史上著名的九大科学实验

我们几乎每天都在进行科学实验,比如尝试稍微不同的上下班路线,或者在微波炉中加热食物时多加热几十秒。当然有更高级的实验,比如制造一个基因变种,或者找出可能是解决一个问题的最佳密钥。说到底,正是这种求索精神让人类获得了迄今所有的发现。不断实验、不断探索的意愿,有助于帮助我们通过科学追索去更深入探测事物的本质。

在彰显人类探索欲望方面,有一些实验完全经受住了时间考验。不管是复杂的还是粗糙的,这些常常还带有幸运色彩的个人尝试都带给了人类能改变我们对自己和对宇宙看法的真知灼见。这里列举9个史上非常重要的科学实验,附加一个光荣的失败。

埃拉托色尼测量地球

实验结果 首次量出地球周长

时间 公元前3世纪末期

埃拉托色尼测量地球。

地球究竟有多大?古代各种文化对此有许多答案,而埃拉托色尼在这方面惊人准确的测量值影响多个世纪。大约公元前276年出生在昔兰尼(位于今天利比亚海岸上的一个古希腊定居点)的埃拉托色尼最终变成一位博学者,这使得他既让一些人佩服也让一些人非议。按照希腊字母表中的第二个字母,有人把埃拉托色尼戏称为β(“老二”之意)。他们认为他从一个领域跳到另一个领域的速度比同时代任何人都快,但他的“浅尝辄止”让他在自己涉足过的每个领域都只能算老二。也有人按照古希腊奥运会的五项全能运动排名,称赞埃拉托色尼是全能冠军。

埃拉托色尼无疑是一位天才,他曾经在位于埃及亚历山大城、大名鼎鼎的亚历山大图书馆任职馆长。他听说尼罗河南面的城市赛伊尼(今埃及城市阿斯旺)有一口井很有名,因为北半球夏至日正午的太阳直射井底,不会投下任何阴影。在好奇心驱使下,埃拉托色尼在亚历山大城测量了一根垂直杆子在夏至日正午投下的阴影。他测得那里的太阳光照射角度为7.2°,也就是圆周360°的1/50。许多受过教育的古希腊人都知道地球是球体,埃拉托色尼是其中之一。他想到:如果他能知道赛伊尼和亚历山大这两座城之间的距离,那么把这个距离乘以50就该是地球的周长。得知这两城之间的距离后,他推算出地球的周长是25万斯塔德(古希腊、古罗马长度单位,1斯塔德大约等于182.9米),大约为4.57万千米,完全落在今天的准确值——4.01万千米的允许误差范围内。

埃拉托色尼测算地球大小的动机是出于他对地理学的热爱。实际上,地理学这门学科正是由他命名的。现代人把他称为“地理学之父”。

哈维测量大自然脉搏

实验结果 发现血液循环

时间 1628年发表理论

哈维测量血液循环。

古希腊医学家和哲学家伽林在公元2世纪提出的血液流动模型并不正确,却流行了近1500年。他在这一模型中提出:肝脏用我们所吃的食物持续造血;血液通过两个分开的管道流满全身,其中一个管道经过肺,这个管道中的血液带着“上天的灵气”,而人体组织吸收的血液永远不会流回心脏。

经过了一系列可以说是恐怖的实验,这个教条才终于被推翻。1578年出身名<dfn 门的英国科学家哈维后来成为英国国王詹姆斯一世的御医,这让他有时间和金钱来追求自己的兴趣——解剖学。为了验证伽林的血液循环模型是否正确,哈维首先给羊等小动物放血。他认识到:如果伽林提出的模型是正确的,那么每小时心脏泵出的血流量会超过动物本身的体积,而这根本不可能。

为了让人理解他对伽林的挑战,哈维当众剖开活体动物,展示它们体内的血流量并不多。他还用手指紧紧夹住一根蛇的主脉,阻止血流进入蛇暴露的心脏。结果蛇的心脏收缩,变得苍白,刺破蛇心脏则只有少量血喷出。相反,堵住心血管不让血液流出則心脏肿胀。通过研究爬行类和其他动物濒死时的心跳减缓,哈维发现了心脏的收缩,由此推断出心脏通过一条回路把血液输送到全身。要知道,哈维的这一推断相当不简单——如果观察心脏在正常环境下的正常跳动,就很难直接看出心脏的功能。

