人類史上十個最重要實驗:測量地球周長 牛頓發展光學
2019年10月16日09:15

  10月16日消息,據國外媒體報導,人們每天都會開展各種各樣的實驗,先提出一個假設,再設計實驗方法,看看最終能得出什麼結論。這種“實驗”可能只是下班回家時走了一條不同的路、或者用微波爐熱菜時多轉了幾秒鍾,也可能是尋找某個基因的另一變種。但無論實驗難度如何,這種刨根問底的探索精神都是人類做出任何發現的根基。實驗幫助我們進一步加深對現實本質的瞭解,這種上下求索的過程就是我們所說的“科學”。

  在浩如煙海的實驗中,有幾項實驗經受住了時間的考驗,可以作為人類探索精神和智力的絕佳代表。這些實驗有些優雅、有些粗糙,有時還有些僥倖的成分,但每一項實驗都深刻改變了我們看待自身、以及看待宇宙的方式。

  本文將列舉十項人類歷史上的重要實驗,堪列所有實驗之冠。其中九項都取得了輝煌的成功,剩下的一項則是雖敗猶榮。

  埃拉托色尼測量地球周長

  實驗結果:人類歷史上記錄的首個地球周長

  時間:公元前三世紀末

  地球究竟有多大?在古代文化留下的無數答案中,埃拉托色尼的測量結果之精確,在兩千多年後依然令人為之震驚。埃拉托色尼在公元前276年生於昔蘭尼(現利比亞海岸上的一處希臘聚居地),後來成為了一名廣泛涉獵的學者。這項特徵既招致了批評,又為他贏得了許多讚譽。討厭他的人給他起了個綽號叫“β”(希臘字母表中的第二個字母),原因是他常常改變研究領域,因此在每個領域都只能屈居第二。讚揚他的人則稱他為“五項全能選手”。

  他的博學多識為他贏得了埃及亞力山大里亞圖書館一級圖書員的職位。也正是在那裡,他開展了一項著名的實驗。他聽說在尼羅河流經的賽伊尼城中有一口井,在夏至日那天,正午的陽光可以直射井底,不會在井邊投下一絲陰影。這一現象引發了埃拉托色尼的極大興趣。於是在同一日期的同一時間,他測量了亞曆山大里亞一根豎杆投下的陰影的長度,據此算出陽光與豎杆之間的角度為7.2°,即圓周角360°的50分之一。

  和很多受過教育的希臘人一樣,埃拉托色尼知道地球是個球體。因此他推測,只要知道亞曆山大里亞和賽伊尼之間的距離,再乘以50,就能得到地球的周長了。得到所需信息後,他算出地球的周長為250000希臘里,約等於28500英里,和實際數值24900英里相當接近(1英里=1.6公里)。

  埃拉托色尼測量地球大小的動機是出於對地理學的熱愛,而“地理學”這一名稱正是他創造的。現代人又給他起了另一個綽號:“地理學之父”。對於一個曾被嘲笑“永遠屈居第二”的人來說,也算是守得雲開見月明了。

  威廉·哈維研究血液循環

  實驗結果:發現了血液循環機製

  時間:理論發表於1628年

  古希臘名醫兼哲學家蓋倫(Galen)曾在公元2世紀提出過一套血液流動的模型,儘管漏洞百出,但一直盛行了近1500年。這套理論包括:肝臟會利用我們吃下的食物不斷生成新鮮血液;血液通過兩條不同的路徑流遍全身,其中一條通過肺部吸收空氣中的“生命元精”;以及被組織吸收的血液永遠不會流回心臟。

  而為了推翻這套占教科書地位的理論,後人做了許多令人毛骨悚然的實驗。

  威廉·哈維1578年生於英格蘭。他出身名門,後來成為了詹姆士一世的皇家醫生,這給了他充分的時間和途徑追求自己最感興趣的事情:解剖學。剛開始,他通過給羊、豬等動物放血,對蓋倫的血液理論進行了苦心鑽研。但他隨後意識到,假如事實真如蓋倫所言,那麼每小時流經心臟的血量將超過動物的總體積,而這顯然是不可能的。

