我们看待自己和宇宙的方式。

厄拉多塞测量地球周长

实验结果:人类历史上记录的第一个地球周长

时间:公元前3世纪晚期

地球有多大？在古代文化留下的无数答案中，厄拉多塞测量的准确性在2000多年后仍然令人震惊。厄拉多塞于公元前276年出生在昔兰尼，现在是利比亚海岸的希腊殖民地，后来成为一名博览群书的学者。

这个特点不仅招致了批评，也为他赢得了许多赞誉。讨厌他的人给他起了个绰号“β”(希腊字母表中的第二个字母)，因为他经常改变他的研究领域，因此在每个领域都只能排在第二位。他的崇拜者称他为“五项全能”。

他的博学为他赢得了埃及亚历山大图书馆一级馆员的职位。也是在那里，他进行了一项著名的实验。他听说塞尼市有一口井，尼罗河流经这里。在夏至那天，正午的太阳可以直接打到井底，而不会在井边投下阴影。

这一现象引起了厄拉多塞的极大兴趣，因此在同一天，他测量了亚历山大城一根垂直柱投射的影子的长度，并计算出太阳和垂直柱之间的角度为7.2°，即圆周360度角的一半。

像许多受过教育的希腊人一样，厄拉多塞知道地球是一个球体。因此，他推测通过知道亚历山大和塞尼之间的距离并将其乘以50，就可以得到地球的周长。

在获得所需的信息后，他计算出地球的周长是250，000希腊利，大约是28，500英里，相当接近24，900英里(1英里=1.6公里)的实际值。

厄拉多塞测量地球大小的动机是他对地理的热爱，而“地理”这个名字是他创造的。现代人给他起了另一个绰号:“地理之父”。对于一个被嘲笑为“永远第二”的人来说，他也被认为是忠诚的妻子。

威廉·哈维研究血液循环

实验结果:发现了血液循环的机制

时间:该理论发表于1628年

希腊著名医生和哲学家加伦在公元2世纪曾提出一套血流模型，虽然漏洞百出，但已流行了近1500年。

这个理论包括:肝脏会利用我们吃的食物不断产生新鲜血液；血液通过两条不同的路径流经全身，其中一条路径通过肺部吸收空气中的“重要精华”。被组织吸收的血液永远不会流回心脏。

然而，为了推翻这一教科书理论，后人做了许多令人毛骨悚然的实验。

威廉·哈维于1578年出生在英国。他来自一个贵族家庭，后来成为詹姆斯一世的皇家医生，这给他足够的时间和方法去追求他最感兴趣的东西:解剖学。

起初，他通过放羊、猪和其他动物的血，对盖伦的血液理论进行了艰苦的研究。但他后来意识到，如果事实如盖伦所说，每小时流经心脏的血液量将超过动物的总体积，这显然是不可能的。

为了让这一点深入人心，哈维在公共场合“切割”活的动物，证明动物体内的血液量其实很少。他还切开了蛇的胸部以暴露心脏，并用手指挤压蛇的主静脉以防止血液进入心脏。结果，心脏迅速收缩，变得苍白。当它被刺穿时，几乎没有血喷出。

相反，如果主动脉阻塞，心脏就会膨胀。通过研究爬行动物和哺乳动物临死时的缓慢心跳，他理解了心脏的收缩规律，并推断出心脏会泵出血液，血液在流经全身后会沿着一个循环流回心脏。

哈维做出这样的推断并不容易。如果只观察胸部正常跳动的心脏，就很难看出事情的真相。

他还在志愿者身上做了实验，比如暂时阻断血液流入和流出四肢。这些实验进一步完善了哈维革命性的血液循环理论。他在1628年出版的《心脏血液运动理论》一书中全面阐述了他的理论。

