那些伟大的物理学实验(上) | 线上科学日

实验是推动科学向前发展的重要动力。如果你有一套关于世界运行的理论，那它必须要经过实验的检验。而如果你的理论很不幸地没有被实验所验证，那么你就得重新修改你的理论并且再去做更多的实验来验证它。尽管近现代以来，由于我们研究的尺度越来越小，很多时候到了原子甚至原子以下的级别，很多的科学进展往往更偏向理论性，但是纵观整个科学发展史，特别是物理学发展史，实验还是占据了相当强的主导地位。我们关于这个世界运行机制的里程碑式的研究成果也往往是通过十分精妙、独到而又简洁的实验来发现和证明的，这些实验蕴含着“令人窒息”的科学之美。在这些实验中，我们挑选了十个我们认为十分伟大的物理学实验与大家分享。当然，如果你有其它的补充，欢迎在评论区给我们留言。

 

1、伽利略的比萨斜塔实验（1589）

伽利略（1564-1642）是意大利著名的物理学家、数学家、天文学家和哲学家，被誉为是“现代观测天文学之父”、“现代物理学之父”、“科学之父”以及“现代科学之父”。伽利略的研究结果对牛顿提出、完善牛顿运动定律中的第一、第二定律有一定的启示。因而，史蒂芬·霍金曾说：“自然科学的诞生要归功于伽利略。” 伽利略所研究的中心问题就是仅在重力影响下的落体运动问题，而我们要说的比萨斜塔实验便是其中最为重要的实验。

在16世纪的意大利，科学主要还是古希腊的那一套理论。古希腊哲学家亚里士多德就认为，质量越大的物体自由落体的速度更快。然而伽利略却不认同这个观点。

他先构造了一个思想实验从逻辑上进行反驳：根据亚里士多德的说法，如果一个轻的物体和一个重的物体绑在一起然后从塔上丢下来，那么重的物体下落的速度快，两个物体之间的绳子会被拉直，这时轻的物体对重物会产生一个阻力，使得下落速度变慢；但是，从另一方面来看，两个物体绑在一起以后的质量应该比任意一个单独的物体都大，那么整个系统下落的速度应该更快。这显然是自相矛盾的。1589年，伽利略在比萨斜塔上用两个质量不同的球同时下落，尽管质量不同，但是两个球同时到达了地面，证明了亚里士多德的理论是完全错误的。

对于羽毛比石头下落得慢的原因，伽利略认为是空气阻力的影响。有趣的是，执行阿波罗15号登月任务的宇航员，在月球没有空气的条件下进行了羽毛和石头的自由落体实验，证明了伽利略的正确性。如果你感兴趣，你可以在网上找到这个在月球上进行的实验的视频。

 

2、牛顿的光的色散实验（1672）

如果你问一个中学生甚至是小学生“彩虹形成的原理”，他们都会告诉你彩虹是由于太阳光经过空气中的小水滴折射后形成的。然而，这么一个现在几乎众所周知的问题，在17世纪牛顿发现光的色散之前，没有人知道答案。

艾萨克·牛顿（1643 1727）是一位英格兰物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。1687年他发表《自然哲学的数学原理》，阐述了万有引力和三大运动定律，奠定了此后三个世纪里力学和天文学的基础，成为了现代工程学的基础。然而，他亦在光学方面有突出的贡献，其中最具代表性的就是光的色散实验。

牛顿做了一个著名的三棱镜实验，他记载道：“我做了一个三角形的玻璃棱柱镜，利用它来研究光的颜色。为此，我把房间里弄成漆墨的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进来。我又把棱镜放在光的入口处，使折射的光能够射到对面的墙上去，当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的光色时，使我感到极大的愉快。”通过这个实验，在墙上得到了一个彩色光斑，颜色的排列是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。牛顿把这个颜色光斑叫做光谱。

后来，牛顿进一步改进实验，获得更纯的光谱，并提出理论解释这一现象，并用更多的实验加以验证。

 

3、卡文迪许的扭秤实验（1798）

在英国的剑桥大学，有一座卡文迪许实验室，它是世界上最伟大的物理实验室之一。而它的名字，则是来源于18世纪著名的科学家亨利·卡文迪许。

卡文迪许（1731- 1810），英国物理学家、化学家。他首次对氢气的性质进行了细致的研究，证明了水并非单质，预言了空气中稀有气体的存在。他首次发现了库伦定律和欧姆定律，将电势概念广泛应用于电学，并精确测量了地球的密度，被认为是牛顿之后英国最伟大的科学家之一。

