十大最美的物理實驗

一個絢麗而有趣的自然現象——極光激光在油水中的傳播路徑平面鏡成像的鏡面對稱點電荷電場分布的球面對稱正電荷與負電荷的對稱

磁場的對稱性雪花形態各異，幾乎找不出兩片完全相同的雪花。

雪花的形態取決于晶體迅速穿越高空大氣層時經歷的溫度、水汽及氣流的變化。由于每一朵雪花都有自己獨特的經歷，所以雪花形態各異

談到美，聯想到自然美和藝術美，而對科學美，大多數人則不易感受到，這是因為科學美與藝術美是兩種不同形式的美，從美學的角度來講，一種是事物外在形式所呈現的美，如自然景色的美，音樂的美，雕塑的美，繪畫的美，建筑物的美等。另一種是事物內在結構的和諧、秩序而具有的美，這種美比較抽象，是要經過大腦整理、加工形成美的意識或美的觀點。這是一種較高層次上的審美。引言【評選過程】

羅伯特·克瑞絲是美國紐約大學石溪分校哲學系的教員、布魯克海文國家實驗室的歷史學家，他及另一位學者，在全美物理學家中作了一次調查，要求他們提名有史以來最美麗的十大物理實驗，結果刊登在2002年9月份的《物理學世界》雜志上。紐約大學中心的華盛頓廣場公園十大最美的物理實驗十大最美的物理實驗【共同特點】這些實驗都是用最簡單的儀器和設備，發現了最根本、最單純、最重要的科學概念。令人驚奇的是這十大實驗中的絕大多數是科學家獨立完成，最多有一兩個助手。所有的實驗都是在實驗桌上進行的，沒有用到什么大型計算工具比如電腦一類，最多不過是把直尺或者是計算器。

【意義】這些實驗“抓”住了物理學家眼中“最美的”科學之魂，就像一座座歷史豐碑，把人們長久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，使人們對自然界的認識更加清晰。從十大實驗評選本身，我們能夠清楚地看出2000年來科學家們最重大的發現軌跡，就像我們“鳥瞰”歷史一樣。

十大最美的物理實驗1.托馬斯·楊的雙縫演示應用于電子干涉實驗（1960年）2.伽利略的自由落體實驗（16世紀末）3.羅伯特?密立根的油滴實驗（1907-1913年）4.牛頓的棱鏡分解太陽光（1666年）5.托馬斯·楊的光干涉實驗（1830年）6.卡文迪許的扭矩實驗（1798年）7.埃拉托色尼測量地球圓周長（公元前3世紀）8.伽利略的加速度實驗（16世紀末）9.盧瑟福發現核子實驗（1911年）10.米歇爾·傅科鐘擺實驗（1851年）十大最美的物理實驗1.埃拉托色尼測量地球圓周長（排名第七）埃拉托色尼（Eratosthenes，公元前275一前193）生于希臘在非洲北部的殖民地昔勒尼（cyrene，在今利比亞）。他在昔勒尼和雅典接受了良好的教育，成為一位博學的哲學家、詩人、天文學家和地理學家。他的興趣是多方面的，不過他的成就則主要表現在地理學和天文學方面。1.埃拉托色尼測量地球圓周長公元前240年前后，在希臘的亞歷山大城圖書當館長的埃拉托色尼注意到在夏至的中午，陽光可以直射到位于亞歷山大城附近的小鎮塞恩的一口枯井的井底，直立的物體沒有影子，也就是說太陽正好就懸掛在塞恩城的正上方。他發現在同一天同一時間，在亞歷山大城地面上的物體有一段很短的影子，陽光是斜射進亞歷山大城的，為什么會出現這種現象？1.埃拉托色尼測量地球圓周長【實驗裝置及原理】

在以后幾年里的同一天、同一時間，他在亞歷山大的同一地點測量了物體的影子。發現太陽光線有輕微的傾斜，在垂直向偏離大約7.2度角。假設地球是球狀，那么它的圓周應跨360度。如果兩座城市成7.2度角，即相當于圓周角360°的l／50。由此表明，這一角度對應的弧長，即從塞恩到亞歷山大里亞的距離，應相當于地球周長的1/50。1.埃拉托色尼測量地球圓周長

下一步埃拉托色尼借助于皇家測量員的測地資料，測量得到這兩個城市的距離是5000希臘里（一個希臘運動場的長度，約150米）。一旦得到這個結果，地球周長只要乘以50即可，結果為25萬希臘里。

