10大物理实验

1. Double-slit electron diffraction 双缝电子衍射

牛顿和杨对光性质的阐述都不全对。光并非只是简单的由粒子构成，也不能完全用波来描述。20世纪的第一个五年内，麦克斯·普兰克和艾尔伯特·爱因斯坦分别指出，光的吸收和发射以打包的方式进行，最小的单位是光子。但其它实验继续支持光的波动性。
　　以后数十年中发展起来的量子理论，解释了这一矛盾：光子和其它亚原子粒子，包括电子，质子等，具有这互补的两种特性，象物理学家们说的，波粒二象性。
　　为了自圆其说，也为了向人们解释这一构想，物理学家们常常引用一个假想实验，即在杨氏的双缝实验中用电子束取代光束。根据量子力学定律，粒子束将被一分为二，两者相互会干扰，从而象光的投影那样留下明暗交替的干扰带。粒子也可以做波的运动。
　　物理世界编辑彼得·罗杰在相关文章中说，这个假想实验直到1961年才被真正完成(实验人为土宾根的克劳斯·约翰逊) 。
　　那时已经没有人对这个结果感到惊讶了，所以象大多数实验那样，这一实验的具体实施被默默卷入科学的洪流之中。

2. Galileo's experiment on falling objects 伽利略的落体实验

十六世纪末，所有的人都认为重的物体比轻的物体下落得快。亚里士多德是这么说的嘛。古希腊学者的观点在那时仍有这般影响，也标志了中世纪时期科学曾怎样地衰落着。
　　当时比萨大学数学系的迦俐略·迦利雷，谨慎地对这一传统知识进行了质疑。这个故事在科学界早已家喻户晓：据说他从比萨斜塔上同时松开轻重不同的两样东西，结果二者亦同时落地。迦俐略对亚里士多德的这一挑战可能让他自己丢了工作，但是他无疑证明了在物质科学里服从事实而不是服从权威的重要性。

3. Millikan's oil-drop experiment 密立根油滴实验

从古时起，科学家们就开始研究电，一种看不见摸不着的东西，它可以化身为天上的闪电，也可以在用梳子梳头发的时候产生。1897年英国物理学家J·J·汤姆逊实验确立了带负电的粒子--电子的存在(这一实验其实也可以被加到优胜名单中的) 。1901年美国科学家罗伯特·密立根测量出了电子带电量的大小。
　　他用香水喷雾器将微小的油滴喷入一个透明容器中，容器的上端和下端分别是接有电源的金属板，上端的带正电，下端的带负电。每个小油滴进入空气时都带了一点静电，这样它们在容器中下落的速度就可以通过改变金属板上的电压来控制。(当静电力与重力平衡时，一个小油滴就象夜天上闪亮的星星般悬浮在空中了。)
　　密立根不断调节电压，观察了一个又一个小油滴。最后他总结出带电量并非连续，而是具有一级一级的固定数值。它的最小单位自然就是电子的带电量了。

4. Newton's decomposition of sunlight with a prism 牛顿的棱镜分解日光实验

埃萨克·牛顿出生在迦俐略去世的那年。他1665年毕业于剑桥特里尼提大学，后因为瘟疫流行在家躲了两年，倒是也没让自己闲着。
　当时一般共识是白光是最纯的光(又是亚里士多德的教诲) ，而彩色光必定是被改变了的。为了验证这个假说，牛顿让一束日光穿过玻璃棱镜，发现它投在墙面上后被分解成彩色的光谱。人们当然早已知道彩虹，但认为那只不过是些光的美丽小偏差。实际上，牛顿总结道，彩色光--赤橙黄绿青蓝紫--才是基本的。表面上看来简单的白光，如果深入观察的话，其实美丽地复杂着。

5. Young's light-interference experiment 杨氏光干涉实验

牛顿不总是正确的，他的种种论证使科学的主流倾向于确信光完全由粒子而非波构成。1803年，托马斯·杨，一位英国医生和物理学家，对这个论断进行了测试。他在百叶窗上切了个洞，贴上厚纸片，纸片上刺了个细孔。穿过细孔的光线射入一张镜面后改变方向，杨用一张厚度为三十分之一英寸的卡片，平行切入这束光，将其一分为二。结果是出现了明暗交替的光带，这个现象用光波相互干扰就解释得通了。
　　亮带出现在两束光波波峰重叠处，二者相互加强；暗带则是波峰与波谷重合处，两束光线相互抵销。
　　这个实验在后来的重复中采用刺有两个小孔的卡片分割光束，即所谓的双缝实验。它成为测定光的波样运动的标准方法。一个世纪后，量子理论开始发展时，光的波动具有了格外重要的意义。