  為使這一點深入人心,哈維將活生生的動物當眾“切開”,證明動物體內的血量其實很少。他還切開蛇的胸膛,讓心臟暴露在外,並用手指捏住蛇的主靜脈,讓血液無法進入心臟。結果心臟迅速收縮、變得蒼白。將其刺破後,噴出的血液微乎其微。相反,如果阻斷主動脈,心臟則會隨之腫脹起來。通過研究爬行動物和哺乳動物瀕死時心臟跳動變慢這一現象,他領悟了心臟的收縮規律,並推斷出心臟會泵出血液,而血液在流經全身之後,又會沿著一條回路流回心臟。

  哈維做出這樣的推斷絕非易事。假如只觀察在胸腔中正常跳動的心臟,很難看清事情的真相。

  他還在誌願者身上做了實驗,如暫時阻斷四肢的血液進出等等。這些實驗進一步完善了哈維革命性的血液循環理論。他在1628年出版的《心血運動論》一書中完整地闡述了自己的理論。此外,他採用的“以證據為基礎”的研究方法也使醫學界發生了巨大轉變。如今,他被人們譽為現代醫學與生理學之父。

  格雷戈·孟德爾發展遺傳學

  實驗結果:發現了基因遺傳的基本規則

  時間:1855年-1863年

  孩子的容貌總會與父母有幾分相似,這是為什麼呢?一直到一個半世紀之前,身體特徵遺傳的奧秘才逐漸揭開,而這都要歸功於格雷戈·孟德爾。他生於1822年,儘管身為農民的兒子、沒有多少錢接受正規教育,但他在自然科學方面頗具天賦。在一名教授的建議下,他在1843年加入了奧古斯都修道院,一個注重研究與學習的修道士團體。

  在布爾諾的一家修道院安置下來之後,生性害羞的格雷戈很快學會了在花園中打發時間。一種名為“倒掛金鍾”的植物尤其引起了他的注意,因為這種植物造型極其優雅,彷彿出自名家之手。也許正是受到這種植物的啟發,孟德爾才開展了後續那些著名實驗。他嚐試給不同品種的倒掛金鍾交叉配種,試圖培植出新的顏色搭配。在這一過程中,他得到了一些重複結果,暗示著遺傳有一定的規律可循。

  在孟德爾培育豌豆的過程中,這些規律變得更加清晰明了起來。他用畫筆給豌豆人工授粉,在長達七年的時間里,他用成千上萬株具有特定性狀的植株做了雜交實驗,並且詳細記錄了雜交結果。例如,如果讓黃豌豆和綠豌豆雜交,培育出的後代永遠都是黃豌豆;但如果再讓這些黃豌豆培育出的植株進行自交,收穫的種子則有四分之一為綠豌豆。這樣的比例讓孟德爾提出了“顯性”因子(該例中黃色為顯性性狀)和“隱性”因子的概念,而所謂“因子”正是我們如今所說的基因。

  由於他的研究過於超前,在當時並未受到太大關注。但幾十年後,其他科學家發現並複製了孟德爾的實驗,並開始尊其為一項重大突破。

  孟德爾並沒有試圖一舉解開遺傳這個複雜的大謎團,而是先提出一些簡單的假設、然後各個擊破,這正是他開展的實驗的高明之處。

  牛頓發展光學

  實驗結果:進一步瞭解了色彩與光的本質

  時間:1665年-1666年

  在成為那個舉世聞名的牛頓之前(成就卓著的科學家、運動定律、微積分與宇宙引力理論的發明者),普通人牛頓曾有過一段十分空閑、無所事事的時光。當時他本在劍橋大學就讀,但為了躲避劍橋城內爆發的一場瘟疫,他回到了自己的家鄉。在那裡的集市上,他買了一個兒童玩具般的小棱鏡,然後回家擺弄起來。

