人类史上十个最重要实验:测量地球周长 牛顿发展光学

摘要:

北京时间10月16日消息,据国外媒体报道,人们每天都会开展各种各样的实验,先提出一个假设,再设计实验方法,看看最终能得出什么结论。这种“实验”可能只是下班回家时走了一条不同的路、或者用微波炉热菜时多转了几秒钟,也可能是寻找某个基因的另一变种。

但无论实验难度如何,这种刨根问底的探索精神都是人类做出任何发现的根基。实验帮助我们进一步加深对现实本质的了解,这种上下求索的过程就是我们所说的“科学”。

在浩如烟海的实验中,有几项实验经受住了时间的考验,可以作为人类探索精神和智力的绝佳代表。这些实验有些优雅、有些粗糙,有时还有些侥幸的成分,但每一项实验都深刻改变了我们看待自身、以及看待宇宙的方式。

本文将列举十项人类历史上的重要实验,堪列所有实验之冠。其中九项都取得了辉煌的成功,剩下的一项则是虽败犹荣。

埃拉托色尼测量地球周长

实验结果:人类历史上记录的首个地球周长

时间:公元前三世纪末

地球究竟有多大?在古代文化留下的无数答案中,埃拉托色尼的测量结果之精确,在两千多年后依然令人为之震惊。埃拉托色尼在公元前276年生于昔兰尼(现利比亚海岸上的一处希腊聚居地),后来成为了一名广泛涉猎的学者。这项特征既招致了批评,又为他赢得了许多赞誉。讨厌他的人给他起了个绰号叫“β”(希腊字母表中的第二个字母),原因是他常常改变研究领域,因此在每个领域都只能屈居第二。赞扬他的人则称他为“五项全能选手”。

他的博学多识为他赢得了埃及亚力山大里亚图书馆一级图书员的职位。也正是在那里,他开展了一项著名的实验。他听说在尼罗河流经的赛伊尼城中有一口井,在夏至日那天,正午的阳光可以直射井底,不会在井边投下一丝阴影。这一现象引发了埃拉托色尼的极大兴趣。于是在同一日期的同一时间,他测量了亚历山大里亚一根竖杆投下的阴影的长度,据此算出阳光与竖杆之间的角度为7.2°,即圆周角360°的50分之一。

和很多受过教育的希腊人一样,埃拉托色尼知道地球是个球体。因此他推测,只要知道亚历山大里亚和赛伊尼之间的距离,再乘以50,就能得到地球的周长了。得到所需信息后,他算出地球的周长为250000希腊里,约等于28500英里,和实际数值24900英里相当接近(1英里=1.6公里)。

埃拉托色尼测量地球大小的动机是出于对地理学的热爱,而“地理学”这一名称正是他创造的。现代人又给他起了另一个绰号:“地理学之父”。对于一个曾被嘲笑“永远屈居第二”的人来说,也算是守得云开见月明了。

威廉·哈维研究血液循环

实验结果:发现了血液循环机制

时间:理论发表于1628年

古希腊名医兼哲学家盖伦(Galen)曾在公元2世纪提出过一套血液流动的模型,尽管漏洞百出,但一直盛行了近1500年。这套理论包括:肝脏会利用我们吃下的食物不断生成新鲜血液;血液通过两条不同的路径流遍全身,其中一条通过肺部吸收空气中的“生命元精”;以及被组织吸收的血液永远不会流回心脏。

而为了推翻这套占教科书地位的理论,后人做了许多令人毛骨悚然的实验。

威廉·哈维1578年生于英格兰。他出身名门,后来成为了詹姆士一世的皇家医生,这给了他充分的时间和途径追求自己最感兴趣的事情:解剖学。刚开始,他通过给羊、猪等动物放血,对盖伦的血液理论进行了苦心钻研。但他随后意识到,假如事实真如盖伦所言,那么每小时流经心脏的血量将超过动物的总体积,而这显然是不可能的。

为使这一点深入人心,哈维将活生生的动物当众“切开”,证明动物体内的血量其实很少。他还切开蛇的胸膛,让心脏暴露在外,并用手指捏住蛇的主静脉,让血液无法进入心脏。结果心脏迅速收缩、变得苍白。将其刺破后,喷出的血液微乎其微。相反,如果阻断主动脉,心脏则会随之肿胀起来。通过研究爬行动物和哺乳动物濒死时心脏跳动变慢这一现象,他领悟了心脏的收缩规律,并推断出心脏会泵出血液,而血液在流经全身之后,又会沿着一条回路流回心脏。

