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“最美丽”的十大物理实验

最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，这些“抓”住了物理学家眼中“最美的”科学之魂的实验，就像是一座座历史丰碑一样，人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界的认识更加清晰。

罗伯特·克瑞丝是美国纽约大学石溪分校哲学系的教员、布鲁克海文国家实验室的历史学家，他最近在美国的物理学家中作了一次调查，要求他们提名历史上最美丽的科学实验。9月份出版的《物理学世界》刊登了排名前10位的最美丽实验，其中的大多数都是我们耳熟能详的经典之作。令人惊奇的是这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成，最多有一两个助手。所有的实验都是在实验桌上进行的，没有用到什么大型计算工具比如电脑一类，最多不过是把直尺或者是计算器。

从十大经典科学实验评选本身，我们也能清楚地看出2000年来科学家们最重大的发现轨迹，就像我们“鸟瞰”历史一悉毕样。

《物理学世界》对这些实验进行的排名是根据公众对它们的认识程度，排在第一位的是展示物理世界量子特征的实验。但是，科学的发展是一个积累的过程，9月25日的美国《 *** 》根据时间顺序对这些实验重新排序，并作了简单的解释。

埃拉托色尼测量地球圆周长

古埃及的一个现名为阿斯旺的小镇。在这个小镇上，夏日正午的阳光悬在头顶：物体没有影子，阳光直接射入深水井中。埃拉托色尼是公元前3世纪亚历山大图书馆馆长，他意识到这一信息可以帮助他估计地球的周长。在以后几年里的同一天、同一时间，他在亚历山大量了同一地点的物体的影子。发现太阳光线有轻微的倾斜，在垂直向偏离大约7度角。

剩下的就是几何学问题了。假设地球是球状，那么它的圆周应跨360度。如果两座城市成7度角，就是7／360的圆周，就是当时5000个希腊运动场的距离。因此地球周长应该是25万个希腊运动场。今天，通过航迹测算，我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在5％以内。（排名第七）

伽利略的自由落体实验

在16世纪末，人人都认为重量大的物体比重量小的物体下落得快，因为伟大的亚里士多德已经这么说了。伽利略，当时在比萨大学数学系任职，他大胆地向公众的观点挑战。著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个故事：他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，让大家看到两个物体同时落地。伽利略挑战亚里士多德的代价也许使他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学做出了最后的裁决。（排名第二）

伽利略的加速度实验

伽利略继续提炼他有关物体移动的观点。他做了一个6米多长、3米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。亚里士多德曾预言滚动球的速度是均匀不变的；铜球滚动两倍的时间就走出两倍的路程。伽利略却证明铜球滚动的路程和时间的平方成比例：两倍的时间里，铜球滚动4倍的距离，因为存在恒定的重力加速度。（排名第八）

牛顿的棱镜分解太阳光

艾萨克·牛顿出生那年，伽利略与世长辞。牛顿1665年毕业于剑桥大学的三一学院，后因躲避鼠疫在家里呆了两年，再后来顺利地得到了工作。当时大家都认为白光是一种纯的没有其他颜色的光（亚里士多德就是这样认为的），而彩色光是一种不知何故发生变化的光。

为了验证这个假设，牛顿把一面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，在墙上被分解为不同颜色，后来我们称作为光谱。人们知道彩虹的颜六色，但是他们认为那是因为不正常。牛顿的结论是：正是这些红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色有不同的色谱才形成了表面上颜色单一的白色光，如果睁历芹你深入地看看，会发现白光是非常美丽的。（排名第四）

卡文迪许扭矩实验

牛顿的另一伟大贡献是他的万有引力定律，但是万有引力到底多？

18世纪末，英国科学家亨利·卡文迪许决定要找出这个引力。他两边系有小金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样；再将两个350磅重烂汪的铅球放在相当近的地方，以产生足够的引力让哑铃转动，并扭动金属线。然后用自制的仪器测量出微小的

转动。

测量结果惊人的准确，他测出了万有引力恒量的参数，在此基础上卡文迪许计算地球的密度和质量。卡文迪许的计算结果是：地球重6．0×1024公斤，或者说13万亿万亿磅。（排名第六）

托马斯·杨的光干涉实验

牛顿也不是永远正确。在多次争吵后，牛顿让科学界接受了这样的观点：光是由微粒组成的，而不是一种波。1830年，英国医生、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，然后用厚纸片盖住，再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过，并用一面镜子反射透过的光线。然后他用一个厚约1／30英寸的纸片把这束光从中间分成两束。结果看到了相交的光线和阴影。这说明两束光线可以像波一样相互干涉。这个实验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。（排名第五）

米歇尔·傅科钟摆实验

去年，科学家们在南极安置一个摆钟，并观察它的摆动。他们是重复1851年巴黎的一个著名实验。1851年法国科学家米歇尔·傅科公众面前做了一个实验，用一根长220英尺的钢丝将一个62磅重的上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下，观测记录它前后摆动的轨迹。周