此外，他的“循证”研究方法也给医学领域带来了巨大的变化。今天，他被称为现代医学和生理学之父。

格雷格·孟德尔的发育遗传学

实验结果:找到了基因遗传的基本规律

时间:1855 -1863

这个孩子的外貌总是有点像他父母。为什么？多亏了孟德尔，直到一个半世纪前，身体特征遗传的秘密才逐渐被揭开。

他出生于1822年。尽管他是一个农民的儿子，没有钱接受正规教育，但他在自然科学方面很有天赋。在一位教授的建议下，他于1843年加入了奥古斯都修道院，这是一个专注于研究和学习的僧侣团体。

在布尔诺的一所修道院安顿下来后，天生害羞的格雷格很快学会了在花园里度过时光。一种叫“倒转金钟”的植物特别引起了他的注意，因为这种植物极其优雅，就像是由著名艺术家制作的。

也许是受这种植物的启发，孟德尔进行了以下著名的实验。他试图杂交不同品种的金钟，试图培育新的颜色组合。在这个过程中，他得到了一些重复的结果，表明遗传中有一定的规律可循。

在孟德尔培育豌豆的过程中，这些定律变得越来越清晰。他用画笔手工给豌豆授粉。在七年的时间里，他用数以千计具有特定性状的植物做杂交实验，并详细记录杂交结果。

例如，如果黄色豌豆和绿色豌豆杂交，后代将永远是黄色豌豆。然而，如果这些黄色豌豆培育的植物被允许自花授粉，四分之一收获的种子将是绿色豌豆。这个比例导致孟德尔提出了“显性”因子(在这种情况下，黄色是显性性状)和“隐性”因子的概念，所谓的“因子”就是我们现在所说的基因。

因为他的研究太超前了，所以当时没有受到太多的关注。但是几十年后，其他科学家发现并复制了孟德尔的实验，并开始将其视为一项重大突破。

孟德尔并没有试图一举解决复杂的遗传之谜。相反，他提出了一些简单的假设，然后逐一破解。这是他实验的天才。

牛顿发展了光学

实验结果:进一步了解颜色和光的本质

时间:1665 -1666

在成为世界著名的牛顿(杰出的科学家、运动定律、微积分和万有引力理论的发明者)之前，普通的牛顿有一段非常闲散的时间。

当时，他原本在剑桥大学学习，但为了避免在剑桥市爆发瘟疫，他回到了家乡。在那里的集市上，他买了一个像儿童玩具一样的小棱镜，然后回家去玩。

阳光通过棱镜后，发出的光形成彩虹或光谱。牛顿时代的主要观点是，光通过的介质的颜色与通过彩色玻璃的光的颜色相同。

但是牛顿自己并不被这种说法所说服。于是他用棱镜进行了一系列实验，结果证明颜色实际上是光的固有特性。这一革命性的观点开辟了一个叫做“光学”的新领域，并在现代科学技术中发挥了至关重要的作用。

牛顿的实验设计非常巧妙:他在百叶窗上钻了一个小洞，让一束阳光穿过，然后一个接一个地穿过两个棱镜。光通过第一个棱镜后，被分解成不同的颜色。

牛顿故意阻止一些颜色通过第二个棱镜。通过这种方法，他发现不同颜色的光通过棱镜时有不同的反射或折射角度。

然后，他从第一个棱镜分解的光中挑出一种颜色，让这种颜色的光单独通过第二个棱镜。然而，光束从第二个棱镜发出后没有改变，这表明棱镜不会改变光的颜色，介质本身也不会影响光的颜色。相反，颜色应该是光本身的某种属性。

因为牛顿的实验装置是临时的，并且是在家里完成的，并且因为他在1672年发表的论文中的描述不够详细，其他科学家起初无法成功地复制他的实验结果。从技术上来说，进行这个实验是困难的，但是一旦你亲眼看到实验结果，你就很容易被它们说服。

在成名的过程中，牛顿在实验中表现出了巨大的天赋，偶尔还把自己当成实验对象。有一次，他盯着太阳看得太久了，几乎让人眼花缭乱。

另一次，他将一根又长又粗的针插入眼睑下，挤压眼球后部，看看这对他的视力会有什么影响。虽然牛顿在他的职业生涯中失败了很多次，例如把某些现象归咎于神秘主义和宗教，但他的名声是在他伟大成就的保证下得以保存的。