哈维做出这样的推断绝非易事。假如只观察在胸腔中正常跳动的心脏,很难看清事情的真相。

他还在志愿者身上做了实验,如暂时阻断四肢的血液进出等等。这些实验进一步完善了哈维革命性的血液循环理论。他在1628年出版的《心血运动论》一书中完整地阐述了自己的理论。此外,他采用的“以证据为基础”的研究方法也使医学界发生了巨大转变。如今,他被人们誉为现代医学与生理学之父。

格雷戈·孟德尔发展遗传学

实验结果:发现了基因遗传的基本规则

时间:1855年-1863年

孩子的容貌总会与父母有几分相似,这是为什么呢?一直到一个半世纪之前,身体特征遗传的奥秘才逐渐揭开,而这都要归功于格雷戈·孟德尔。他生于1822年,尽管身为农民的儿子、没有多少钱接受正规教育,但他在自然科学方面颇具天赋。在一名教授的建议下,他在1843年加入了奥古斯都修道院,一个注重研究与学习的修道士团体。

在布尔诺的一家修道院安置下来之后,生性害羞的格雷戈很快学会了在花园中打发时间。一种名为“倒挂金钟”的植物尤其引起了他的注意,因为这种植物造型极其优雅,仿佛出自名家之手。也许正是受到这种植物的启发,孟德尔才开展了后续那些著名实验。他尝试给不同品种的倒挂金钟交叉配种,试图培植出新的颜色搭配。在这一过程中,他得到了一些重复结果,暗示着遗传有一定的规律可循。

在孟德尔培育豌豆的过程中,这些规律变得更加清晰明了起来。他用画笔给豌豆人工授粉,在长达七年的时间里,他用成千上万株具有特定性状的植株做了杂交实验,并且详细记录了杂交结果。例如,如果让黄豌豆和绿豌豆杂交,培育出的后代永远都是黄豌豆;但如果再让这些黄豌豆培育出的植株进行自交,收获的种子则有四分之一为绿豌豆。这样的比例让孟德尔提出了“显性”因子(该例中黄色为显性性状)和“隐性”因子的概念,而所谓“因子”正是我们如今所说的基因。

由于他的研究过于超前,在当时并未受到太大关注。但几十年后,其他科学家发现并复制了孟德尔的实验,并开始尊其为一项重大突破。

孟德尔并没有试图一举解开遗传这个复杂的大谜团,而是先提出一些简单的假设、然后各个击破,这正是他开展的实验的高明之处。

牛顿发展光学

实验结果:进一步了解了色彩与光的本质

时间:1665年-1666年

在成为那个举世闻名的牛顿之前(成就卓著的科学家、运动定律、微积分与宇宙引力理论的发明者),普通人牛顿曾有过一段十分空闲、无所事事的时光。当时他本在剑桥大学就读,但为了躲避剑桥城内爆发的一场瘟疫,他回到了自己的家乡。在那里的集市上,他买了一个儿童玩具般的小棱镜,然后回家摆弄起来。

阳光透过棱镜后,射出来的光会形成一道彩虹、或者说一道光谱。牛顿那个时代的主流思想认为,光透过的介质是什么颜色,光就会变成什么颜色,就像透过彩色玻璃的光线一样。但牛顿本人并不信服这个说法。于是他用棱镜开展了一系列实验,结果证明,颜色其实是光的自带特性。这一革命性的观点开创了名为“光学”的新领域,在现代科技中发挥了至关重要的作用。

牛顿的实验设计十分精巧:他在一扇百叶窗上钻了一个小孔,让一束阳光从中透过,然后接连穿过两块棱镜。光透过第一块棱镜后,被分解成了不同的颜色。牛顿特意挡住其中的一部分颜色,不让它们透过第二块棱镜。他通过这一方法发现,不同颜色的光在穿过棱镜时的反射或折射角度不同。接着,他从被第一块棱镜分解的光线中挑出一种颜色,让这种颜色的光线单独穿过第二块棱镜;而这束光从第二块棱镜射出后,并没有发生变化,说明棱镜不会改变光线的颜色,介质本身对光线颜色不会产生影响。相反,颜色应当是光线本身具有的某种性质。