围观众发现钟摆每次摆动都会稍稍偏离原轨迹并发生旋转时，无不惊。实际上这是因为房屋在缓缓移动。

傅科的演示说明地球是在围绕地轴自转的。在巴黎的纬度上，钟摆的轨迹是顺时针方向，30小时一周期。在南半球，钟摆应是逆时针转动，而在赤道上将不会转动。在南极，转动周期是24小时。（排名第十）

罗伯特·米利肯的油滴实验

很早以前，科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从上的闪电中得到，也可以通过摩擦头发得到。1897年，英国物理学家J·J·托马斯已经确立电流是由带负电粒子即电子组成的。1909年美国科学家罗伯特·米利肯开始测量电流的电荷。米利肯用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别连接一个电池，让一边成为正电板，另一边成为负电板。当小油滴通过空气时，就会吸一些静电，油滴下落的速度可以通过改变电板间的电压来控制。

米利肯不断改变电压，仔细观察每一颗油滴的运动。经过反复试，米利肯得出结论：电荷的值是某个固定的常量，最小单位就是单个电子的带电量。（排名第三）

卢瑟福发现核子实验

1911年卢瑟福还在曼彻斯特大学做放射能实验时，原子在人们的印象中就好像是“葡萄干布丁”，大量正电荷聚集的糊状物质，中间包含着电子微粒。但是他和他的助手发现向金箔发射带正电的阿尔法微粒时有少量被弹回，这使他们非常吃惊。卢瑟福计算出原子并不是团糊状物质，大部分物质集中在一个中心小核上，现在叫做核子，

电子在它周围环绕。（排名第九）

托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验 牛顿和托马斯·杨对光的性质研究得出的结论都不完全正确。光既不是简单的由微粒构成，也不是一种单纯的波。20世纪初，麦克斯·普克朗和阿尔伯特·爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其他实验还是证明光是一种波状物。经过几十年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理：光子和亚原子微粒（如电子、光子等等）是同时具有两种性质的微粒，物理上称它们：波粒二象性。

将托马斯·杨的双缝演示改造一下可以很好地说明这一点。科学们用电子流代替光束来解释这个实验。根据量子力学，电粒子流被分为两股，被分得更小的粒子流产生波的效应，它们相互影响，以至产生像托马斯·杨的双缝演示中出现的加强光和阴影。这说明微粒也有波的效应。

《物理学世界》编辑彼特·罗格斯推测，直到1961年，某一位科学家才在真实的世界里做出了这一实验。（排名第一）

最美丽的十大物理实验介绍如下：

1、运用托马斯·杨双缝演示的电子干涉实验；

2、伽里略的自由落体实验；

不受任何阻力，只在重力作用下而降落的物体，叫“自没春由落体”。如在地球引力作用下由静止状态开始下落的物体。地球表面附近的上空可看作是恒定的重力场。如不考虑大气阻力，在该区域内的自由落体运动是匀加速直线运动。

其加速度恒等于重力加速度g。虽然地球的引力和物体到地球中心距离的平方成反比，但地球的半径远大于自由落体所经过的路程，所以引力在地面附近可看作是不变的，自由落体的加速度即是一个不变的常量。它是初速为零的匀加速直线运动。

体现于“自由”二字敬弊上，其含意为：物体开始下落时是静止的即v0=0。如果给物体一个初速度竖直下落，不能算自由落体。物体在下落过程中，除受重力作用外，不再受其他任何作用力（包括空气阻力）。

3、密歇根的油滴实验；

4、牛顿的棱镜分解太阳光实验；

5、托马斯·杨的光干涉实验；

6、卡文迪许扭秤实验；

7、埃拉托枯稿耐塞尼测量地球周长实验；

8、伽里略的加速度实验；

9、卢瑟福发现原子核实验；

10、傅科单摆实验。

十大最美丽的物理实验如下：

歇尔·傅科钟摆实验：1851 年，法国科学家傅科在公众面前展示了一个科学发现。他用一根长220 英尺（约 67 米）的钢丝将一个 62 磅（约 28 千克）重的铁球，悬挂在大教堂的屋顶棚下面。铁球下端装有一只铁笔，铁笔记录铁球摆动时所画出的轨迹。观众发现钟摆在摆动中画出的轨迹会逐渐偏移，并发现轨迹在发生着旋转，因此惊讶不已。

傅科的演示说明房屋的缓慢移动，是因为地球围绕着地轴在自转，并推断在南极时，轨迹是逆时针旋转，转动一周的周期是 24 小时。此实验简单明确地证明了地球在自转。

卢瑟福发现原子核的实验桐唯察：1911 年，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）在曼彻斯特大学的放射能实验室工作。当时人们对原子结构的猜想，就像是一个“葡萄干布丁”，即大量正电荷聚集成的软物质，中间包裹着电子微粒。