39375km

1.埃拉托色尼測量地球圓周長【重大發現】證明了大地（即地球）的形狀是一個球形，并第一次測量了其大小。【深遠意義】為環球旅行、地理大發現以及天文學的發展等奠定了堅實的實驗基礎。埃拉托色尼的測量結果是十分準確的。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，對埃拉托色尼所處的時代來說，這一結果是十分驚奇的。

地球平均半徑：6372.8km

地球周長：40021.2km

HenryCavendish（1731-1810）英國科學家，稱量地球第一人。2.卡文迪許扭矩實驗（排名第六）

萬有引力定律牛頓的一大貢獻，但是萬有引力到底多大？18世紀末，英國科學家亨利·卡文迪許決定對此進行測量。

2.卡文迪許扭矩實驗【實驗裝置及原理】將兩邊系有小金屬球的6英尺木棒用金屬線懸吊起來，這個木棒就像啞鈴一樣；再將兩個350磅重的鉛球放在相當近的地方，以產生足夠的引力讓啞鈴轉動，并扭動金屬線。然后用自制的儀器測量出微小的轉動，即可測出萬有引力的大小，從而確定萬有引力常數的數值。下圖是卡文迪許使用的裝置圖。2.卡文迪許扭矩實驗萬有引力定律：卡文迪許的計算結果是：地球重5.96×1024千克。測量結果驚人的準確，他測出了萬有引力常量的參數：在此基礎上卡文迪許計算了地球質量。13萬億萬億磅。【重大發現】證明了萬有引力的存在，精確測量了其大小，并用實驗證明了萬有引力常數確實是個恒量。【深遠意義】不僅從實驗上直接支持了牛頓的萬有引力定律，使其成為更加完美的理論。而且為愛因斯坦創立廣義相對論提供了試驗前提。2.卡文迪許扭矩實驗亨利·卡文迪許軼事（1731～1810)

特別靦腆，他跟任何人接觸都會感到局促不安，連他的管家都要以書信的方式跟他交流。終生未婚，過著奇特的隱居生活。卡文迪許為了搞科學研究，把客廳改作實驗室，在臥室的床邊放著許多觀察儀器，以便隨時觀察天象。他從祖上接受了大筆遺產，成為百萬富翁。不過他一點也不吝嗇。有一次，他的一個仆人因病生活發生困難，向他借錢，他毫不猶豫地開了一張一萬英鎊的支票，還問夠不夠用。

1810年卡文迪許逝世后，他的侄子齊治把卡文迪許遺留下的20捆實驗筆記完好地放進了書櫥里，誰也沒有去動它。誰知手稿在書櫥里一放竟是70年，一直到了1871年，另一位電學大師麥克斯韋應聘擔任劍橋大學教授并負責籌建卡文迪許實驗室時，這些充滿了智慧和心血的筆記獲得了重返人間的機會。麥克斯韋仔細閱讀了前輩在100年前的手搞，不由大驚失色，連聲嘆服說：“卡文迪許也許是有史以來最偉大的實驗物理學家，他幾乎預料到電學上的所有偉大事實。這些事實后來通過庫侖和法國哲學家的著作聞名于世。”此后麥克斯韋決定擱下自己的一些研究課題，嘔心瀝血地整理這些手稿，使卡文迪許的光輝思想流傳了下來。卡文迪許實驗室他的后代親屬德文郡八世公爵S.C.卡文迪許將自己的一筆財產捐贈劍橋大學于1871年建成實驗室，它最初是以H.卡文迪什命名的物理系教學實驗室，后來實驗室擴大為包括整個物理系在內的科研與教育中心，并以整個卡文迪許家族命名。該中心注重獨立的、系統的、集團性的開拓性實驗和理論探索，其中關鍵性設備都提倡自制。這個實驗室曾經對物理科學的進步作出了巨大的貢獻。近百年來卡文迪許實驗室培養出的諾貝爾獎金獲得者已達26人。麥克斯韋、瑞利、J.J.湯姆遜、盧瑟福等先后主持過該實驗室。