由于牛顿的实验设置属于临时起意、又是在家中完成的,再加上他在1672年发表的论文中的描述不够详尽,其他科学家一开始没能顺利复制出他的实验结果。开展这项实验的技术难度很大,但一旦亲眼见到了实验结果,就很容易被其说服。

在日渐成名的过程中,牛顿在实验方面展现出了高超的天资,偶尔还会将自己作为实验对象。有一次,他盯着太阳看了太久,差点致盲。还有一次,他往眼睑下方插了一根又长又粗的针,用它挤压眼球后部,看看会对视力造成什么影响。虽然牛顿在职业生涯中也有过多次失手,如将某种现象归咎于神秘主义和宗教等等,但在他取得的巨大成就保证下,他的名望得以经久不衰。

迈克尔逊与莫雷试图观测以太

实验结果:研究了光的运动方式

时间:1881年

当你大喊一声,声波就会穿过媒介(空气),传到别人的耳朵里。海浪也有自己的运动介质(海水)。但光波却是个例外。即使在真空中、在没有空气和水等介质的情况下,光也能通过某种方式传播。它究竟是怎么做到的呢?

19世纪末的主流物理学认为,光是通过一种无处不在的隐形介质传播的,这种介质名叫“发光以太”。为此,阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelson)和同事爱德华·莫雷(Edward W。 Morley)设计了一套实验,希望能证实这种以太的存在。这项实验虽然没能成功,却成为了史上最著名的失败实验之一。

两位科学家的假设是这样的:地球在公转过程中,会不断在以太中穿行,产生“以太风”。这样一来,顺着以太风方向传播的光束速度就应当比“逆风”的光束快一些。

考虑到这种效应必定十分微弱,迈克尔逊对实验进行了精心设计。19世纪80年代初,他发明了一种干涉仪。该仪器可以让不同的光束交织在一起、产生干涉条纹,就像湖面上的涟漪一样。在迈克尔逊干涉仪中,一束光先是通过一面单面镜,然后分成两束光,朝相互垂直的方向分别向前运动。运动一段距离之后,两束光会在击中镜面后折返,然后分别穿过中心交汇点。如果因为传播过程中的位移情况不均等(如受到以太风影响)、造成两束光抵达中心点的时间不同,就会产生干涉条纹。

为了避免干涉仪的精密配置受到震动影响,他们将干涉仪放在一块砂岩板上,让其飘浮在水银表面,使摩擦力几乎为零。整套装置被放置在一座教学楼的地下室中,进一步与外界隔绝。迈克尔逊和莫雷缓慢地转动砂岩板,期望能看到在以太影响下产生的光线干涉条纹。

结果一无所获。光速并未发生任何变化。

然而,两位研究人员均未意识到此次“一无所获”的重要性,而是将其归结为实验误差、就转而投向其它项目了。(不过在1907年,迈克尔逊因为这项以光学仪器为基础的研究,成为了首位获诺贝尔奖的美国人。)迈克尔逊和莫雷在以太理论上一脚踢破的这个漏洞虽属无意,却启发他人开展了一系列进一步研究、提出了更多相关理论。最终,爱因斯坦在1905年提出了突破性的狭义相对论,创造了光线传播的新范式。

玛丽·居里做出重要功劳

实验结果:定义了放射性

时间:1898年

在历史记载的重要科学实验中,女性的身影寥寥无几,反映了女性曾被长时间地排除在这门学科之外。但玛丽·斯科罗多斯卡的出现打破了这条铁律。

玛丽·斯科罗多斯卡1867年生于波兰华沙。24岁时,为了进一步学习数学和物理,她移民到了巴黎,在那里遇见并嫁给了物理学家皮埃尔·居里。皮埃尔是一位智力相当的伴侣,在他的帮助下,玛丽·居里的革命性创意才在这个被男性主导的领域中获得了一席之地。正如后人评价的那样:“若不是因为皮埃尔,玛丽永远不会被科学界接纳。”

居里夫妇大多数时间都在皮埃尔任职的大学里一间改建过的小屋中工作。1897年,为完成自己的博士论文,玛丽开始研究一年前发现的一种与X射线有些相似的新型放射现象。利用皮埃尔和他的兄弟发明的一种名叫静电计的仪器,玛丽对钍和铀发射的神秘射线进行了观测。结果发现,矿石的放射率与其矿物质组成无关,而仅取决于其中所含的放射性元素的量。

