史上最“美”的十大物理实验
中科院物理所 [color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]Today
The following article is from 原点阅读 Author 金涌
啥？听说物理届也搞过“选美比赛”？
没想到你们科学界也这么“看颜值”！罗伯特·克瑞斯是美国布鲁克海文国家实验室的历史学家，他在物理学界做了一次调查，要求各位学者提名历史上最美丽的科学实验。调查的结果中，排名前十的各项实验，并不是耗资数亿美元以上、动员数百名科学家参加、需要超级计算机处理几个月的大项目。在物理学家眼睛里，最“美丽”的实验，是用简单的仪器和设备，发现最根本、最深邃的科学现象。
Top10 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。
钟摆实验 示意图 Top9 卢瑟福发现原子核的实验
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。
α粒子散射实验装置示意图
Top8 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，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。
加速度测定实验 示意图
Top7 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。 假定太阳光是平行光线时，则 θ 角与圆心角 θ'为同位角，有 θ=θ'。由于圆心角与对应的弧长 l 成正比关系，则有 θ'/360° =l/c。图中，l 是两地间距离，已可以测得。这样只有地球周长 c 为未知数，通过关系式就可以计算出地球周长了。埃拉托斯特尼计算出的地球周长为 40,074 千米，而用现代科学方法测得的地球平均周长为 40,076 千米，两者仅相差2千米。此实验在几千年前的科技条件下，准确率很高地测量出了地球的周长。 地球圆周长测定 示意图
Top6 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。
扭矩实验 示意图
Top5 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。
双缝实验 示意图
Top4 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。
棱镜色散实验 示意图
Top3 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。
油滴实验 示意图
Top2 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。
自由落体实验 示意图
Top1 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。
这些重大发现的实验过程，似乎离我们很遥远，但似乎又离我们很近。 很多有价值的发现其实都不是遥不可及的。 科学探索的过程就好像人们站立在一个纸糊的窗前，看到的是一片茫然，而当这些大师在窗户上刺破一个洞时，则豁然开朗，看到美丽的风景。
来源：《科技创新启示录：创新与发明大师轶事》、百度百科 编著：金涌图片来源于网络版权归原作者所有编辑：张润昕
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发表于 2021-3-31 23:49
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