对志愿者进行的暂时阻断四肢血流的实验,进一步证明了哈维对血液循环模型的突破性构想。1628年,他在自己的《心脏运动》一书中发表了自己的血液循环理论。他拿证据说话的研究手法大大促进了医学发展。今天,哈维被视为现代医学和生理学之父。

孟德尔奠基遗传学

实验结果 基因遗传的基本法则

时间 1855至1865年

孟德尔豌豆实验(写意图)

小孩子或多或少都与父母中的一方甚至双方长得很像,这是偶然还是必然?这个生理特征遗传背后的重大奥秘直到150多年前才被破解。1822年出生在今天捷克共和国境内的孟德尔虽然没有显赫身世(他生于农民家庭),也没有钱受正规教育,却在生理学方面独具天赋。在一位教授建议下,他1843年加入了崇尚研究和学习的奥斯定会。隐身于一所修道院中、性格内向的孟德尔,很快就开始长时间待在花园里。倒挂金钟(也称灯笼海棠)这种植物尤其受到他的注意,因为它们的精致背后暗示了大自然的一个了不起的设计。很可能正是倒挂金钟催生了孟德尔的一系列著名实验。他对不同品种的倒挂金钟进行杂交,试图获得新的单一花色或花色组合。他重复获得的结果,表明遗传法则在起作用。

随着孟德尔培育豌豆植物,这些法则变得清晰起来。他用画笔把一株豌豆植物的花粉轻轻点到另一株豌豆植物上。这样,他在大约7年时间里对数千株具有某些性状的豌豆植物进行精确配对。他仔细记录黄豌豆和绿豌豆怎样配对就总是会产生黄豌豆植物等信息。配对这些黄色后代,它们的后代中有1/4是绿豌豆。这样的比例让孟德尔发明了“显性性状”(以黄色为例)和“隐性性状”等术语,而这些性状就是由今天所称的基因控制的。

孟德尔是走在时代前面的人。他的研究在他的时代不受关注,但几十年后,当其他科学家发现并重复了孟德尔的系列实验后,这些实验终于被承认具有突破性。孟德尔系列实验的创新在于他形成的简单假设能很好地解释一些现象,而非一次性解释遗传学方面的所有复杂性。换句话说,孟德尔的杰出在于:他把自己能够做到的所有东西都投入到一个研究项目中。

牛顿开创光学

实验结果 色彩和光的本质

时间 1665至1666年

牛顿(左)棱镜实验。

在成为运动定律、微积分及万有引力定律发明者和杰出科学家之前,“普通”的英国人牛顿发现自己需要打发时间。为了逃避在剑桥大学(牛顿就读学校)爆发的致命瘟疫,牛顿整天待在位于英国乡间的自己小时候的家中,摆弄他在当地集市上捡到的一件“儿童玩具”——棱镜。

让阳光穿透一个棱镜,就得到彩虹(分色光谱)。在牛顿时代,流行的看法是光的颜色来自于光所穿越的介质,就像阳光穿透彩色玻璃。因为不相信这个观点,所以牛顿开展了棱镜实验,从而证明了颜色是光本身的固有特性。这一突破性认识开创了对现代科学技术很重要的光学学科。

牛顿棱镜实验并不简单,但牛顿对这一实验的设计和执行十分熟练。他在一扇百叶窗上钻了一个孔,让一束太阳光柱依次穿透两个棱镜。通过阻止阳光穿透第一个棱镜后形成的色彩到达第二个棱镜,他证明了不同的色彩折射穿越棱镜的方式不同。接着,他挑出并且只让来自第一个棱镜的一种颜色穿过第二个棱镜,结果这一颜色在钻出第二个棱镜后没有改变,这就证明棱镜不会影响光的颜色,即介质对光色不起作用,或者说光本身就具有色彩。