玛丽从这一观测结果推断出,某种物质能否释放辐射与分子排列无关。相反,“放射性”(玛丽创造的新词汇)是单个原子本身的固有性质,由原子内部结构产生。在此之前,科学家一直认为原子是一个不可分割的整体,是最初级的粒子。但玛丽成功打开了一扇新的大门,让人们得以从更基础的亚原子层面认识物质。

1903年,居里夫人成为了首位获得诺贝尔奖的女性,并于1911年再次获奖(因为她发现了镭和钋两种元素),成为了极少数获两次诺奖的科学家之一。

有人评论道,无论是在生活还是工作方面,对于有志于从事科学事业的年轻女性而言,玛丽·居里都是一名出色的榜样。

伊万·巴甫洛夫研究条件反射

实验结果:发现了条件反射现象

时间:19世纪90年代-20世纪初

1904年,俄国生理学家伊万·巴甫洛夫因为在狗身上开展的实验获得了诺贝尔奖。他在这些实验中研究了唾液和胃液是如何消化食物的。虽然巴甫洛夫的科研成果似乎总与狗的口水有关,但他对思维的巧妙运用使其至今仍备受赞誉。

测量胃液的分泌可不是件愉快的工作。巴甫洛夫和学生们将一根管子固定在杂种狗的嘴中,用来收集唾液。他们注意到,到了喂食的时间,还没等食物吃到嘴里,这些狗就会开始流口水了。就像其它许多身体功能 一样,当时人们也将唾液的分泌视为一种反射,只有咀嚼食物时才会无意识地发生。但巴甫洛夫的狗却学会了将实验人员的长相与食物联系在一起,意味着它们的生理反应会受到过往经历的影响。

在巴甫洛夫的研究之前,反射一直被视作一种固定不变的现象。但他的研究显示,反射可以受个人经历的影响发生改变。

接下来,巴甫洛夫和学生们还教狗将食物与一些中性刺激因素联系在一起,如蜂鸣声、节拍器、旋转的物体、黑色方块、哨声、闪光、以及电击等等。不过,巴甫洛夫从未用过铃铛。许多故事版本中之所以会这么说,是因为最早的翻译中将俄语“蜂鸣器”一词翻错了。

这些发现奠定了经典条件反射、又称巴甫洛夫条件反射理论的基础。后来这一概念进一步扩展到了任何与刺激相关的学习,即便其中并未涉及反射。我们身上无时无刻不发生着巴甫洛夫条件反射,大脑会不断地将我们经历过的事物联系在一起。事实上,切断这些条件反射之间的联系恰恰是目前治疗创伤后应激障碍症的主要策略。

罗伯特·密立根测量电荷

实验结果:精确测定了单个电子所带的电荷

时间:1909年

从大多数方面来看,罗伯特·密立根都表现得相当出色。他于1868年出生于美国伊利诺伊州的一座小镇上,后前往奥伯林大学和哥伦比亚大学求学。他曾在德国与欧洲的杰出学者们一起学习物理,后来加入了芝加哥大学物理学系任教,甚至还出了几本成功的教科书。

但他同事们的成就还要远甚于他。19世纪与20世纪之交是物理学发展的繁荣时期。在短短十年之间,量子物理和狭义相对论相继问世,电子也终于为人所知,首次证明了原子可以进一步分割。到了1908年,密立根发现自己已近四十不惑,名下却尚无一项重要发现。

不过,电子为他提供了一个机会。在此之前,研究人员一直想弄清电子是否为一个基本的电荷单元,并且在所有情况下始终保持不变。这个问题的答案将是粒子物理学进一步发展的重要基础。密立根想着,反正也没什么损失,不妨放手一搏。

在芝加哥大学的实验室里,密立根用一些充满浓厚水蒸气、名叫“云雾室”的容器展开了研究,并在研究过程中不断改变其中的电场强度。水滴在因为重力下降之前,会先在带电原子和分子周围形成液滴云。而通过调整电场强度,便可以减缓、甚至彻底阻止液滴的下降,相当于用电与引力相对抗。只要确定液滴取得平衡时的电场强度,并假定液滴在该强度上能始终保持平衡,就可以推算出液滴所带的电荷量了。

密立根和学生们在实验过程中发现,水蒸发得太快,便将水换成了更持久的油,并用香水喷雾瓶将油喷入云雾室中。

在此之后,他们又对油滴实验做了进一步改进,最终证明了电子的确可被视作一个电荷单元。他们测得的单个电子电荷量与目前采用的数值极为接近(1.602×10-19库伦)。这一成就对粒子物理学而言是个重大转折,对密立根也是如此。

