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物理是什么？

物理是來自于實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)對于物理學(xué)的前進(jìn)與發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

可能很多人認(rèn)為物理實(shí)驗(yàn)是枯燥、繁瑣、無聊的，但事實(shí)上，真正優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)必須首先是美麗的。

下面就是世界知名物理學(xué)家們聯(lián)合評選出的物理學(xué)史上十大最美麗的實(shí)驗(yàn)。

這十大實(shí)驗(yàn)中的絕大多數(shù)是科學(xué)家獨(dú)立完成的，最多有一兩個助手。

所有的實(shí)驗(yàn)都“抓”住了物理學(xué)家眼中“最漂亮”的科學(xué)之魂，這種漂亮是一種經(jīng)典概念：使用最簡單的儀器和設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學(xué)概念。

十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)猶如十座歷史豐碑，掃開人們長久的困惑和含糊，開辟了對自然界的嶄新認(rèn)識。

從十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)評選本身，我們也能清楚地看出 2000 年來科學(xué)家們最重大的發(fā)現(xiàn)軌跡，就像我們“鳥瞰”歷史一樣。

第10名：傅科鐘擺實(shí)驗(yàn)

2001年，科學(xué)家們在南極安置一個擺鐘，并觀察它的擺動。他們是在重復(fù)1851年巴黎的一個著名實(shí)驗(yàn)。

1851年，法國科學(xué)家傅科在公眾面前做了一個實(shí)驗(yàn)，用一根長220英尺的鋼絲將一個62磅的頭上帶有鐵筆的鐵球懸掛在屋頂下，觀測記錄它前后擺動的軌跡。

周圍觀眾發(fā)現(xiàn)鐘擺每次擺動都會稍稍偏離原軌跡并發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，無不驚訝。

實(shí)際上這是因?yàn)榉课菰诰従徱苿印?/span>

傅科的演示說明地球是在圍繞地軸自轉(zhuǎn)的。

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(yīng)是逆時針轉(zhuǎn)動，而在赤道上將不會轉(zhuǎn)動。

在南極，轉(zhuǎn)動周期是24小時。

第9名：盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)

1911年盧瑟福還在曼徹斯特大學(xué)做放射能實(shí)驗(yàn)時，原子在人們的印象中好像是“葡萄干布丁”，大量正電荷聚集的糊狀物質(zhì)，中間包含著電子微粒。

但是他和他的助手發(fā)現(xiàn)向金箔發(fā)射帶正電的α微粒時有少量被彈回，這使他們非常吃驚。

盧瑟福計(jì)算出原子并不是一團(tuán)糊狀物質(zhì)，大部分物質(zhì)集中在一個中心小核上，現(xiàn)在叫作核子，電子在它周圍環(huán)繞。

第8名：伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)

伽利略提煉他有關(guān)物體移動的觀點(diǎn)。

他做了一個6m多長、3m多寬的光滑直木板槽，再把這個木板槽傾斜固定，讓鋼球從木槽頂端沿斜面滑下，并用水鐘測量鋼球每次下滑的時間，研究它們之間的關(guān)系。

亞里士多德曾預(yù)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。

伽利略卻證明鋼球滾動的路程和時間的平方成比例：兩倍的時間里，銅球滾動了4倍的距離，因?yàn)榇嬖诤愣ǖ闹亓铀俣取?/span>

第7名：埃拉托色尼測量地球圓周長

古埃及有一個現(xiàn)名為阿斯旺的小鎮(zhèn)。

在這個小鎮(zhèn)上，夏至日正午的陽光懸在頭頂，物體沒有影子，陽光直接射入深水井中。

埃拉托色尼是公元前3世紀(jì)亞歷山大圖書館的館長，他意識到這一信息可以幫助他估計(jì)地球的周長。

在以后幾年里的同一天、同一時間，他在亞歷山大測量了同一地點(diǎn)的物體的影子。發(fā)現(xiàn)太陽光線有輕微的傾斜，在垂直方向偏離了大約7°。

假設(shè)地球是球狀，那么它的圓周應(yīng)跨越360°。

如果兩座城市成7°，就是7／360的圓周，就是當(dāng)時5000個希臘運(yùn)動場的距離。

因此地球周長應(yīng)該是25萬個希臘運(yùn)動場。今天，通過航跡測算，我們知道埃拉托色尼的測量誤差僅僅在5％以內(nèi)。

第6名：卡文迪什扭秤實(shí)驗(yàn)

牛頓的另一偉大貢獻(xiàn)是他的萬有引力定律，但是萬有引力到底多大？

18世紀(jì)末，英國科學(xué)家亨利·卡文迪什決定要找出這個引力。

他將小金屬球系在長為6英尺（1英尺等于0.305米）木棒的兩邊并用金屬線懸吊起來，這個木棒就像啞鈴一樣。

再將兩個350磅（1磅等于0.4536千克）的銅球放在相當(dāng)近的地方，以產(chǎn)生足夠的引力讓啞鈴轉(zhuǎn)動，并扭轉(zhuǎn)金屬線。