也许是因为牛顿棱镜实验的条件太具有他家的特点,再加上他在1672年的一篇论文中对自己棱镜实验的介绍不完整,所以和他同时代的人刚开始难以复制他的棱镜实验结果。事实上,牛顿棱镜实验的技术复杂性相当高,但实验结果却很令人信服。

牛顿在实验手法中表现出来的天分和怪异,在他成就自己大名的过程中起了不可低估的作用。他有一次长时间盯着太阳看,差点因此致盲。另一次,他把一根又长又粗的针抵在眼皮下面,看这样会对视力产生什么影响。牛顿还曾陷入神秘主义的误区。然而,这些并不妨碍他名垂青史。(以上尝试读者切勿模仿)

迈克尔孙、莫雷与以太

实验结果 光的移动方式

时间 1887年

麥克尔森(左)与莫利的以太实验。

你说“嗨!”,声波就穿越空气进入听者耳中。海浪也在自己的介质——海水中移动,而光波是个例外——在没有介质的真空中,光线却能从这儿传播到那儿。为什么会这样?按照19世纪末物理学界流行的说法,答案就是一种无处不在的不可见介质(所谓的“发光以太”)。当时,在今天美国俄亥俄州凯斯西储大学所在地,物94d97710a23e6e95bc021de47427d345762d5a8fbe7c30db356451fa8d92b4c7理学家迈克尔孙和莫雷着手证明以太的存在。这导致了被一些科学家认为是历史上最有名的失败实验。

当时科学家的假设是:随着地球环绕太阳,地球经常穿越以太,由此产生以太风。如果光束穿行路径与以太风同向,那么光束移动速度与光束背离以太风方向的情况相比会快一点。为了测试这一猜想,尽管是在微型规模上测试,迈克尔孙却可谓恰逢其时。19世纪80年代初他发明了一种干涉仪。它能把多个光源并在一起,创制一个就像池塘水面上涟漪互相混合的干涉图样。迈克尔孙干涉仪让一束光通过一面单向镜(也叫单面镜),光束一分为二,分别以一定的角度穿行。经过一段距离后,两束光从各自到达的不同镜面反射,并朝着一个中心汇合点而去。如果穿行(比如在以太风中穿行)过程中的某种位移不同,那么两束光到达汇合点的时间就不同,这样就会形成一种独特的干涉图样。

为了避免振动,迈克尔孙和莫雷把他们的干涉仪装置放在一面实心砂岩石板上。石板和干涉仪装置几乎无摩擦地漂浮在一条汞槽中,而这整个实验装置被放在一幢校园建筑的地下室里。他们缓缓地旋转石板,期望观察到随着光束同步进入和离开以太风方向而产生的干涉图样,然而,他们没有观测到这样的图样。换句话说,光速没有变化。

迈克尔孙和莫雷都没有完整把握这一“没有结果”的实验结果的重要性。他们把这个结果归因于实验出错,之后他们放弃了这项实验,去从事其他项目。1907年,迈克尔孙因为基于光学仪器的研究成果而成为美国第一个诺贝尔奖得主。迈克尔孙与莫雷在无意间对以太理论的重重一击引发了一系列更深入的实验和理论,最终促成了爱因斯坦在1905年提出的有关光的突破性新范式——狭义相对论。该理论排除了静止以太存在的可能性。

居里夫人探索物质

实验结果 定义放射性

时间 1898年

居里夫人。

进入传奇科学实验编年史的女性真的不多,这反映出女性在科学研究中受到的历史性排斥,但玛丽·居里打破了这个模式。玛丽1867年出生于波兰华沙,24岁时为了得到深造数学和物理的机会而移居法国巴黎。在这里,她遇到并最终嫁给了物理学家居里。作为玛丽(即居里夫人)亲密的知识分子型伴侣,丈夫居里帮助玛丽的开创性理念在男性主导的科学领域得以立足。可以说,如果没有居里,玛丽就永远不会被科学社会接纳。我们必须承认,引导未来对放射性本质调查路线的那些基本假说都是玛丽提出的。

