兩位美國學者對全國物理學家進行了一項調查,請他們提名歷史上十大最杰出的物理實驗。 該成果發表在美國《物理世界》雜志上。 令人驚訝的是,十個經典實驗幾乎全部是一個人獨自完成的,或者最多是在一兩個助手的協助下完成的。 實驗中未使用計算機等大型計算工具。 最多只是一把尺子或者一個計算器。
所有這些實驗的另一個共同點是,它們只“捕捉”了物理學家眼中“最美”的科學靈魂:用最簡單的儀器設備,發現最基本、最簡單的科學概念,就像它們就像歷史上的科學一樣。這些古跡一掃人們長期以來的困惑和模糊,開啟了對自然世界的新認識。
從十大經典科學實驗的評選本身,我們也可以清晰地看到過去2000年來科學家最重大發現的軌跡,就像我們對歷史有了“鳥瞰”一樣。 《紐約時報》9月24日對此進行了專門介紹。
1.托馬斯·楊的光干涉實驗
1800 年,英國醫生兼物理學家托馬斯·楊 ( Young) 對牛頓關于光的粒子性的觀點提出了挑戰。 他在百葉窗上剪了一個小洞,用一張厚紙蓋住,然后在紙上戳了一個很小的洞。 讓光線透過,并用鏡子反射透過的光線。 然后他用一張大約 1/30 英寸厚的紙將光線從中間分成兩束。 結果是看到光與影的交叉。 這表明兩束光可以像波一樣相互干涉。 這個實驗對一個世紀后量子理論的創立發揮了至關重要的作用。
2.伽利略的自由落體實驗
伽利略在比薩大學數學系任職期間大膽挑戰亞里士多德的觀點。 當時,亞里士多德和公眾一致認為,較重的物體比較輕的物體下落得更快。 于是他同時從斜塔上扔下了一個輕的物體和一個重的物體,這樣大家就可以看到兩個物體同時落地。 這個實驗向世人展示了尊重科學、不畏權威的可貴精神。
3、牛頓棱鏡太陽光分解實驗
17世紀的人們相信陽光是純凈的光,沒有其他顏色。 為了驗證陽光是否是白色的,牛頓在太陽下放置了一個棱鏡。 通過棱鏡,光線在墻上分解成不同的顏色,從而產生了我們后來知道的光譜。
4.埃拉托色尼測量了地球的周長
公元3世紀,許多人嘗試測量地球的周長。 但大多缺乏理論基礎,計算結果很不準確。 古希臘人埃拉托色尼創新地將天文學和大地測量學結合起來。 他最早提出夏至時,同時在兩處觀測太陽的位置,并根據地面物體影子長短的差異進行研究和分析。 總結計算地球周長的科學方法。 他計算出的地球周長與實際數據僅相差5%。 能夠在2000多年前準確測量地球的周長是一項了不起的成就。
5.伽利略的加速實驗
亞里士多德曾經預言,滾動的球的速度是均勻的,球在滾動兩倍的時間內會移動兩倍的距離。 但伽利略用實驗證明了球滾動的距離與時間的平方成正比。 伽利略在斜面實驗中還發現,只要將摩擦力減小到可以忽略不計的程度,球滾下斜面后就能滾上另一個斜面,而不管斜面的傾斜角度如何。 換句話說,無論第二個斜坡延伸多遠,球總會到達與起點相同的高度。 如果第二個斜面水平放置并無限延伸,球將繼續移動。
6.傅科擺實驗
1851年,法國著名物理學家福柯公開進行了一項實驗,以驗證地球的自轉。 他用一根67m長的鋼絲將一個28kg的擺錘掛在頭上,并用一支筆觀察并記錄結果。 它的擺動軌跡。 當周圍的觀眾注意到,鐘擺每一次擺動,都稍微偏離了原來的軌跡,并且發生了旋轉。 事實上,這是因為房子在緩慢移動,或者更準確地說,是懸浮擺線的頂點在旋轉。
7.羅伯特密立根的油滴實驗
1909年,美國科學家羅伯特·密立根開始測量電流的電荷。 他用香水瓶的噴嘴將油滴噴入一個透明的小盒子里。 小盒子的頂部和底部放置一個帶正電的電板和另一個帶負電的電板。 當小油滴穿過空氣時,它們帶有一些靜電,可以通過改變電路板的電壓來控制它們下落的速度。 經過反復實驗,密立根得出結論:電荷的值是一個固定的常數,最小單位是單個電子的電荷。
8.卡文迪什扭轉尺度實驗
牛頓提出了萬有引力理論,那么萬有引力有多大呢? 18世紀末,英國科學家亨利·卡文迪什找到了一種計算方法。 他用一根金屬絲懸掛了一根兩端都有金屬球的 6 英尺長的木棍。 將兩個 350 磅重的橡膠球放置得足夠近,以引起金屬球旋轉伽利略斜面實驗,從而導致電線扭曲。 然后使用自制儀器測量微小的旋轉。 通過這個實驗,他測量了重力參數常數,并根據卡文迪什計算了地球的密度和質量。
9.α粒子散射實驗
著名科學家盧瑟福在1909年進行了著名的α粒子散射實驗。該實驗使用準直α射線轟擊微米厚的金箔。 他發現絕大多數α粒子穿過金箔后繼續沿原來的方向運動,但少數α粒子發生了較大的偏轉,極少數α粒子偏轉超過90°,并且有些顆粒甚至反彈180°。 。 這個實驗開創了原子結構研究的先河。 它為現代核理論的建立奠定了基礎。
10. Young的雙縫演示應用于電子干涉實驗
光同時具有波動性和粒子性,那么粒子也具有這種屬性嗎? 1961年,孫強制作了長50mm、寬0.3mm、縫間距1mm的雙縫,將電子束加速到50keV,然后讓其通過雙縫。 當電子撞擊熒光屏時伽利略斜面實驗,就會顯示出可見的圖案。 電子雙縫干涉實驗的圖形與光雙縫干涉實驗結果的相似性給人們留下了深刻的印象,表明電子是波狀的。 科學家們用電子流代替光束對實驗進行了解釋。
以上就是人類歷史上10個經典物理實驗。 任何實驗結論都是人類文明進步的重要基石。 讓我們感謝這些科學家為人類文明做出的貢獻。 正是有了這些經典理論,我們才能站在前人的肩膀上,探索更多的未知。