美麗物理實驗

1、最美麗的物理實驗美國的物理學家最近評出的這些實驗共同之處是：它們都”抓”住了物理學家眼中"最美麗"的科學之魂，這種美麗是一種經(jīng)典概念：最簡單的儀器和設(shè)備，最根本、最單純的科學結(jié)論，就像是一座座歷史豐碑一樣，人們長久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對自然界的認識更加清晰。有人最近在美國的物理學家中作了一次調(diào)查，要求他們提名歷史上最美麗的科學實驗。9月份出版的物理學世界刊登了排名前10位的最美麗實驗。所有這些實驗共同之處是他們都僅僅"抓"住了物理學家眼中"最美麗"的科學之魂，這種美麗是一種經(jīng)典概念：最簡單的儀器和設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科

2、學概念，就像是一座座歷史豐碑一樣，人們長久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對自然界的認識更加清晰。古埃及的一個現(xiàn)名為阿斯旺的小鎮(zhèn)。在這個小鎮(zhèn)上，夏至日正午的陽光懸在頭頂：物體沒有影子，陽光直接射入深水井中。埃拉托色尼是公元前3世紀亞歷山大圖書館館長，他意識到這一信息可以幫助他估計地球的周長。在以后幾年里的同一天、同一時間，他在亞歷山大測量了同一地點的物體的影子。發(fā)現(xiàn)太陽光線有輕微的傾斜，在垂直方向偏離大約7度角。剩下的就是幾何學問題了。假設(shè)地球是球狀，那么它的圓周應(yīng)跨越360度。如果兩座城市成7度角，就是7360的圓周，而這兩座小城的距離就是當時5000個希臘運動場的距離。因此地球周長應(yīng)該是25萬

3、個希臘運動場。今天，通過航跡測算，我們知道埃拉托色尼的測量誤差僅僅在5以內(nèi)。（排名第七）伽利略的自由落體實驗在16世紀末，人人都認為重量大的物體比重量小的物體下落得快，因為偉大的亞里士多德已經(jīng)這么說了。伽利略，當時在比薩大學數(shù)學系任職，他大膽地向公眾的觀點挑戰(zhàn)。著名的比薩斜塔實驗已經(jīng)成為科學中的一個故事：他從斜塔上同時扔下一輕一重的物體，讓大家看到兩個物體同時落地。伽利略挑戰(zhàn)亞里士多德的代價也許是他失去了工作，但他展示的是自然界的本質(zhì)，而不是人類的權(quán)威，科學作出了最后的裁決。（排名第二）伽利略的加速度實驗伽利略繼續(xù)提煉他有關(guān)物體移動的觀點。他做了一個6米多長，3米多寬的光滑直木板槽。再把這個木

4、板槽傾斜固定，讓銅球從木槽頂端沿斜面滑下，并用水鐘測量銅球每次下滑的時間，研究它們之間的關(guān)系。亞里士多德曾預(yù)言滾動球的速度是均勻不變的：銅球滾動兩倍的時間就走出兩倍的路程。伽利略卻證明銅球滾動的路程和時間的平方成比例：兩倍的時間里，銅球滾動4倍的距離，因為存在恒定的重力加速度。（排名第八）牛頓的棱鏡分解太陽光艾薩克?牛頓出生那年，伽利略與世長辭。牛頓1665年畢業(yè)于劍橋大學的三一學院，后來因躲避鼠疫在家里呆了兩年，后來順利地得到了工作。當時大家都認為白光是一種純的沒有其它顏色的光（亞里士多德就是這樣認為的），而彩色光是一種不知何故發(fā)生變化的光。為了驗證這個假設(shè)，牛頓把一面三棱鏡放在陽光下，透過