大多数时候,居里和玛丽都埋身于居里所供职校园中一间经过改进的棚屋里。为了1897年的博士论文,玛丽开始调查仅仅在一年前才被发现、与X光相似的一种新型辐射。采用居里及其亲兄弟研发的静电计,玛丽测量了由铊和铀发出的神秘射线,最终推断出辐射发射与物质的分子结构无关。相反,放射性(由玛丽提出的术语)是单个原子的一种固有特性,放射性发射自原子内部结构。在玛丽提出这一推断之前,科学家一直以为原子是最基本的、不可分割的实体。玛丽敲开了通往在更基本的亚原子层面理解物质之路的大门。

玛丽在1903年成为诺贝尔奖的第一位女性得主。她还在1911年因为元素镭和元素钚的发现而成为两次获得诺贝尔奖的极少数女性之一。科学家说,玛丽以她的一生和她的成就成为打算开启科学生涯的女性楷模。

巴甫洛夫颠覆传统

实验结果 发现条件反射

时间 19世纪90年代至20世纪

巴甫洛夫及其实验情景。

因为利用狗来研究唾液和胃液怎样消化食物,苏联生理学家巴甫洛夫1904年获得诺贝尔生理学或医学奖。尽管他的科学遗产将一直被与狗的哈喇子(唾液)联系起来,事实上让他至今盛名不衰的原因却是他对狗、人和其他动物心智运作的研究。

测量胃分泌物实属不易。通过把试管悬挂在一些狗的嘴巴上采集唾液,巴甫洛夫和他的学生收集了犬类消化器官的分泌液。他们注意到,喂食时间一到,哪怕还没尝到一口食物,投入测试的狗就开始流唾液。像其他多种身体功能一样,唾液的产生被认为是一种当时的反射,即在食物存在的情况下出现的一种无意识举动,而巴甫洛夫的狗学会了把实验人员的出现与它们的美食联系起来,这意味着狗的经历会影响它们的生理反应。

在巴甫洛夫的这一研究之前,动物的反射被认为是一成不变的,但巴甫洛夫的研究证明动物的反射可以被动物的经历改变。巴甫洛夫团队接着又教会狗把食物与各种中性刺激例如蜂鸣器、节拍器、旋转物、黑方块、口哨、灯闪和电击联系起来。他们的研究结果构成了经典反射(即巴甫洛夫条件反射)的概念根基。科学家指出,巴甫洛夫条件反射在人类身上也一直存在,我们的大脑一直在把我们经历的各种事联系起来。破解这些条件反射,是成瘾症和创伤后应激障碍的现代疗法背后的策略。

密立根抓住电荷

实验结果 单电子电荷量测定

時间 1909年

密立根和他的油滴实验装置。

按照大多数标准来说,密立根都干得很漂亮。1868年出生在美国伊利诺伊州一个小城的密立根,先后在美国奥柏林大学和哥伦比亚大学取得学位。接着,他在德国与欧洲科学巨匠一起研究物理学。随后他又加入美国芝加哥大学物理系,他甚至还写过几本很成功的教科书。

他的同事比他干得还漂亮。19世纪与20世纪之交是物理学的黄金时期:在不到10年时间里,量子力学、狭义相对论和电子等概念纷纷登场。电子首次为人所知,也为原子可以再细分提供了首个证据。电子的发现也为科学家提供了一个机会。当时科学家一直困惑的一个问题是:电子是否代表着电荷的一个基本单位?要想发展粒子物理学,确定这个问题的答案很重要。密立根由此找到了大展身手的机会。

在他位于芝加哥大学的实验室里,密立根开始研究装着密集水蒸气的多只容器(所谓的“气雾室”),每个气雾室里的电场强度都不一样。带电原子和分子周围形成的液滴构成气雾,气雾随后降落。通过调节电场强度,密立根能用电抵消引力,从而减缓甚至阻止单一液滴的降落。找到电和引力之间的精确平衡力度,并且假定这一力度恒定,就能揭示电荷量。

由于水的蒸发太快,因此密立根和他的学生(他们经常是科学的幕后英雄)转用另一种能持续更长久的物质:油。他们采用香水雾化器让油进入气雾室。越来越复杂的油滴实验最终证明电子的确代表着电荷单位。他们对元电荷(基本电量)的估值与目前认定的元电荷——1.602×10-19库相差无几。对密立根来说,这是一个对粒子物理学的重大贡献。