然后用自制的儀器測量出微小的轉(zhuǎn)動。

測量結(jié)果驚人地準(zhǔn)確，他測出了萬有引力恒量的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上卡文迪什計(jì)算地球的密度和質(zhì)量。

卡文迪什的計(jì)算結(jié)果是地球的質(zhì)量為6.0x1024kg。

第5名：托馬斯·楊的光干涉實(shí)驗(yàn)

在多次爭吵后，牛頓讓科學(xué)界接受了這樣的觀點(diǎn)：光是由微粒組成的，而不是一種波。但牛頓也不是永遠(yuǎn)正確的。

1830年，英國醫(yī)生、物理學(xué)家托馬斯·楊用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這一觀點(diǎn)。

他在百葉窗上開了一個小洞，然后用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個很小的洞。讓光線透過，并用一面鏡子反射透過的光線。

然后他用一個厚約三十分之一英寸的紙片把這束光從中間分成兩束。結(jié)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干涉。這個實(shí)驗(yàn)為一個世紀(jì)后量子學(xué)說的創(chuàng)立起到了至關(guān)重要的作用。

第4名：牛頓的色散實(shí)驗(yàn)

牛頓出生那年，伽利略與世長辭。

牛頓1665年畢業(yè)于劍橋大學(xué)的三一學(xué)院，因躲避鼠疫在家里呆了兩年，后來順利地得到了工作。

當(dāng)時大家都認(rèn)為白光是一種純的沒有其他顏色的光（亞里士多德就是這樣認(rèn)為的），而彩色光是一種不知何故發(fā)生變化的光。

為了驗(yàn)證這個假設(shè)，牛頓把一面三棱鏡放在陽光下，透過三棱鏡，光在墻上被分解為不同顏色，后來我們稱作為光譜。

人們知道彩虹的五顏六色，但卻不知其原因。

牛頓的結(jié)論是：正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)白光是非常美麗的。

第3名：密立根的油滴實(shí)驗(yàn)

很早以前，科學(xué)家就在研究電。

人們知道這種無形的物質(zhì)可以從天上的閃電中得到，也可以通過摩擦頭發(fā)得到。

1897年，英國物理學(xué)家J·J·托馬斯已經(jīng)確立電流是由帶負(fù)電粒子即電子組成的。

1909年，美國科學(xué)家羅伯特·密立根開始測量電流的電荷。

密立根用一個香水瓶的噴頭向一個透明的小盒子里噴油滴。

小盒子的頂部和底部分別連接一個電池，讓一邊成為正電極，另一邊成為負(fù)電極。

當(dāng)小油滴通過空氣時，就會吸一些靜電，油滴下落的速度可以通過改變電板問的電壓來控制。

密立根不斷改變電壓，仔細(xì)觀察每一顆油滴的運(yùn)動。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，10年后，密立根得出結(jié)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。

第2名：伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)

在16世紀(jì)末，人人都認(rèn)為重量大的物體比重量小的物體下落得快，因?yàn)閭ゴ蟮膩喞锸慷嗟乱呀?jīng)這么說了。

伽利略，當(dāng)時在比薩大學(xué)任職，他大膽地向公眾的觀點(diǎn)挑戰(zhàn)。

著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為科學(xué)中的一個故事：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。

枷利略挑戰(zhàn)亞里士多德的代價(jià)也使他失去了工作，但他展示的是自然界的本質(zhì)，而不是人類的權(quán)威，科學(xué)作出了最后的裁決。

第1名：托馬斯·楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉實(shí)驗(yàn)

牛頓和托馬斯·楊對光的性質(zhì)研究得出的結(jié)論都不完全正確。

光既不是簡單地由微粒構(gòu)成，也不是一種單純的波。

20世紀(jì)初，普朗克和愛因斯坦分別指出一種叫光子的東西發(fā)出光和吸收光。

但是其他實(shí)驗(yàn)還是證明光是一種波狀物。

經(jīng)過幾十年發(fā)展的量子學(xué)說最終總結(jié)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(zhì)的微粒，物理上稱它們具有波粒二象性。

將托馬斯·楊的雙縫演示改造一下可以很好地說明這一點(diǎn)。

科學(xué)家們用電子流代替光束來解釋這個實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)量子力學(xué)，電粒子流被分為兩股，被分得更小的粒子流產(chǎn)生波的效應(yīng)，它們相互影響，以至產(chǎn)生像托馬斯·楊的雙縫演示中出現(xiàn)的加強(qiáng)光和陰影。

這說明微粒也有波的效應(yīng)。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，又是檢驗(yàn)物理學(xué)理論的惟一手段，特別是現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，更和實(shí)驗(yàn)有著密切的聯(lián)系?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，不斷地揭示和發(fā)現(xiàn)各種新的物理現(xiàn)象，日益加深人們對客觀世界規(guī)律的正確認(rèn)識，從而推動物理學(xué)的向前發(fā)展。

讀史使人明智，科學(xué)使人深刻。

讓我們一起相遇在這些物理史上美麗的時刻吧！

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