姓

名獲獎年代主要貢獻瑞利第三1904研究氣體密度，發現氮J.J.湯姆遜1906氣體導電的理論和實驗研究盧瑟福1908因放射性研究獲諾貝爾化學獎W.H.布拉格、W.L.布拉格1915用x射線研究晶體結構巴克拉1917發現作為元素特征的二次X射線阿斯頓1922因發明質譜儀而獲諾貝爾化學獎C.T.R.威爾遜1927發現用蒸汽凝結的方法顯示帶電粒子的軌跡理查森1928研究熱電子現象，發現理查森定律查德威克1935發現中子從卡文迪什實驗室出身的諾貝爾獎獲得者姓

名獲獎年代主要貢獻G.P.湯拇遜1937電子衍射阿普列頓1947上層大氣的物理特性布萊開特1948改進威爾遜云室，由此在核物理和宇宙線領域中有新發現鮑威爾1950照相乳膠探測技術科克拉夫特、瓦爾頓1951用人工加速原子粒子實現原子核嬗變泡魯茲、肯德紐1962用X射線分析大分子蛋白質的結構，獲諾貝爾化學獎克利克、瓦森、維爾京斯1962發現去氧核糖核酸的雙螺旋結構，獲生理學或醫學獎從卡文迪什實驗室出身的諾貝爾獎獲得者姓

名獲獎年代主要貢獻約瑟夫遜1973發現約瑟夫森效應賴爾1974射電天文學赫維賽1974發現脈沖星莫特1977磁性與無規系統的電子結構從卡文迪什實驗室出身的諾貝爾獎獲得者與卡文迪什實驗室有密切關系的諾貝爾物理學獎獲得者姓名獲獎年代主要貢獻玻爾1922研究原子結構和輻射康普頓1927發現康普頓效應狄拉克1933建立新的原子理論P.W.安德遜1977磁性與無規系統的電子結構卡皮查1978低溫物理學3.米歇爾·傅科鐘擺實驗（排名第十）如何證明地球自轉？16世紀時，“太陽中心說”的創始人哥白尼曾依據相對運動原理提出了地球自轉的理論。可從他提出這一理論后的相當長一段時間內，這一理論只能停留在讓人們從主觀上接受的水平。直到19世紀中葉，在全世界物理學家面前依然擺著一道難題：證明地球的自轉——就是證明地球本體的旋轉運動。地球環繞太陽運動的同時，自身也在不停地旋轉著，這種旋轉運動就叫做“地球自轉”。旋轉1天，約等于24小時。我們在地球上，看到日月星辰每天東升西落，這就是地球自轉的證明。”物理學家們說，“這個道理就好比我們坐在旋轉的木馬上，看到周圍的景物在旋轉一樣。”

1851年，法國科學家傅科在巴黎國葬院做了一個實驗，用一根長220英尺（67米）的鋼絲吊著一個62磅重（28千克）的頭上帶有鐵筆的鐵球懸掛在屋頂下，觀測記錄它的擺動軌跡。3.米歇爾·傅科鐘擺實驗傅科擺

觀眾發現鐘擺每次擺動都會稍稍偏離原軌跡并發生旋轉時，無不驚訝。實際上這是因為房屋在緩緩移動。傅科的演示說明地球是在圍繞地軸旋轉。

在巴黎的緯度上，鐘擺的軌跡是順時針方向，30個小時一周期。在南半球，鐘擺應是逆時針轉動，而在赤道上將不會轉動。在兩個極點，轉動周期是24小時。3.米歇爾·傅科鐘擺實驗北京天文臺里的傅科擺伽利略(Galileo，1564-1642)，意大利物理學家、天文學家、哲學家，近代實驗科學的先驅者。被譽為是“經典物理學的奠基人”。4.伽利略的自由落體實驗（排名第二）亞里士多德亞里士多德，古代先哲，古希臘人，世界古代史上偉大的哲學家、科學家和教育家之一，堪稱希臘哲學的集大成者。他是柏拉圖的學生，亞歷山大（古代馬其頓國王）的老師。一位百科全書式的科學家，他幾乎對每個學科都做出了貢獻。他的寫作涉及倫理學、形而上學、心理學、經濟學、神學、政治學、修辭學、自然科學、教育學、詩歌、風俗，以及雅典法律。吾愛吾師，吾更愛整理。在物理學的力學上，亞里士多德的成就也不少，但最常被提到的，卻是他所犯的錯誤。“物體下落的速度和重量成正比。”即重的物體下落的快。亞里士多德的說法統治人們思想長達2000多年，直到16世紀末，人人都認為重量大的物體比重量小的物體下落得快。伽利略，當時在比薩大學數學系任職，他大膽地向公眾的觀點挑戰。【實驗裝置及原理】1590年的一天，在比薩斜塔上，他將一個重10磅，一個重1磅的鐵球同時拋下，幾乎同時落地。伽利略挑戰亞里士多德的代價也許使他失去了工作，但他展示了自然界的本質，而不是人類的權威，科學做出了最后的裁決。4.伽利略的自由落體實驗