5、三棱鏡，光在墻上被分解為不同顏色，后來我們稱作為光譜。人們知道彩虹的五顏六色，但是他們認為那是因為不正常。牛頓的結(jié)論是：正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎(chǔ)色有不同的色譜才形成了表面上顏色單一的白色光，如果你深入地看看，會發(fā)現(xiàn)白光是非常美麗的。（排名第四）卡文迪許扭矩實驗牛頓的另一偉大貢獻是他的萬有引力定律，但是萬有引力到底多大？18世紀末，英國科學家亨利?卡文迪許決定要找出這個引力。他將兩邊系有小金屬球的6英尺木棒用金屬線懸吊起來，這個木棒就像啞鈴一樣。再將兩個350磅重的鉛球放在相當近的地方，以產(chǎn)生足夠的引力讓啞鈴轉(zhuǎn)動，并扭轉(zhuǎn)金屬線。然后用自制的儀器測量出微小的轉(zhuǎn)動。測量結(jié)果驚人的準確，

6、他測出了萬有引力恒量的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上卡文迪許計算地球的密度和質(zhì)量。卡文迪許的計算結(jié)果是：地球重6.0X1024公斤，或者說13萬億萬億磅。（排名第六）托馬斯?楊的光干涉實驗牛頓也不是永遠正確。在多次爭吵后，牛頓讓科學界接受了這樣的觀點：光是由微粒組成的，而不是一種波。1830年，英國醫(yī)生、物理學家托馬斯?楊用實驗否定了這一觀點。他在百葉窗上開了一個小洞，然后用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個很小的洞。讓光線透過，并用一面鏡子反射透過的光線。然后他用一個厚約130英寸的紙片把這束光從中間分成兩束。結(jié)果看到了相交的光線和陰影。這說明兩束光線可以像波一樣相互干涉。這個實驗為一個世紀后量子學說的創(chuàng)立起到

7、了至關(guān)重要的作用。（排名第五）米歇爾?傅科鐘擺實驗略（排名第十）羅伯特?密立根的油滴實驗很早以前，科學家就在研究電。人們知道這種無形的物質(zhì)可以從天上的閃電中得到，也可以通過摩擦頭發(fā)得到。1897年，英國物理學家J?J?托馬斯已經(jīng)確立電流是由帶負電粒子即電子組成的。1909年美國科學家羅伯特?密立根開始測量電流的電荷。密立根用一個香水瓶的噴頭向一個透明的小盒子里噴油滴。小盒子的頂部和底部分別連接一個電池，讓一邊成為正電板，另一邊成為負電板。當小油滴通過空氣時，就會吸一些靜電，油滴下落的速度可以通過改變電板間的電壓來控制。密立根不斷改變電壓，仔細觀察每一顆油滴的運動。經(jīng)過反復(fù)試驗，他得出結(jié)論：電荷

8、的值是某個固定的常量，最小單位就是單個電子的帶電量。（排名第三）盧瑟福發(fā)現(xiàn)核子實驗1911年盧瑟福還在曼徹斯特大學做放射能實驗時，原子在人們的印象中就好像是"葡萄干布丁"，大量正電荷聚集的糊狀物質(zhì)，中間包含著電子微粒。但是他和他的助手發(fā)現(xiàn)向金箔發(fā)射帶正電的阿爾法微粒時有少量被彈回，這使他們非常吃驚。盧瑟福計算出原子并不是一團糊狀物質(zhì)，大部分物質(zhì)集中在一個中心小核上，現(xiàn)在叫作核子，電子在它周圍環(huán)繞。（排名第九）托馬斯?楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉實驗牛頓和托馬斯?楊對光的性質(zhì)研究得出的結(jié)論都不完全正確。光既不是簡單的由微粒構(gòu)成，也不是一種單純的波。20世紀初，麥克斯?普克朗和阿爾伯特?愛因斯坦分別指出一種叫光子的東西發(fā)出光和吸收光。但是其他實驗還是證明光是一種波狀物。經(jīng)過幾十年發(fā)展的量子學說最終總結(jié)了兩個矛盾的真理：光子和亞原子微粒（如電子、光子等等）是同時具有兩種性質(zhì)的微粒，物理上稱它們：波粒二象性。將托馬斯?楊的雙縫演示改造一下可以很好地說明這一點。科