密立根的油滴实验无疑是一个杰出的实验。他的实验结果确凿无疑地证明了的电子的存在,并且量化出了元电荷。粒子物理学之后的千里之行,正是始于密立根的元电荷脚下。

杨、戴维森和杰默异曲同工

实验结果 发现光的波粒二象性

时间 1801年和1927年

托马斯·杨和双缝实验。

光是粒子还是波?长久被这个问题困扰的许多物理学家,在牛顿的光学实验之后都倾向于认定光是粒子,但英国科学家托马斯·杨的一个基础性、却又很有力的实验推翻了这个传统认识。

从埃及学到医学再到光学,杨的兴趣很广泛。为了探索光的本质,杨在1801年设计了这个实验。他在一个不透明物体上开了两道细缝,并让阳光通过细缝,观察光束在一张屏上投下的一系列明暗线条。杨推测这一图样源自像波一样向外扩散的光,就像浪过池塘的涟漪,不同光波的波峰和波谷相互放大或抵消。

尽管同时期的物理学家一开始完全否认杨的发现,大量重复的双缝干涉实验却证明光的粒子真的像波一样移动。双缝干涉实验相对容易进行,这为证明光的波粒二象性这个看起来很难的结论提供了客观条件。100多年后,美国物理学家戴维森和杰默的实验显示出光的波粒二象性意义重大。在位于美国新泽西州、如今被称为诺基亚贝尔实验室的地方,这两位物理学家让电粒子从一块镍晶体上反弹,散射电子相互作用产生的图样只有在这些粒子的行为像波的情况下才可能形成。后来采用电子进行的双缝实验证明,每个有物质和光粒子的行为都既像粒子又像波。这一矛盾理念恰恰是量子物理的核心,而在戴维森和杰默的时代量子力学才刚开始在基本层面解释物质的行为。

科学家指出,这些实验证明,从根本上说,世界上的物质不论是辐射还是看似的实体,都有某些不能削减、不可避免的波样特点。不管这一点看起来可能多么惊人或多么反直觉,物理学家都必须把这种“波纹”纳入思考。

佩恩与海星

实验结果 关键种对生态系统的重要影响

时间 1966年

佩恩和他的海星实验。

到了20世纪60年代,生态学家开始达成共识:生物栖居地的繁荣主要通过多样性实现。对大大小小的动物相互作用网络进行的观测表明似乎的确如此,但美国生物学家佩恩独辟蹊径来探索真相。他很好奇这一点:如果他干预一个生态环境,会发生什么?他把自己的海星放逐实验地点定在了美国华盛顿州崎岖海岸的潮汐水塘中。他的实验表明,哪怕从水塘中只去除海星这一个物种,也可能让整个水塘生态系统失去平衡。没有了海星制约,海星的猎物——藤壶疯狂繁殖,但接着就被伺机作案的贻贝吞噬一空。贻贝随后开始赶走帽贝和海藻物种,其结果就是食物链破碎,只剩下贻贝主导的水塘。

佩恩把海星称为关键种。这个创新的概念意味着,在一个特定生态系统中并非所有物种的贡献均等。佩恩的这一发现对物种保护来说堪称意义重大——为保护一个单一物种而只保护这个物种的狭隘做法最终被摒弃,代之以基于整个生态系统的管理策略。

美国俄勒冈州大学海洋生态学家简评价说,佩恩的影响绝对有颠覆性。50年前,简和俄勒冈州大学一位教授(简的丈夫)都是佩恩在华盛顿大学实验室里的研究生。简在2009~2013年担任美国大气海洋局局长,在此期间佩恩的关键種理念影响了渔业管理政策。简和丈夫都认为,佩恩坚持不懈的求索和好奇的个性对生态学带来了大变革。佩恩已经在2016年去世,他晚期的工作是探索人类作为一个超级关键种,通过气候变化和无节制猎杀动物而改变地球生态系统所造成的深远影响。

( 责任编辑 程辉)

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午10:47。
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