迈克尔逊和莫雷试图观察以太

实验结果:研究了光的运动模式

时间:1881年

当你喊的时候，声波会通过媒介(空气)到达其他人的耳朵。波浪也有自己的运动媒介(海水)。

但是光波是个例外。即使在真空中，在没有空气和水等介质的情况下，光也能以某种方式传播。它是怎么做到的？

19世纪末的主流物理学认为光是通过一种无处不在的不可见介质“发光的以太”传播的。为此，阿尔伯特·迈克耳孙和他的同事爱德华·莫雷设计了一套实验，希望能证明以太的存在。尽管实验失败了，但它成为了历史上最著名的失败实验之一。

这两位科学家的假设是这样的:在地球自转期间，它将不断地穿过以太产生“以太风”。这样，光束沿着以太风的方向传播的速度应该比“逆风”光束的速度快。

考虑到这种效应一定很弱，迈克尔逊仔细设计了这个实验。19世纪80年代初，他发明了一种干涉仪。这种仪器可以将不同的光束交织在一起，产生干涉条纹，就像湖面上的涟漪一样。

在迈克尔逊干涉仪中，一束光首先穿过一面镜子，然后被分成两束光，分别沿相互垂直的方向向前移动。移动一段距离后，两束光会在击中镜子后返回，然后分别通过中心交点。

如果由于传播过程中的不相等位移(例如，由于以太风的影响)，两个光束在不同的时间到达中心点，将会产生干涉条纹。

为了防止干涉仪的精确配置受到振动的影响，他们把干涉仪放在一块砂岩板上，让它浮在水银表面，使摩擦力几乎为零。整套设备被放置在教学楼的地下室，与外界进一步隔离。迈克尔逊和莫雷慢慢转动砂岩板，希望看到在乙醚影响下产生的光的干涉条纹。

结果是什么也没有，光速也没有改变。

然而，这两个研究者都没有意识到“什么都没有”的重要性，而是将其归因于实验错误，转而从事其他项目。(但在1907年，迈克尔逊成为第一个因这项基于光学仪器的研究而获得诺贝尔奖的美国人。)

虽然迈克尔逊和莫雷无意中打破了以太网理论的这个漏洞，但他们启发了其他人进行了一系列的深入研究，提出了更多相关的理论。最后，爱因斯坦在1905年提出了突破性的狭义相对论，创造了光传输的新范例。

玛丽·居里做出了重要贡献

实验结果:放射性被定义

时间:1898年

在历史记载的重要科学实验中，女性的人数很少，这反映出女性长期被排除在这门学科之外。但是玛丽·斯克洛道斯卡的出现打破了铁律。

玛丽·斯克洛道斯卡1867年出生于波兰华沙。24岁时，为了进一步学习数学和物理，她移民到巴黎，在那里她遇到了物理学家皮埃尔·居里并与之结婚。

皮埃尔是一个智力相当的伙伴。在他的帮助下，玛丽·居里的革命思想在这个男性主导的领域赢得了一席之地。正如后代人所评论的，“如果没有皮埃尔，玛丽永远不会被科学界所接受。”

居里夫妇大部分时间都在皮埃尔大学改建的小屋里工作。1897年，为了完成她的博士论文，玛丽开始研究一种新的辐射现象，类似于一年前发现的x光。

玛丽使用皮埃尔和他的兄弟发明的一种叫做静电计的仪器，观察钍和铀发出的神秘射线。结果表明，矿石的放射性与其矿物成分无关，而仅取决于矿石中放射性元素的含量。

玛丽从这一观察推断出一种物质是否能释放辐射与分子排列无关。相反，“放射性”(玛丽的新词)是单个原子本身的固有属性，由它的内部结构产生。在那之前，科学家们一直认为原子是一个不可分割的整体，是最基本的粒子。但是玛丽成功地打开了一扇新的门，让人们从更基本的亚原子水平理解物质。