伽利略利用理想實驗和科學推理巧妙地否定了亞里斯多德的自由落體運動理論。那么正確的自由落體運動規律應是怎樣的呢?5.伽利略的加速度實驗（排名第八）【實驗裝置及原理】伽利略做了一個6米多長、3米多寬的光滑直木板槽。再把這個木板槽傾斜固定，讓銅球從木槽頂端沿斜面滑下，并用水鐘測量銅球每次下滑的時間，研究它們之間的關系。

“為了測量時間，我們把一只盛水的大容器置于高處，在容器底部焊上一根口徑很細的管子，用小杯子收集每次下降時由細管流出的水，不管是全程還是全程的一部分，都可收集到。然后用極精密的天平稱水的重量；這些水重之差和比值就給出時間之差和比值。精確度如此之高，以至于重復許多遍，結果都沒有明顯的差別。”

銅壺漏滴（水鐘）

亞里士多德曾預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。伽利略卻證明銅球滾動的路程與時間的平方成比例：兩倍的時間里，銅球滾動4倍的距離，因為存在恒定的重力加速度。伽利略對運動基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了詳盡研究并給出了嚴格的數學表達式。尤其是加速度概念的提出，在力學史上是一個里程碑。

5.伽利略的加速度實驗為慣性定律和自由落體定律的發現奠定了堅實的實驗基礎。把真實實驗和理想實驗相結合，把經驗和理性(包括數學論證)相結合的方法，是伽利略對近代科學的重大貢獻。伽利略對近代科學的貢獻

伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。

——愛因斯坦Newton（1643-1727）英國物理學家、天文學家、數學家。

6.牛頓的棱鏡分解太陽光實驗（排名第四）

亞里士多德認為白色是一種再純不過的光，而平常我們所見到的各種顏色是因為某種原因而發生變化的光，是不純凈的，這種結論直到17世紀大家對這一種結論堅信不移。

從1670年到1672年，牛頓研究了光的折射。他把一面三棱鏡放在陽光下，透過三棱鏡，墻上出現不同顏色的光帶，后來我們稱作為光譜。人們知道彩虹由七種顏色組成，但是大家認為那是不正常的。牛頓的結論是：正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎色有不同的色譜才形成了表面上顏色單一的白色光。白光實際上是非常美麗的。6.牛頓的棱鏡分解太陽光實驗

6.牛頓的棱鏡分解太陽光實驗

深遠意義：不僅為顏色理論奠定了基礎，而且為光譜學的研究和發展開辟了道路。ThomasYoung(1773-1829)英國醫生、物理學家，光的波動說的奠基人之一。7.托馬斯·楊的光雙縫干涉實驗（排名第五）水波干涉光的本性是光學研究的重要課題。光是粒子還是波，這個問題在歷史上經歷了三個世紀的爭論。

牛頓的微粒說VS惠更斯的波動說牛頓也不是永遠正確。在多次爭吵后，牛頓讓科學界接受了這樣的觀點：光是由微粒組成的，而不是一種波。1830年，英國醫生、物理學家托馬斯·楊用實驗對牛頓的觀點提出了嚴峻的挑戰。7.托馬斯·楊的光雙縫干涉實驗7.托馬斯·楊的光雙縫干涉實驗【實驗裝置及原理】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。然后他再用一個厚約1／30英寸的紙片把這束光從中間分成兩束，結果看到在兩束光相交的區域中，出現了亮線和陰影，即產生了光的干涉現象。

7.托馬斯·楊的光雙縫干涉實驗【重大發現】使人類首次看到了光的干涉現象，證明了光是一種波。【深遠意義】為光的波動學說的勝利奠定了堅實的實驗基礎，使人類對光的本性的認識更近了一步；為干涉計量學的研究和發展開辟了道路；為一個世紀后量子學說的創立起到了至關重要的作用。后來該實驗發展為雙縫實驗，下左圖是自然白光雙縫干涉條紋，下右圖是紅光雙縫干涉條紋。