但他们发现向金箔发射带正电的 α 粒子时，只有很少量被弹回，这使他们大感意外。卢瑟福经过深思和计算，提出了一个原子结构的新猜想。即原子的绝大部分物质，集中在中心的小核即原子核上，电子在原子核周围做环绕运动，这是一个以实验为基础的全新的原子模型。

伽利略的加速度测定实验：伽利略实验室做了一个 6 米长、3 米宽、光滑笔直的木槽，再把木槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，山散并用水钟测量铜球每次下滑的时间，以测量铜球的滑落速度。

按照亚里士多德的预言，滚动球的速度是均匀不变的，铜球滚动 2 倍的时间会走出 2 倍的路程。而伽利略的实验却证明铜球滚动的路程和时间的平方成正比，铜球滚动在 2 倍时间内会走过 4 倍的距离，由此证明了存在恒定的重力加速度。

埃拉托色尼测量地球圆周长：在公元234年，古希腊数学家埃拉托斯特尼担任亚历山大里亚图书馆的馆长，由此接触到大量的地理资料和地图。夏至这一天正午，在埃及最南端的阿斯旺小镇，埃拉托斯特尼观察到，太阳是升到天顶的，阳光可一直照射到井底。第二年同一天的中午，埃拉托斯特尼在亚历山大市测量出阳光与当地法线的交角，即 θ 角。

卡文迪什的扭矩实验：牛顿的伟大贡献之一是他阐明了万有引力定律，但是万有引力到底有多大，却是 18世纪另一位英国科学家亨利·卡文迪什测定的。他将两边系有小金球的 6 英尺（约 1.8米）木棒，

用金属线悬吊起来，就像一个悬空的哑铃，再将 350 磅（约 159 千克）重的铅球分别放在哑铃的近端，以产生足够的引力使哑铃转动，并使金属线发生扭转，然后测量金属线所受到的微小扭矩。实验惊人准确地测出了万有引力恒量的参数。

托马斯·杨的光干涉实验：1830 年英国医生、物理学家托马斯·杨，采用双缝装置，把一束单色光先分离为两束，分别通过窄缝并形成干涉。由于两者在不同屏幕位置局茄产生了相位差，再合并照射到屏幕上，生成了明暗条纹。证明光也可以像水波一样相互干涉，从而证明了光线有波一样的性质。

牛顿的棱镜色散实验：牛顿 1665 年毕业于剑桥大学三一学院，当时大家都信奉亚里士多德的说法，即太阳光是一种纯色的白光。但彩色是如何出现的呢？人们无法解释雨后的彩虹的色彩。

牛顿把一面三棱镜放在一束阳光下，当阳光穿过这种均匀的透明介质后，由不同波长组成的阳光发生了不同角度的折射，出现了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的基础色带。这是因为同一种介质对不同色光的折射率不同。他又用 7 种颜色组成的圆盘高速旋转，合成了白色的光，使人们对阳光有了较深入的认识。

罗伯特·米利肯的油滴实验：虽然早在 1897 年，英国物理学家 J.J. 汤姆逊已经证明阴极射线是由带负电的粒子（即电子）组成，但电子电量的定量测量却是由美国科学家罗伯特·米利肯在 1909 年完成的。米利肯用一个香水瓶喷头，向另一个透明的小盒子里喷油滴。

小盒子的顶部和底部分别连接一个电池的电极，当小油滴通过两个电极板时，会捕获一些静电。油滴下落部速度可以通过改变两个电极板之间的电压来控制。米利肯不断改变电压，仔细观察每一颗油滴的运动，发现油滴带电量是不连续的，它们都是一个最小数值的整数倍，这个最小值是某一常数，即单个电子的带电量。

伽利略的自由落体实验：1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的实验，得出了重量不同的两个铁球同时下落的结论，从此推翻了亚里士多德“物体下落速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900多年之久的错误结论。关于自由落体实验，伽利略做了大量的实验，他站在斜塔上面让不同材料构成的物体从塔顶上落下来，

并测定下落时间有多少差别。结果发现，各种物体都是同时落地，而不分先后。也就是说，下落运动与物体的具体特征并无关系。无论木制球或铁制球，如果同时从塔上开始下落，它们将同时到达地面。伽利略通过反复的实验，认为如果不计空气阻力，轻重物体的自由下落速度是相同的，即重力加速度的大小都是相同的。

托马斯·杨继“双缝实验”后的实验：20 世纪初，普朗克和爱因斯坦指出光的波粒二重性，从一些实验中可见光波的干涉现象；而从另一些实验中，如解释光电效应时，光又是由离散的粒子构成的。托马斯·杨设想能通过实验直接地观察到这一现象。

他设想使被分成两股的粒子流，通过双缝实验装置，看看是否会发生相互干涉，出现明暗条纹，同时也呈现出光的特性。这种用简单方法验证光的波粒二重性的实验有深奥的原理，但实际上这个实验有较大的难度，直到 1961 年才从设想变成现实。