最美丽的十大物理实验

美国物理学家最近指出，这些实验的共同之处在于，它们“捕捉”了物理学家眼中“最美丽”的科学灵魂。这种美是一个经典的概念:最简单的仪器和设备，最基本和最简单的科学结论就像历史上的纪念碑。人们长期以来的困惑和模棱两可在瞬间被扫除，他们对自然的理解也更加清晰。无论是在加速器中破解亚原子粒子，对基因序列进行排序，还是分析遥远恒星的摆动，这些举世闻名的实验通常要花费数百万美元，产生类似洪水的数据，并且需要超高速计算机处理数月。结果，一些实验小组成长为小公司。

罗伯特·克里斯是纽约大学石溪分校哲学系的教员，也是布鲁克海文国家实验室的历史学家。他最近在美国物理学家中进行了一项调查，要求他们提名历史上最美丽的科学实验。9月出版的《物理世界》公布了前10名中最美丽的实验，其中大部分都是我们熟悉的经典作品。令人惊讶的是，这十个实验中的绝大多数都是由科学家独立完成的，最多有一两个助手。所有的实验都是在实验台上进行的，没有使用任何大型计算工具，如计算机，但最多是一把尺子或一个计算器。

所有这些实验的共同点是，它们只“捕捉”物理学家眼中“最美丽”的科学灵魂。这种美是一个经典的概念:最简单的仪器和设备，以及最基本和最简单的科学概念的发现，就像历史遗迹一样，人们长期以来的困惑和模棱两可在瞬间被扫除，他们对自然的理解也更加清晰。

从十大经典科学实验的评选中，我们还可以清楚地看到2000年科学家最重要的发现轨迹，就像我们对历史的“鸟瞰”。

“物理世界”对这些实验的排名是基于公众对它们的理解。第一个是展示物理世界量子特性的实验。然而，科学的发展是一个积累的过程。美国《纽约时报》9月25日根据时间顺序对这些实验进行了重新排序，并给出了一个简单的解释。

厄拉多塞测量地球的周长

古埃及的一个小镇，现在叫做阿斯旺。在这个小镇上，夏至中午的太阳悬挂在头顶上:物体没有影子，太阳直接进入深井。厄拉多塞是公元前3世纪亚历山大图书馆的馆长。他意识到这个信息可以帮助他估计地球的周长。在同一天，在随后几年的同一时间，他测量了亚历山大港同一地方的物体的影子。人们发现，太阳光线在垂直方向上略微倾斜并偏离了大约7度。

其余的是几何。假设地球是球形的，它的周长应该是360度。如果这两个城市形成一个7度角，那就是7/360的圆，也就是当时希腊5000个运动场的距离。因此，地球的周长应该是25万个希腊体育场。今天，通过轨迹计算，我们知道厄拉多塞测量误差仅在5%以内。(第7项)

伽利略的*落体实验

在16世纪末，每个人都认为重物体比轻物体下落得快，因为伟大的亚里士多德已经说过了。当时在比萨大学数学系工作的伽利略大胆挑战公众的观点。著名的比萨斜塔实验已经成为一个科学故事:他同时从斜塔上扔下一个轻的和一个重的物体，让每个人都能看到这两个物体同时落地。伽利略挑战亚里士多德的代价可能是他丢掉了工作，但他展示了自然的本质，而不是人类的权威，科学做出了最后的决定。(第2项)

伽利略的加速实验

伽利略继续完善他对物体运动的观点。他做了一个6米多长3米宽的光滑的直木槽。然后倾斜固定木槽，使铜球从木槽顶部滑下斜面，用水钟测量铜球每次滑动的时间，研究它们之间的关系。亚里士多德预言，滚球的速度将是一致和恒定的:铜球的行走时间是它滚两次的两倍。伽利略证明了铜球的滚动距离与时间的平方成正比:在两倍的时间内，铜球滚动4倍的距离，因为重力加速度是恒定的。(第8次)

牛顿棱镜分解阳光

艾萨克.牛顿出生时，伽利略去世了。牛顿于1665年毕业于剑桥大学三一学院。为了躲避瘟疫，他在家呆了两年，然后成功地找到了一份工作。

当时，每个人都认为白光是没有其他颜色的纯光(亚里士多德认为是这样)，而有色光是某种程度上改变了的光。

为了验证这个假设，牛顿在太阳上放置了一个三棱镜。通过棱镜，光线在墙上分解成不同的颜色。后来我们称之为光谱。人们知道彩虹是多彩的，但他们认为这是因为异常。牛顿的结论是，正是这些红色、橙色、黄色、绿色、绿色、蓝色和紫色的基本颜色具有不同的色谱，在表面形成单一颜色的白光。如果你仔细观察，你会发现白光非常美丽。(第4次)

