《物理世界》雜誌刊出世界十大經典物理試驗(圖)

    牛頓的稜鏡分解太陽光
    最近，美國兩位學者在全美物理學家中做了一份調查，請他們提名有史以來最出色的十大物理試驗，結果刊登在了9月份的美國《物理世界》雜誌上。其中多數都是我們在中學課本中耳熟能詳的經典之作。
    令人驚奇的是十大經典試驗幾乎都是由一個人獨立完成，或者最多有一兩個助手協助。試驗中沒有用到什麼大型計算工具比如電腦一類，最多不過是把直尺或者是計算器。
    所有這些實驗的另外共通之處是他們都僅僅「抓」住了物理學家眼中「最美麗」的科學之魂：最簡單的儀器和設備，發現了最根本、最單純的科學概念，就像是一座座歷史豐碑一樣，掃開人們長久的困惑和含糊，開闢了對自然界的嶄新認識。
    從十大經典科學試驗評選本身，我們也能清楚地看出2000年來科學家們最重大的發現軌跡，就像我們「鳥瞰」歷史一樣。9月24日的《紐約時報》(按時間先後順序)對此做了專門介紹。
    埃拉託色尼測量地球圓周
    排名第七。在公元前3世紀，埃及的一個名叫阿斯瓦的小鎮上，夏至正午的陽光懸在頭頂。物體沒有影子，太陽直接照入井中。埃拉託色尼意識到這可以幫助他測量地球的圓周。在幾年後的同一天的同一時間，他記錄了同一地點的物體的影子。發現太陽光線有稍稍偏離，與垂直方向大約成7度角。剩下的就是幾何問題了。假設地球是球狀，那麼它的圓周應是360度。如果兩座城市成7度角，就是7/360的圓周，就是當時5000個希臘運動場的距離。因此地球圓周應該是25萬個希臘運動場。今天我們知道埃拉託色尼的測量誤差僅僅在5%以內。
    伽利略的自由落體試驗
    排名第二。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的快因為偉大的亞里斯多德是這麼說的。伽利略，當時在比薩大學數學系任職，他大膽的向公眾的觀點挑戰，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。他向世人展示尊重科學而不畏權威的可貴精神。
    伽利略的加速度試驗
    排名第八。伽利略繼續他的物體移動研究。他做了一個6米多長，3米多寬的光滑直木板槽。再把這個木板槽傾斜固定，讓銅球從木槽頂端沿斜面滑下。然後測量銅球每次下滑的時間和距離，研究它們之間的關係。亞里斯多德曾預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：兩倍的時間裡，銅球滾動4倍的距離。因為存在重力加速度。
    牛頓的稜鏡分解太陽光
    排名第四。艾薩克·牛頓出生那年，伽利略與世長辭。牛頓1665年畢業於劍橋大學的三一學院。當時大家都認為白光是一種純的沒有其它顏色的光，而有色光是一種不知何故發生變化的光(又是亞利斯多德的理論)。
    為了驗證這個假設，牛頓把一面三稜鏡放在陽光下，透過三稜鏡，光在牆上被分解為不同顏色，後來我們稱作為光譜。人們知道彩虹的五顏六色，但是他們認為那時因為不正常。牛頓的結論是：正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎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，會發現白光是非常美麗的。
    卡文迪許扭矩試驗
    排名第六。牛頓的另一大貢獻是他的萬有引力理論：兩個物體之間的吸引力與他們質量的平方成正比，與他們距離的平方成反比。但是萬有引力到底多大？
    18世紀末，英國科學家亨利·卡文迪許決定要找到一個計算方法。他把兩頭帶有金屬球的6英尺木棒用金屬線懸吊起來。再用兩個350磅重的皮球放在足夠近的地方，以吸引金屬球轉動，從而使金屬線扭動，然後用自製的儀器測量出微小的轉動。
    測量結果驚人的準確，他測出了萬有引力的參數恆量。在卡文迪許的基礎上可以計算地球的密度和質量。地球重：6.0×1024公斤，或者說13萬億萬億磅。
    託馬斯·楊的光幹涉試驗
    排名第五。牛頓也不是永遠都對。牛頓曾認為光是由微粒組成的，而不是一種波。1830年英國醫生也是物理學家的託馬斯·楊向這個觀點挑戰。他在百葉窗上開了一個小洞，然後用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個很小的洞。讓光線透過，並用一面鏡子反射透過的光線。然後他用一個厚約1/30英寸的紙片把這束光從中間分成兩束。結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幹涉。這個試驗為一個世紀後量子學說的創立起到了至關重要的作用。
    米歇爾·傅科鐘擺試驗
    排名第十。1851年法國科學家傅科當眾做了一個實驗，用一根長220英尺的鋼絲吊著一個重62磅重的頭上帶有鐵筆的鐵球懸掛在屋頂下，觀測記錄它的擺動軌跡。周圍觀眾發現鐘擺每次擺動都會稍稍偏離原軌跡並發生旋轉時，無不驚訝。實際上這是因為房屋在緩緩移動。傅柯的演示說明地球是在圍繞地軸旋轉。在巴黎的緯度上，鐘擺的軌跡是順時針方向，30小時一周期。在南半球，鐘擺應是逆時針轉動，而在赤道上將不會轉動。在南極，轉動周期是24小時。
    羅伯特·米利肯的油滴試驗
    排名第三。很早以前，科學家就在研究電。人們知道這種無形的物質可以從天上的閃電中得到，也可以通過摩擦頭髮得到。1897年，英國物理學家託馬斯已經得知如何獲取負電荷電流。1909年美國科學家羅伯特·米利肯開始測量電流的電荷。
    他用一個香水瓶的噴頭向一個透明的小盒子裡噴油滴。小盒子的頂部和底部分別放有一個通正電的電板，另一個放有通負電的電板。當小油滴通過空氣時，就帶有了一些靜電，他們下落的速度可以通過改變電板的電壓來控制。經過反覆試驗米利肯得出結論：電荷的值是某個固定的常量，最小單位就是單個電子的帶電量。
    盧瑟福發現核子
    排名第九。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「葡萄乾布丁」，大量正電荷聚集的糊狀物質，中間包含著電子微粒。但是他和他的助手發現向金箔發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。盧瑟福計算出原子並不是一團糊狀物質，大部分物質集中在一個中心小核上，現在叫作核子，電子在它周圍環繞。
    託馬斯·楊的雙縫演示應用於電子幹涉試驗
    排名第一。牛頓和託馬斯·楊對光的性質研究得出的結論都不完全正確。光既不是簡單的由微粒構成，也不是一種單純的波。20世紀初，麥克斯·普克朗和艾伯特·愛因斯坦分別指出一種叫光子的東西發出光和吸收光。但是其他試驗還是證明光是一種波狀物。經過幾十年發展的量子學說最終總結了兩個矛盾的真理：光子和亞原子微粒，(如電子、光子等等)是同時具有兩種性質的微粒，物理上稱它們：波粒二象性。
    將託馬斯·楊的雙縫演示改造一下可以很好的說明這一點。科學家們用電子流代替光束來解釋這個實驗。根據量子力學，電粒子流被分為兩股，被分得更小的粒子流產生波的效應，他們相互影響，以至產生像託馬斯·楊的雙縫演示中出現的加強光和陰影。這說明微粒也有波的效應。
    是誰最早做了這個試驗已經無法考證。根據刊登在《今日物理》雜誌的一篇論文看，人們推測應該是在1961年。
    (吳曼編譯)