那些偉大的物理學實驗(上) | 線上科學日

實驗是推動科學向前發展的重要動力。如果你有一套關於世界運行的理論，那它必須要經過實驗的檢驗。而如果你的理論很不幸地沒有被實驗所驗證，那麼你就得重新修改你的理論並且再去做更多的實驗來驗證它。儘管近現代以來，由於我們研究的尺度越來越小，很多時候到了原子甚至原子以下的級別，很多的科學進展往往更偏向理論性，但是縱觀整個科學發展史，特別是物理學發展史，實驗還是佔據了相當強的主導地位。我們關於這個世界運行機制的里程碑式的研究成果也往往是通過十分精妙、獨到而又簡潔的實驗來發現和證明的，這些實驗蘊含著「令人窒息」的科學之美。在這些實驗中，我們挑選了十個我們認為十分偉大的物理學實驗與大家分享。當然，如果你有其它的補充，歡迎在評論區給我們留言。

1、伽利略的比薩斜塔實驗（1589）

伽利略（1564-1642）是義大利著名的物理學家、數學家、天文學家和哲學家，被譽為是「現代觀測天文學之父」、「現代物理學之父」、「科學之父」以及「現代科學之父」。伽利略的研究結果對牛頓提出、完善牛頓運動定律中的第一、第二定律有一定的啟示。因而，史蒂芬·霍金曾說：「自然科學的誕生要歸功於伽利略。」 伽利略所研究的中心問題就是僅在重力影響下的落體運動問題，而我們要說的比薩斜塔實驗便是其中最為重要的實驗。

在16世紀的義大利，科學主要還是古希臘的那一套理論。古希臘哲學家亞里士多德就認為，質量越大的物體自由落體的速度更快。然而伽利略卻不認同這個觀點。

他先構造了一個思想實驗從邏輯上進行反駁：根據亞里士多德的說法，如果一個輕的物體和一個重的物體綁在一起然後從塔上丟下來，那麼重的物體下落的速度快，兩個物體之間的繩子會被拉直，這時輕的物體對重物會產生一個阻力，使得下落速度變慢；但是，從另一方面來看，兩個物體綁在一起以後的質量應該比任意一個單獨的物體都大，那麼整個系統下落的速度應該更快。這顯然是自相矛盾的。1589年，伽利略在比薩斜塔上用兩個質量不同的球同時下落，儘管質量不同，但是兩個球同時到達了地面，證明了亞里士多德的理論是完全錯誤的。

對於羽毛比石頭下落得慢的原因，伽利略認為是空氣阻力的影響。有趣的是，執行阿波羅15號登月任務的宇航員，在月球沒有空氣的條件下進行了羽毛和石頭的自由落體實驗，證明了伽利略的正確性。如果你感興趣，你可以在網上找到這個在月球上進行的實驗的視頻。

2、牛頓的光的色散實驗（1672）

如果你問一個中學生甚至是國小生「彩虹形成的原理」，他們都會告訴你彩虹是由於太陽光經過空氣中的小水滴折射后形成的。然而，這麼一個現在幾乎眾所周知的問題，在17世紀牛頓發現光的色散之前，沒有人知道答案。

艾薩克·牛頓（1643 1727）是一位英格蘭物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家和鍊金術士。1687年他發表《自然哲學的數學原理》，闡述了萬有引力和三大運動定律，奠定了此後三個世紀里力學和天文學的基礎，成為了現代工程學的基礎。然而，他亦在光學方面有突出的貢獻，其中最具代表性的就是光的色散實驗。

牛頓做了一個著名的三稜鏡實驗，他記載道：「我做了一個三角形的玻璃稜柱鏡，利用它來研究光的顏色。為此，我把房間里弄成漆墨的，在窗戶上做一個小孔，讓適量的日光射進來。我又把稜鏡放在光的入口處，使折射的光能夠射到對面的牆上去，當我第一次看到由此而產生的鮮明強烈的光色時，使我感到極大的愉快。」通過這個實驗，在牆上得到了一個彩色光斑，顏色的排列是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。牛頓把這個顏色光斑叫做光譜。

後來，牛頓進一步改進實驗，獲得更純的光譜，並提出理論解釋這一現象，並用更多的實驗加以驗證。

3、卡文迪許的扭秤實驗（1798）

在英國的劍橋大學，有一座卡文迪許實驗室，它是世界上最偉大的物理實驗室之一。而它的名字，則是來源於18世紀著名的科學家亨利·卡文迪許。

卡文迪許（1731- 1810），英國物理學家、化學家。他首次對氫氣的性質進行了細緻的研究，證明了水並非單質，預言了空氣中稀有氣體的存在。他首次發現了庫倫定律和歐姆定律，將電勢概念廣泛應用於電學，並精確測量了地球的密度，被認為是牛頓之後英國最偉大的科學家之一。