卡文迪许扭矩实验

牛顿的另一个伟大贡献是他的万有引力定律，但是万有引力有多大呢？

18世纪末，英国科学家亨利·卡文迪什决定找出这种引力。他挂了一根6英尺长的木棒，两边用金属线绑着小金属球。这根棍子像个哑铃。把两个350磅的铅球放在一起，产生足够的重力来转动哑铃和扭转钢丝。然后用自制的仪器测量轻微的旋转。

测量结果出人意料地准确。他测量了万有引力常数的参数。在此基础上，卡文迪许计算了地球的密度和质量。卡文迪许的计算是，地球重6.0×1024千克，或13万亿磅。(排名第六)

托马斯·杨光干涉实验

牛顿并不总是对的。经过多次争论，牛顿接受了科学界的观点，认为光是由粒子组成的，而不是波。1830年，英国医生和物理学家托马斯·杨用实验来验证这一观点。他在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸盖住，并在纸上戳了一个小洞。让光通过，用镜子反射透射的光。然后他用一张大约1/30英寸厚的纸将光线从中间分成两束。结果，我们看到了相交的光影。这表明两束光可以像波一样相互干涉。这个实验在一个世纪后的量子理论创造中发挥了至关重要的作用。(排名第五)

米歇尔·福柯摆实验

去年，科学家们在南极放置了一个钟摆，并观察了它的摆动。他们正在重复1851年在巴黎的一个著名实验。1851年，法国科学家福柯公开做了一个实验。一个头上带着铁笔的62磅重的铁球被一根220英尺长的钢丝悬挂在屋顶上，用来观察和记录它来回的摆动。当他们发现钟摆的每一次摆动都会稍微偏离原来的轨迹并旋转时，他们周围的观众并不感到惊讶。事实上，这是因为房子移动缓慢。福柯的证明表明地球绕着它的轴旋转。在巴黎的纬度上，钟摆的轨迹是顺时针的，周期为30小时。在南半球，钟摆应该逆时针旋转，但不是在赤道。在南极，自转周期为24小时。(排名第10)

罗伯特·米利肯的油滴实验

很久以前，科学家们正在研究电学。人们知道这种看不见的物质可以从天空中的闪电或通过摩擦头发获得。1897年，英国物理学家托马斯确定电流由带负电的粒子组成，即电子。1909年，美国科学家罗伯特·米利肯开始测量电流的电荷。

米利肯用香水瓶的喷嘴将水滴喷到一个透明的小盒子里。小盒的顶部和底部分别连接有电池，使一侧成为正极，另一侧成为负极。当小油滴通过空气时，它们会吸收一些静电，油滴的下落速度可以通过改变电板之间的电压来控制。

米利肯不断改变电压，并仔细观察每个油滴的运动。经过反复测试，米利肯得出结论，电荷的值是一个固定的常数，最小单位是单个电子的电荷。(排名第三)

卢瑟福发现了核实验

1911年，当卢瑟福还在曼彻斯特大学做辐射实验时，原子就像人们心目中的“李子布丁”，是大量带正电荷的糊状物质，中间含有电子粒子。然而，他和他的助手们惊讶地发现，当向金箔开火时，少量带正电的阿尔法粒子反弹了。卢瑟福计算出原子不是一团糊状物质。大部分物质集中在一个小的*原子核上，现在称为原子核，电子围绕着它。(第9项)

托马斯·杨双缝演示在电子干扰实验中的应用

牛顿和托马斯·杨关于光的本质的结论并不完全正确。光既不是简单地由粒子组成，也不是简单的波。20世纪初，马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦指出，一种叫做光子的东西会发光并吸收光。但是其他实验已经证明光是一种波。经过几十年的发展，量子理论终于总结出两个矛盾的真理:光子和亚原子粒子(如电子、光子等)。)是同时具有两种性质的粒子，物理上称为波粒二象性。

重建托马斯·杨的双缝示范可以很好地说明这一点。科学家用电子流代替光束来解释这个实验。根据量子力学，电子粒子流被分成两股流，较小的流产生波动效应，它们相互作用产生增强的光和阴影，就像在托马斯·杨的双缝演示中看到的那样。这表明粒子也有波动效应。

编辑彼得·罗杰斯在本期《物理世界》中写的另一篇文章推测，直到1961年，一位科学家才在现实世界中做了这个实验。