6. Cavendish's torsion-bar experiment 卡文迪许扭秤实验

牛顿的另一贡献是他的万有引力定律，即两个物体间的引力随物体质量的平方增加、随两者间距离的平方减少。但这引力究竟有多大呢？
　十八世纪末的英国科学家亨利·卡文迪许决心解决这个问题。他取一根6英尺长的木棒，在两端分别系上金属小球，象个哑铃那样，然后把它悬挂在一根金属丝上。两小球的近旁对称放置350磅的两个铅球，铅球与小球间的引力使哑铃转动，金属丝扭曲。哑铃两臂末端和容器侧均装有带极细刻度的象牙，这样便可测出细微扭曲的大小。为了不受空气流的干扰，整套设备(称作扭力天平) 被置于空屋中，两侧装有望远镜以供观察。
　 实验结果是惊人精确的参数、万有引力系数的数值。根据这一数值，卡文迪许估测了地球的密度和质量。厄洛托辛斯已经测出地球一圈有多长，而卡文迪许称出了地球的重量：6．0*1024千克，或约13兆兆磅。

7. Eratosthenes' measurement of the Earth's circumference
厄洛托辛斯对地球周长的测量

　在今埃及城镇阿斯旺，公元前三世纪某个夏至的正午，亚力山大图书管理员厄洛托辛斯看见太阳笔直悬于空中，各种物体没有影子，阳光径直落入深井。他马上意识到，他能够测量地球的周长了！另一个夏至的同一时间，他观测了亚力山大的阳光投影，发现其略微倾斜，与垂直方向大约成7度夹角。
　　剩下的就只是几何运算了。假设地球是个球体，圆心角一周总和360度。所以如果两个城市相隔7度，那么它们之间的距离应是全周长的7/360，也即约1/50。厄洛托辛斯根据两地间行程估算其相距5000斯达地亚(stadia ，古希腊长度单位，译者注)
，而地球一圈全长应为两地距离的50倍，即250，000斯达地亚。学者们至今对希腊斯达地亚的准确长度仍存有争议，所以现在无法知道厄洛托辛斯的结论究竟精确到什么程度，但算来他的误差不过百分之五。

8. Galileo's experiments with rolling balls down inclined lanes 伽利略的斜面滚球实验

迦俐略继续完善着他关于运动物体的构想。他取来一块长12丘比特宽半丘比特(约20英尺X10英寸)的木板，沿中线切了道尽量直而光滑的凹槽。然后他让木板呈一定角度倾斜，在凹槽中放入铜球使其滚落，采用水钟计时，并将铜球滚动的时间与滚过的距离进行比较。--所谓水钟，就是个大瓶底下接根细管，瓶中的水流到下面的玻璃杯中。每次实验他就靠流到玻璃杯里的水的重量测量时间。
　　亚里士多德会说小球滚动的速度是均匀的：两倍的时间滚动两倍的距离。迦俐略的实验表明，距离实际上与时间的平方成正比：两倍的时间滚动四倍的距离。原因是小球在重力作用下被均匀加速。

9. Rutherford's discovery of the nucleus 卢瑟福发现原子核的实验

恩斯特·卢瑟福1911年在曼彻斯特大学研究放射的时候，人们普遍认为原子由一大团软糊糊的正电体加上埋在里面的负电子组成，即所谓“葡萄干布丁” 模型。但是当卢瑟福与他的助手往金箔上发射带正电的α粒子时，他们很惊讶地发现粒子中的一小部分反弹回来。这简直象子弹在果冻布丁上打漂一样不可思议。
　　卢瑟福计算出原子并非如人们所想的那般软糊糊。其大部分质量应该集中在很小的一个核(今天称为原子核) 上，电子在核周围盘旋。加上后来量子理论的补充，人们今天对原子的基本认识也就差不多是这样了。

10. Foucault's pendulum 傅科尔特的钟摆

去年科学家们在南极安装钟摆，观察它的摆动时，实际上是在重复1851年巴黎的一个著名实验。法国科学家静-伯纳特-里昂·傅科尔特用一根220英尺长的钢线，从万神殿的顶端悬挂下一个62磅重的小球，使其来回摆动。为了绘出小球的运动轨迹，他在球上拴了支铁笔，笔尖向下，而地面上则铺了一层湿沙。
　　观众带着敬畏的心情看着钟摆莫名地旋转，每次摆动的轨迹都略微不同。实际上，是万神殿的地面在缓慢移动。傅科尔特令人信服的证明了地球的自转运动。在巴黎所处的纬度，钟摆的轨迹每30个小时会完成360度的顺时针旋转；在南半球钟摆会逆时针旋转；在赤道上则不会旋转。在南极，正如现代科学家所证实的，旋转的周期
是24小时。