卡文迪許的扭秤實驗是第一個在實驗室內完成的測量兩個物體之間萬有引力的實驗，並且第一個準確地求出了萬有引力常數和地球質量。其他人則通過他的實驗結果求得了地球密度。

卡文迪許製造的實驗裝置是一台扭秤。用線捆綁的1.8m長的木棍兩端各有一個直徑2英寸，重為1.61英磅的鉛制球。兩個直徑12-英寸，重為348-英磅的大鉛球分別放在小球附近大約9英寸遠，各自用懸挂裝置掛起。實驗即測量大球和小球之間微弱的引力。

兩個大球放在水平木棒的兩側，使得它們施加於小球的力使木棒向同一個方向旋轉。小球和木棒受力旋轉后，吊起木棒的絲線就會旋轉，直到絲線中產生的反向力矩與大小球之間引力的力矩平衡為止。通過測量木棒轉過的角度可以知道絲線扭轉后產生的力矩，進而可以得出大小鉛球之間的引力大小。地球和鉛球之間的引力可以通過測量鉛球所受的重力直接得出，因此根據萬有引力定律可直接得到地球的質量，以及密度。

這是科學家第一次測量並得到比較精確的萬有引力常數，這樣，對於天體以及地球質量的估計才成為可能。實驗的難點在於完全去除環境的干擾，以及扭秤和游標的精度。卡文迪許在這方面做出了創造性的工作，其實驗精度，在後續的近百年時間裡，沒有人能超過。在18世紀的工藝條件下，完成這樣精度的實驗是一個偉大的成就。

4、托馬斯·楊的雙縫干涉實驗（1803）

前面我們已經提到了牛頓在科學上做出的巨大貢獻，然而，並不是他所有的理論都是正確的。對於光的本質，牛頓認為，光是一個一個的小的微粒，但是楊氏雙縫干涉實驗卻證明了光的「微粒說」是錯誤的。

托馬斯·楊（1773-1829）是英國的物理學家和通識學家。1803年，托馬斯·楊做了經典的楊氏雙縫干涉實驗。他在一塊板上做了兩個十分狹窄的縫，並在它們之間放置了一個光源，使他們同時穿過兩個狹縫后照在板後面的牆上。如果牛頓的「微粒說」是正確的，那麼我們就應該在牆上看到兩條亮線，剩下的部分都是黑暗的。但是，實驗結果表明，牆上出現了明暗相間的條紋，兩個狹縫的光出現了波的性質——干涉。這個實驗證明了光的「微粒說」是錯誤的。

然而，故事到這裡並沒有結束。在人們廣泛認同光的波動說之後，1905年，愛因斯坦利用光子的概念成功地解釋了光電效應現象，並因此在1921年獲得了諾貝爾物理學獎（愛因斯坦並沒有因為相對論獲得諾貝爾獎）。後來人們才逐漸認識到光具有「波粒二象性」。

5、焦耳的熱功當量實驗（1840）

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818-1889）是英國的物理學家。國際單位制導出單位中，能量的單位——焦耳，就是以他的名字命名。焦耳在研究熱的本質時，發現了熱和功之間的轉換關係，並由此得到了能量守恆定律，最終發展出熱力學第一定律。

在19世紀40年代，「熱質說」風行一時，這種理論認為，熱的傳遞是依靠一種假想的無重量流體——熱質的流動。但是焦耳認為熱質並不存在，熱是能量的一種形式，為此他做了大量實驗。

圖中就是焦耳熱功當量實驗的裝置示意圖。重砝碼緩慢勻速下降，帶動輪軸和轉軸使翼輪攪拌水，功轉變為熱，使水溫升高。由溫度計測出攪拌前後水的溫差而算出熱量Q。轉變為熱能的機械功W可由砝碼下降的距離算出。由公式W=JQ即可測定熱功當量J。焦耳測定熱功當量的實驗是在英國曼徹斯特進行的，其結果是使1磅水升高1華氏度需作功772英尺磅，這相當於1卡路里=4.157焦耳。

國際單位制中已經規定熱量的單位為焦耳，卡路里仍作為同焦耳並用的單位。熱功當量這個詞也將逐漸被廢除，但焦耳熱功當量實驗的歷史意義，將是永存的。

（未完待續）

譯者在原文基礎上有所改動，刪減部分內容，並從Wikipedia和百度百科中選取部分內容進行補充，部分圖片素材來源於網路。

編輯：Alex Yuan