卡文迪许的扭秤实验是第一个在实验室内完成的测量两个物体之间万有引力的实验，并且第一个准确地求出了万有引力常数和地球质量。其他人则通过他的实验结果求得了地球密度。

卡文迪许制造的实验装置是一台扭秤。用线捆绑的1.8m长的木棍两端各有一个直径2英寸，重为1.61英磅的铅制球。两个直径12-英寸，重为348-英磅的大铅球分别放在小球附近大约9英寸远，各自用悬挂装置挂起。实验即测量大球和小球之间微弱的引力。

两个大球放在水平木棒的两侧，使得它们施加于小球的力使木棒向同一个方向旋转。小球和木棒受力旋转后，吊起木棒的丝线就会旋转，直到丝线中产生的反向力矩与大小球之间引力的力矩平衡为止。通过测量木棒转过的角度可以知道丝线扭转后产生的力矩，进而可以得出大小铅球之间的引力大小。地球和铅球之间的引力可以通过测量铅球所受的重力直接得出，因此根据万有引力定律可直接得到地球的质量，以及密度。

这是科学家第一次测量并得到比较精确的万有引力常数，这样，对于天体以及地球质量的估计才成为可能。实验的难点在于完全去除环境的干扰，以及扭秤和光标的精度。卡文迪许在这方面做出了创造性的工作，其实验精度，在后续的近百年时间里，没有人能超过。在18世纪的工艺条件下，完成这样精度的实验是一个伟大的成就。

 

4、托马斯·杨的双缝干涉实验（1803）

前面我们已经提到了牛顿在科学上做出的巨大贡献，然而，并不是他所有的理论都是正确的。对于光的本质，牛顿认为，光是一个一个的小的微粒，但是杨氏双缝干涉实验却证明了光的“微粒说”是错误的。

托马斯·杨（1773-1829）是英国的物理学家和通识学家。1803年，托马斯·杨做了经典的杨氏双缝干涉实验。他在一块板上做了两个十分狭窄的缝，并在它们之间放置了一个光源，使他们同时穿过两个狭缝后照在板后面的墙上。如果牛顿的“微粒说”是正确的，那么我们就应该在墙上看到两条亮线，剩下的部分都是黑暗的。但是，实验结果表明，墙上出现了明暗相间的条纹，两个狭缝的光出现了波的性质——干涉。这个实验证明了光的“微粒说”是错误的。

然而，故事到这里并没有结束。在人们广泛认同光的波动说之后，1905年，爱因斯坦利用光子的概念成功地解释了光电效应现象，并因此在1921年获得了诺贝尔物理学奖（爱因斯坦并没有因为相对论获得诺贝尔奖）。后来人们才逐渐认识到光具有“波粒二象性”。

 

5、焦耳的热功当量实验（1840）

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818-1889）是英国的物理学家。国际单位制导出单位中，能量的单位——焦耳，就是以他的名字命名。焦耳在研究热的本质时，发现了热和功之间的转换关系，并由此得到了能量守恒定律，最终发展出热力学第一定律。

在19世纪40年代，“热质说”风行一时，这种理论认为，热的传递是依靠一种假想的无重量流体——热质的流动。但是焦耳认为热质并不存在，热是能量的一种形式，为此他做了大量实验。

图中就是焦耳热功当量实验的装置示意图。重砝码缓慢匀速下降，带动轮轴和转轴使翼轮搅拌水，功转变为热，使水温升高。由温度计测出搅拌前后水的温差而算出热量Q。转变为热能的机械功W可由砝码下降的距离算出。由公式W=JQ即可测定热功当量J。焦耳测定热功当量的实验是在英国曼彻斯特进行的，其结果是使1磅水升高1华氏度需作功772英尺磅，这相当于1卡路里=4.157焦耳。

国际单位制中已经规定热量的单位为焦耳，卡路里仍作为同焦耳并用的单位。热功当量这个词也将逐渐被废除，但焦耳热功当量实验的历史意义，将是永存的。

（未完待续）

作者：Chris Woodford

编译：Alex Yuan

审校：zcl

原文链接：http://www.explainthatstuff.com/great-physics-experiments.html

译者在原文基础上有所改动，删减部分内容，并从Wikipedia和百度百科中选取部分内容进行补充，部分图片素材来源于网络。

编辑：Alex Yuan

---

精彩往期

点击图片进入

---

近期热门文章Top10

↓ 点击标题即可查看 ↓

---