【物理实验】这几个改变世界的物理实验你了解多少?

8月 10, 2022 18luck

实验是物理学发展的基础,是检验物理学理论的唯一手段。历史上的许多物理学家,都曾设计过推动物理学发展的重要实验,这些实验在一定程度上改变了人类历史,改变了世界。

这个实验之所以著名,不仅是打了亚里士多德的脸,更重要的是向人们展示了“实验”的力量。伽利略开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学,正因如此,伽利略被世人尊为“近代科学之父”或“近代物理学之父”。

16 世纪以前,人们研究科学时并不依靠实验,而是从原始的直接经验出发,用哲学思辨代替科学实验。比如,古希腊物理学家亚里斯多德认为:自由落体运动中,物体越重,下落越快;物体越轻,下落越慢。考虑到羽毛下落的确实比石块慢,这个“看似正确”的理论一直延续了两千多年,没有人敢于怀疑和指出其中的错误。

年轻的伽利略向这个观点发起了挑战,他设想了一个理想实验:让一重物体和一轻物体束缚在一起同时下落。按照亚里斯多德的观点,会得到两个结论:分开来看,重物受到轻物的牵连与阻碍,下落速度将会减慢;如果看作一个整体,也由于这一联结,联结体的重量之和大于原重物体,下落会变快。显然这是两个截然相反的结论。也就是说,亚里士多德自己打了自己的脸。

伽利略认为,物理学的研究不能“想当然”、不能“光说不练”。因此他设计了“自由落体”实验并在不同场合演示,用真实的而实验结果来论证自己的观点的准确性。据传说,伽利略曾登上比萨斜塔上做了“两只铁球同时落地”的实验,被编入很多国家的教科书,所以这也成为了人们最熟知的物理实验之一。

PS: 伽利略登上比萨斜塔做实验的故事,在正统史料中并无记载,所以这很可能是一个“传说”。

很巧妙的是,牛顿的分光实验也是在打亚里士多德的脸。在此之前,人们都相信亚里斯多德的理论:白光是一种纯的没有其他颜色的光。1665—1667 年间,因为鼠疫疫情躲在向下的年轻的牛顿独自做了一系列实验来研究各种光现象。他把一块三棱镜放在阳光下,透过三棱镜,光在墙上被分解为不同颜色,也就是平时所说的“彩虹”。这个实验说明白光并不是一种纯色光。

1704 年,牛顿在自己的《光学》著作中,专门描述了关于颜色起源的棱镜分光实验和讨论,肯定了白光由七种颜色组成。

通过这一实验,牛顿为光的色散理论奠定了基础,并使人们对颜色的解释摆脱了主观视觉印象,从而走上了与客观量度相联系的科学轨道。同时,这一实验开创了光谱学研究,不久,光谱分析就成为光学和物质结构研究的主要手段。

这个两个实验的伟大之处在于,让人们认识到了“电”与“磁”的联系,某种程度上来讲是人类电气时代的开端。也就是说,没有这两位物理学家就没有现在的美好生活。

1820年4月的一天,丹麦科学家奥斯特在课堂授课时,无意中让通电的导线靠近指南针,突然指南针动了一下。 这个现象并没有引起在场其他人的注意,而奥斯特紧紧抓住这个现象,反复做了几十次实验。又经过3个月深入地研究,奥斯特终于弄清楚了在通电导线的周围,确实存在一个环形磁场。这正是电流的磁效应。奥斯特的发现轰动了全欧洲的物理学界。人们本来以为毫不相关的两种现象,竟有这样奇妙的关系。

自奥斯特证明“电生磁”后,很多科学家们都在致力于“磁生电”的实验探究。终于在1831年,法拉第通过实验发现了电磁感应现象:两个线圈绕在一个铁环上, 线圈与电源、滑动变阻器 组成一个回路, 线圈与开关、电流表组成另一个回路。在给一个线圈通电或断电的瞬间,发现了另一个线圈中也出现了电流。法拉第把这个实验产生的电流叫做“感应电流”,并且通过大量的实验发现,感应现象的暂态性,提出只有在变化时,静止导线中电流才能在另一根静止导线中感应出电流。

法拉第电磁感应实验和相关研究,促使了“发电机”的发明,随着发电机的推广,人类进入了“电气时代”,大大的提高了生产力。

这个实验的伟大之处在于,测出了万有引力常数,支持了牛顿的学说。牛顿的万有引力理论指出:两个物体之间的吸引力与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比。但是万有引力到底多大,这个牛顿也没弄明白····

18 世纪末,英国科学家亨利·卡文迪什决定要找到一个计算方法。他把两头带有金属球的 6 英尺长的木棒用金属线 磅重的皮球分别放在两个悬挂着的金属球足够近的地方,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引力常数 G=6.67×10^-11 (N·m^2 /kg^2)。这不仅对物理学有重要意义,同时也对天体力学、天文观测学,以及地球物理学具有重要的实际意义。

这个实验的伟大之处在于,通过实验的方法让人类“看到了”原子内部的构造。 在这个实验之前,原子内部结构在人们的印象中就好像是“葡萄干布丁”,即大量正电荷聚集的糊状物质,中间包含着电子微粒。

1898 年,卢瑟福发现了 a 射线 年,卢瑟福和他的助手发现:向金箔发射带正电的 a 射线微粒时,绝大部分粒子穿透了金箔,只有极少数被弹回。通过计算证明,只有假设正电球集中了原子的绝大部分质量,并且它的直径比原子直径小得多时,才能正确解释这个不可想象的实验结果。

为此卢瑟福提出了原子的有核模型:原子并不是一团糊状物质,大部分物质集中在一个中心的小核上,称之为核子,电子在它周围环绕。这是一个开创新时代的实验,是一个导致原子物理和原子核物理肇始的具有里程碑性质的重要实验。

牛顿在其《光学》的论著中认为,光是由微粒组成的,而不是一种波。虽然存在支持“波动说”的科学家,但是在牛顿的巨大光环之下一直都没有成为正统。但一直到1800 年,英国物理学家托马斯·杨才通过实验向这个观点提出了挑战,并以胜利之姿站在物理学史上。

为了证明光是波动的,杨进行了这样一个实验:把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面,这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源);然后在纸后面再放一张纸,不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,就会形成一系列明、暗交替的条纹。这说明两束光线可以像波一样相互干涉。

借助这个实验,杨第一次以明确的形式提出了光波叠加的原理,并以光的波动性解释了干涉现象。无论是经典光学还是近代光学,杨氏实验在证明光的波粒二象性上的意义都是十分重大的。

1961年,克劳斯·约恩松做了一个杨氏双缝实验升级版,他创先地用电子束来做双缝实验,他发现电子也会有干涉现象,证明了电子也具有波动性。如今的电子显微镜,就是利用了电子的波动性。

约恩松实验的突破之处在于证明了物质波,是量子理论的核心实验,它包含着量子力学的最神秘之处。2002年9月,这实验被《Physics World》杂志的读者选为最美丽的物理实验。虽然一般人看不出它的美·····

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