1903年，居里夫人成为第一位获得诺贝尔奖的女性。她于1911年再次获奖(因为她发现了镭和钋)，成为少数两次获得诺贝尔奖的科学家之一。

有些人评论说，玛丽·居里是对生活和工作都感兴趣的年轻女性的一个很好的例子。

伊凡·巴甫洛夫研究条件反射

实验结果:发现条件反射现象

时间:19世纪90年代-20世纪初

1904年，俄罗斯生理学家伊凡·巴甫洛夫因其在狗身上的实验获得诺贝尔奖。在这些实验中，他研究了唾液和胃液如何消化食物。尽管巴甫洛夫的科学研究成果似乎总是与狗的唾液有关，但他对思维的巧妙运用仍使他受到高度赞扬。

测量胃液分泌不是一件愉快的工作。巴甫洛夫和学生们在一只杂种狗的嘴里安装了一个管子来收集唾液。他们注意到，通过喂食时间，狗会在食物进入嘴里之前开始流口水。

像许多其他身体功能一样，唾液分泌被认为是一种反射，只有在咀嚼食物时才会无意识地分泌。但是巴甫洛夫的狗已经学会了将实验者的外表与食物联系起来，这意味着它们的生理反应会受到过去经历的影响。

在巴甫洛夫的研究之前，反思一直被视为一种固定的现象，但他的研究表明，反思可以被个人经验的影响所改变。

接下来，巴甫洛夫和学生们还教狗把食物和一些中性刺激联系起来，比如哔哔声、节拍器、旋转物体、黑色方块、哨声、闪光和电击。

然而，巴甫洛夫从未用过铃铛。许多故事版本这样说是因为俄语中的“蜂鸣器”一词在最早的翻译中被错误地翻译了。

这些发现为经典的条件反射奠定了基础，也就是巴甫洛夫的条件反射理论。后来，这个概念被进一步扩展到任何与刺激相关的学习，即使反射不参与。

巴甫洛夫的条件反射一直发生在我们身上，大脑会不断地把我们经历过的事情联系起来。事实上，切断这些条件反射之间的联系是治疗创伤后应激障碍的主要策略。

罗伯特·米利肯测量电荷

实验结果:精确测量了单个电子携带的电荷

时间:1909年

在大多数方面，罗伯特·米利坎表现相当出色。他于1868年出生在伊利诺伊州的一个小镇上，并就读于欧柏林大学和哥伦比亚大学。他在德国与杰出的欧洲学者一起学习物理，然后加入芝加哥大学物理系，甚至出版了几本成功的教科书。

但是他的同事们的成就远远超过了他。19世纪和20世纪之交是物理学发展的繁荣时期。

在短短的十年间，量子物理学和狭义相对论相继问世，电子最终为人所知，首次证明原子可以进一步分裂。

到1908年，密立根发现自己已经40多岁了，但他还没有做出重要的发现。

然而，电子学给他提供了一个机会。直到现在，研究人员一直试图找出电子是否是基本的电荷单位，并且在所有情况下都保持不变。这个问题的答案将是粒子物理学进一步发展的重要基础。米里根想，反正没有损失，不妨试一试。

在芝加哥大学的实验室里，米利根用一些装满浓水蒸气的容器进行了研究，称之为“云室”，并在研究过程中不断改变电场强度。水滴在重力作用下下落之前，会在带电原子和分子周围形成一团水滴。

然而，通过调节电场强度，可以减缓甚至完全阻止液滴的下落，这相当于电和重力之间的相对阻力。只要确定液滴处于平衡状态时的电场强度，并且假设液滴在该强度下总是处于平衡状态，就可以计算出液滴携带的电荷量。

密立根和他的学生在实验中发现水蒸发得太快，所以他们把水变成了更耐用的油，并用香水喷雾瓶把油喷到云室里。

此后，他们进一步改进了油滴实验，并最终证明电子确实可以被视为一个电荷单位。

它们测得的单电子电荷非常接近电流值(1.602× 19库仑)。这项成就是粒子物理学的一个重要转折点，密立根也是如此。

毫无疑问，这是一个杰出的实验。密立根的实验结果无可辩驳地证明了电子的存在，并证明了电子带有固定的电荷。粒子物理学的所有发现都基于这个基础。

杨、戴维森和葛墨发现的粒子涨落

实验结果:发现了光和电子的涨落

时间分别是1801年和1927年

光是粒子还是波？科学家们被这个问题困扰了很长时间。在牛顿的光学研究之后，许多物理学家决定把它当作一个粒子来对待。但英国科学家托马斯·杨最终有力地打破了这一传统认知。

