十大经典物理实验

物理领域术语

美国两位学者在全美物理学家中做了一份调查，请他们提名有史以来最出色的十大物理试验，结果刊登在了美国《物理世界》杂志上。

简介与部分评价

令人惊奇的是十大经典试验几乎都是由一个人独立完成，或者最多有一两个助手协助。试验中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。

所有这些实验的另外共通之处是他们都仅仅“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学之魂：最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，就像是一座座历史丰碑一样，扫开人们长久的困惑和含糊，开辟了对自然界的崭新认识。

从十大经典科学试验评选本身，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”历史一样。9月24日的《纽约时报》对此做了专门介绍。

按时间先后顺序：

埃拉托色尼测量地球圆周

伽利略的自由落体试验

伽利略的加速度试验

牛顿的棱镜分解太阳光

卡文迪许扭秤试验

托马斯·杨的光干涉试验

让·傅科钟摆试验

罗伯特·密立根的油滴试验

卢瑟福发现核子

托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉试验

实验一

埃拉托色尼测量地球圆周

排名第七。在公元前3世纪，埃及的一个名叫阿斯瓦的小镇上，夏至正午的阳光悬在头顶。物体没有影子，太阳直接照入井中。埃拉托色尼意识到这可以帮助他测量地球的圆周。在几年后的同一天的同一时间，他记录了同一条经线上的城市亚历山大(阿斯瓦的正北方)的水井的物体的影子。发现太阳光线有稍稍偏离，与垂直方向大约成7度角。剩下的就是几何问题了。假设地球是球状，那么它的圆周应是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。因此地球圆周应该是25万个希腊运动场。今天我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在5%以内。

实验二

伽利略的自由落体试验

排名第二。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的快因为伟大的亚里士多德是这么说的。伽利略，当时在比萨大学数学系任职，他大胆的向公众的观点挑战，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。他向世人展示尊重科学而不畏权威的可贵精神。

实验三

伽利略的加速度试验

排名第八。伽利略继续他的物体移动研究。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。然后测量铜球每次下滑的时间和距离，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。因为存在重力加速度。

实验四

牛顿的棱镜分解太阳光

排名第四。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。当时大家都认为白光是一种纯的没有其它颜色的光，而有色光是一种不知何故发生变化的光(又是亚里士多德的理论)。

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，光在墙上被分解为不同颜色，后来我们称作为光谱。人们知道彩虹的五颜六色，但是他们认为那时因为不正常。牛顿的结论是：正是这些红、橙、黄、绿、蓝、靛、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，如果你深入地看看，会发现白光是非常美丽的。

实验五

卡文迪许扭秤试验

排名第六。牛顿的另一大贡献是他的万有引力理论：两个物体之间的吸引力与各个物体的质量成正比，与他们距离的平方成反比。但是万有引力到底多大？

18世纪末，英国科学家亨利·卡文迪许决定要找到一个计算方法。他把两头带有金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来。再用两个350磅重的皮球放在足够近的地方，以吸引金属球转动，从而使金属线扭动，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，他测出了万有引力的参数恒量。在卡文迪许的基础上可以计算地球的密度和质量。地球重：6.0×10^24公斤，或者说13万亿万亿磅。

实验六

托马斯·杨的光干涉试验

排名第五。牛顿也不是永远都对。牛顿曾认为光是由微粒组成的，而不是一种波。1800年英国医生也是物理学家的托马斯·杨向这个观点挑战。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。这个试验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。

实验七

让·傅科钟摆试验

排名第十。1851年法国科学家傅科当众做了一个实验，用一根长220英尺的钢丝吊着一个重62磅重的头上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下，观测记录它的摆动轨迹。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，无不惊讶。实际上这是因为地球自转使得地面并非惯性系，从而在地面上看，向地球自转轴运动的物体受到沿纬线方向的惯性力（科里奥利力）。傅柯的演示说明地球是在围绕地轴旋转。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。

实验八

罗伯特·密立根的油滴试验

排名第三。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天上的闪电中得到，也可以通过摩擦头发得到。1897年，英国物理学家托马斯已经得知如何获取负电荷电流。1909年美国科学家罗伯特·密立根开始测量电流的电荷。

他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放有一个通正电的电板，另一个放有通负电的电板。当小油滴通过空气时，就带有了一些静电，他们下落的速度可以通过改变电板的电压来控制。经过反复试验密里根得出结论：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。

实验九

α粒子散射实验

排名第九。卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验，推翻了汤姆生“枣糕模型”，在此基础上，卢瑟福提出了核式结构模型。

实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来.

结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°；极个别的散射角等于180°。

结论：正电荷集中在原子中心。

大多数α粒子穿透金箔：原子内有较大空间，而且电子质量很小。

一小部分α粒子改变路径：原子内部有一微粒，而且该微粒的体积很小，带正电。

极少数的α粒子反弹：原子中的微粒体积较小，但质量相对较大。

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一团糊状物质，大部分物质集中在一个中心小核上，我们知道这个小核叫作原子核，电子在它周围环绕。

实验十

托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉试验

排名第一。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·普朗克和艾伯特·爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其他试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的说明这一点。科学家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，他们相互影响，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。

是谁最早做了这个试验已经无法考证。根据刊登在《今日物理》杂志的一篇论文看，人们推测应该是在1961年。

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