7.托馬斯·楊的光雙縫干涉實驗肥皂泡蜻蜓的翅膀對光的本性的認識

牛頓和托馬斯·楊對光的性質研究得出的結論都不完全正確。光既不是簡單的由微粒構成，也不是一種單純的波。20世紀初，麥克斯·普克朗和阿爾伯特·愛因斯坦分別指出一種叫光子的東西發出光和吸收光。但是其他實驗還是證明光是一種波狀物。經過幾十年發展的量子學說最終總結了兩個矛盾的真理：光子和亞原子微粒（如電子、光子等等）是同時具有兩種性質的微粒，物理上稱它們：波粒二象性。

【實驗裝置】

1960年，約恩孫將托馬斯·楊的雙縫實驗進行改造，直接做了電子雙縫干涉實驗，從屏上攝得了類似楊氏雙縫干涉圖樣的照片。約恩孫制作出長為50mm、寬為0.3mm、縫間距為1mm的雙縫，并把一束電子加速到50keV，然后讓它們通過雙縫。電子狹縫屏幕干涉條紋8.托馬斯·楊的雙縫演示應用于電子干涉實驗（排名第一）

根據量子力學，電粒子流被分為兩股，被分得更小的粒子流產生波的效應，它們相互影響，以至產生像托馬斯·楊的雙縫實驗中出現的加強光和陰影。這說明微粒也有波的效應。模擬圖8.托馬斯·楊的雙縫演示應用于電子干涉實驗單電子雙縫干涉圖（a）8個電子（b）270個電子（c）2000個電子（d）60000個電子8.托馬斯·楊的雙縫演示應用于電子干涉實驗【重大發現】證明了物質波的存在，為光及實物粒子（特別是亞原子微粒）波粒二象性學說提供了直接的實驗支持。【深遠意義】為量子力學的建立，特別是為量子力學波動方程的概率解釋提供了實驗基礎。

9.羅伯特·密立根的油滴實驗（排名第三）

羅伯特·安德魯·密立根(1868～1953)，美國實驗物理學家，由于其在測定電子電荷以及光電效應的出色工作被授予1923年諾貝爾物理學獎。

很早以前，科學家就在研究電。人們知道這種無形的物質可以從天上的閃電中得到，也可以通過摩擦頭發得到。1897年，英國物理學家J·J·托馬斯已經確立電流是由帶負電粒子即電子組成的。1909年美國科學家羅伯特·密立根開始測量電流的電荷。9.羅伯特·密立根的油滴實驗【實驗裝置及原理】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。用一個電池分別與小盒子的頂部和底部連接，使之一邊成為正電板，另一邊成為負電板。當小油滴通過空氣時，就會吸一些靜電，油滴下落的速度可以通過改變電板間的電壓來控制。密立根不斷改變電壓，仔細觀察每一顆油滴的運動，當電場力與空氣浮力的和等于重力時，即可測量出油滴所帶電荷的值。9.羅伯特·密立根的油滴實驗【重大發現】經過反復實驗，密立根得出結論：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。

9.羅伯特·密立根的油滴實驗

密立根在諾貝爾獎頒獎典禮上，表示他的計算值等于1.5924(17)x10?19庫侖。到2006年為止，已知基本電荷值為1.60217653(14)x10?19庫侖。【深遠意義】不僅精確測量了電子所帶電荷的大小，而且揭示了電荷的分立性。尤其是首次通過實驗證實了物質世界的不連續性。9.羅伯特·密立根的油滴實驗密立根當年用的實驗裝置，經過不斷改進，現在的實驗裝置已經變得非常的小巧、易于操作了，但基本都是依照下面的原理圖制成的。9.羅伯特·密立根的油滴實驗盧瑟福Rutherford（1871-1937）

被公認為是二十世紀最偉大的實驗物理學家，在放射性和原子結構等方面，都做出了重大的貢獻。他被稱為近代原子核物理之父。

10.盧瑟福發現核子實驗（排名第九）

道爾頓：一切物質都是由不可再分的原子組成的，即原子的實心球模型。（1803年）1911年盧瑟福還在曼徹斯特大學做放射能實驗時，原子在人們的印象中就好像是“葡萄干布