毫无疑问,这是一项杰出的实验。密立根的实验成果不容辩驳地证明了电子的存在,并证明电子带有固定的电荷量。粒子物理学的所有发现均建立在这一基础之上。

杨、戴维森和革末发现粒子的波动性

实验结果:发现了光与电子的波动性

时间:分别于1801年和1927年

光究竟是粒子还是波?科学家曾被这一问题困扰许久。在牛顿的光学研究之后,许多物理学家决定将其视为一种粒子。但英国科学家托马斯·杨最终有力地打破了这一传统认知。

杨涉猎极其广泛,从埃及学(他曾在罗塞塔石碑的破译中助了一臂之力)到医学、再到光学,他都有着浓厚的兴趣。为探索光的本质,杨在1801年设计了一项实验。他在一个不透明的物体上开了两道狭缝,让阳光从狭缝射入,然后观察光在对面屏幕上产生的明暗相间的干涉图样。据他推断,这些图案是光以波的形式向前传播时产生的,就像涟漪在池塘水面上不断扩散时、两道波的波峰和波谷会相互叠加或抵消一样。

尽管当时的物理学家们最初并不认可杨的发现,但他的“双缝实验”被人们做了一次又一次,最终证明构成光的粒子的确会以波的形式传播。双缝实验的难度并不大,因此很有说服力。该实验设计相对简单、容易实现,验证的概念却又极其重要,这种例子在科学史上并不多见。

一个多世纪之后,由克林顿·戴维森和莱斯特·革末开展的相关实验进一步证明了这一概念的重要意义。他们将电子射入镍晶体中,散射后的电子在相互作用后产生了一种独特的图案,而假如电子没有波动性,这种图案是不可能出现的。后续用电子开展的类双缝实验证明,具有质量和波动能量的粒子既可以表现出粒子性、又能表现出波动性。当时的科学家们正好刚开始从基本粒子层面解释物质行为,而这一看似矛盾的理论正是量子物理的核心。

归根结底,这些实验说明世间万物均具有波动性,无论是“实实在在”的固体、还是“虚无缥缈”的辐射,都不可避免地具有这种性质。这一发现实在出人意料,甚至有些违反直觉,但自此之后,物理学家在研究物质时不得不将波动性考虑在内。

罗伯特·潘恩研究海星

实验结果:发现关键物种对生态系统的重要影响

时间:最早于1966年发表的论文中提出

到了上世纪60年代,生态学家已经达成了共识:生物聚居地的繁荣兴盛主要通过生物多样性实现。科学家采用的研究方式一般是对大大小小生物构成的生态网进行观察。但罗伯特·派恩却独辟蹊径,采用了另一种研究方法。

派恩很好奇对某个环境进行人工干预后会发生什么事情。于是他在美国华盛顿州海岸边的潮池中开展了海星驱逐实验。结果发现,驱除这一物种会破坏整个生态系统的稳定性。失去了海星的制约,藤壶开始疯狂生长,为贻贝提供了丰富的食物,使贻贝数量迅速增加,导致帽贝和藻类植物的生存空间受到挤压。最终,整个食物网变得支离破碎,潮池变成了一个由贻贝主宰的“天下”。

由于海星是整个生态系统的中流砥柱,派恩将其称为“关键物种”。这里所说的“关键”是一个相对概念,意味着给定生态系统中各种生物所做的贡献比例并不完全相同。派恩的发现对生态保护产生了重大影响,改变了“为保护而保护”的狭隘做法,而是制定以整个生态系统为基础的管理策略。

俄勒冈州立大学的海洋生物学家简·卢布琴科评论道:“派恩的影响具有变革性意义。”她和她的丈夫、同在该大学任教的布鲁斯·曼格曾是派恩的学生。卢布琴科在2009至2013年间担任过美国国家海洋与大气管理局主管,亲眼见证了派恩的关键物种概念对渔业管理政策的深刻影响。

卢布琴科和曼格认为,正是派恩的求知欲望与不懈精神改变了这一领域。“他对灵感怀有一种孩童般的热忱,”曼格评论道,“他在好奇心的驱使下开展了这项实验,然后取得了惊人的成果。”

派恩于2016年逝世。在职业生涯后期,他开始探索人类作为“超级关键物种”造成的深远影响,如通过气候变化和无限掠夺、改变了全球生态系统等等。

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