杨兴趣广泛，从他帮助破译罗塞塔石碑的埃及学，到医学，再到光学。为了探索光的本质，杨在1801年设计了一个实验。

他在一个不透明的物体上开了两个狭缝，让阳光通过狭缝进入，然后观察对面屏幕上光线产生的明暗干涉图案。

根据他的推断，这些图案是当光以波的形式向前传播时产生的，就像当涟漪不断在池塘表面扩散时，两个波的波峰和波谷会重叠或互相抵消一样。

尽管当时的物理学家起初并不赞同杨的发现，但他的“双缝实验”被反复进行，最终证明了构成光的粒子确实以波的形式传播。

双缝实验的难度不大，所以很有说服力。实验设计相对简单，易于实现，但验证的概念极其重要。这样的例子在科学史上是罕见的。

一个多世纪后，克林顿·戴维森和莱斯特·热尔曼进行的相关实验进一步证明了这一概念的重要性。他们将电子注入镍晶体，散射的电子相互作用产生独特的图案，如果电子没有波动，这是不可能的。

随后的类电子双缝实验证明，具有质量和波动能量的粒子可以同时表现出粒子和波动。当时的科学家们刚刚开始从基本粒子层面解释物质的行为，而这个看似矛盾的理论是量子物理学的核心。

归根结底，这些实验表明，世界上所有的东西都有波动性。无论是“真实的”固体还是“虚幻的”辐射，都不可避免地具有这种性质。这一发现出乎意料，甚至违反直觉，但从那以后，物理学家在研究物质时不得不考虑波动性。

罗伯特·潘研究海星

实验结果:发现了关键物种对生态系统的重要影响

时代周刊:这是在1966年发表的一篇论文中首次提出的。

到20世纪60年代，生态学家已经达成共识，认为生物群落的繁荣主要是通过生物多样性实现的。科学家采用的研究方法通常是观察大小生物的生态网络。然而，罗伯特·派恩采取了一种新的方法，采用了另一种研究方法。

潘恩对人类干预环境后会发生什么感到好奇。所以他在美国华盛顿州海岸的潮汐池里进行了海星驱逐实验。结果表明，驱逐这一物种会破坏整个生态系统的稳定性。

没有海星的限制，藤壶开始疯狂生长，为贻贝提供了丰富的食物，贻贝数量迅速增加，导致帽贝和藻类的生存空间被挤压。

最后，整个食物网变得支离破碎，潮汐池变成了一个由贻贝主宰的“世界”。

因为海星是整个生态系统的支柱，潘恩称其为“关键物种”这里提到的“关键”是一个相对的概念，这意味着给定生态系统中各种生物的贡献比例并不完全相同。

潘恩的发现对生态保护产生了重大影响，改变了“以保护促保护”的狭隘方法，制定了基于整个生态系统的管理策略。

俄勒冈州立大学的海洋生物学家简·卢布钦科评论道:“松树的影响是革命性的。”她和在大学教书的丈夫布鲁斯·马槽是潘恩的学生。从2009年到2013年，lubchenco担任国家海洋和大气管理局局长，见证了Pine的关键物种概念对渔业管理政策的深远影响。

鲁布钦科和马槽认为是潘恩对知识的渴望和不懈的精神改变了这个领域。“他对灵感有着孩童般的热情，”马槽评论道。"他在好奇心的驱使下进行了实验，并取得了惊人的结果。"

潘恩于2016年去世。在他职业生涯的后期，他开始探索人类作为“超级关键物种”的深远影响，比如通过气候变化和无限制掠夺改变全球生态系统。