  陽光透過棱鏡後,射出來的光會形成一道彩虹、或者說一道光譜。牛頓那個時代的主流思想認為,光透過的介質是什麼顏色,光就會變成什麼顏色,就像透過彩色玻璃的光線一樣。但牛頓本人並不信服這個說法。於是他用棱鏡開展了一系列實驗,結果證明,顏色其實是光的自帶特性。這一革命性的觀點開創了名為“光學”的新領域,在現代科技中發揮了至關重要的作用。

  牛頓的實驗設計十分精巧:他在一扇百葉窗上鑽了一個小孔,讓一束陽光從中透過,然後接連穿過兩塊棱鏡。光透過第一塊棱鏡後,被分解成了不同的顏色。牛頓特意擋住其中的一部分顏色,不讓它們透過第二塊棱鏡。他通過這一方法發現,不同顏色的光在穿過棱鏡時的反射或折射角度不同。接著,他從被第一塊棱鏡分解的光線中挑出一種顏色,讓這種顏色的光線單獨穿過第二塊棱鏡;而這束光從第二塊棱鏡射出後,並沒有發生變化,說明棱鏡不會改變光線的顏色,介質本身對光線顏色不會產生影響。相反,顏色應當是光線本身具有的某種性質。

  由於牛頓的實驗設置屬於臨時起意、又是在家中完成的,再加上他在1672年發表的論文中的描述不夠詳盡,其他科學家一開始沒能順利複製出他的實驗結果。開展這項實驗的技術難度很大,但一旦親眼見到了實驗結果,就很容易被其說服。

  在日漸成名的過程中,牛頓在實驗方面展現出了高超的天資,偶爾還會將自己作為實驗對象。有一次,他盯著太陽看了太久,差點致盲。還有一次,他往眼瞼下方插了一根又長又粗的針,用它擠壓眼球後部,看看會對視力造成什麼影響。雖然牛頓在職業生涯中也有過多次失手,如將某種現象歸咎於神秘主義和宗教等等,但在他取得的巨大成就保證下,他的名望得以經久不衰。

  邁克爾遜與莫雷試圖觀測以太

  實驗結果:研究了光的運動方式

  時間:1881年

  當你大喊一聲,聲波就會穿過媒介(空氣),傳到別人的耳朵裡。海浪也有自己的運動介質(海水)。但光波卻是個例外。即使在真空中、在沒有空氣和水等介質的情況下,光也能通過某種方式傳播。它究竟是怎麼做到的呢?

  19世紀末的主流物理學認為,光是通過一種無處不在的隱形介質傳播的,這種介質名叫“發光以太”。為此,阿爾伯特·邁克爾遜(Albert Michelson)和同事愛德華·莫雷(Edward W。 Morley)設計了一套實驗,希望能證實這種以太的存在。這項實驗雖然沒能成功,卻成為了史上最著名的失敗實驗之一。

  兩位科學家的假設是這樣的:地球在公轉過程中,會不斷在以太中穿行,產生“以太風”。這樣一來,順著以太風方向傳播的光束速度就應當比“逆風”的光束快一些。

  考慮到這種效應必定十分微弱,邁克爾遜對實驗進行了精心設計。19世紀80年代初,他發明了一種干涉儀。該儀器可以讓不同的光束交織在一起、產生干涉條紋,就像湖面上的漣漪一樣。在邁克爾遜干涉儀中,一束光先是通過一面單面鏡,然後分成兩束光,朝相互垂直的方向分別向前運動。運動一段距離之後,兩束光會在擊中鏡面後折返,然後分別穿過中心交彙點。如果因為傳播過程中的位移情況不均等(如受到以太風影響)、造成兩束光抵達中心點的時間不同,就會產生干涉條紋。

  為了避免干涉儀的精密配置受到震動影響,他們將干涉儀放在一塊砂岩板上,讓其飄浮在水銀表面,使摩擦力幾乎為零。整套裝置被放置在一座教學樓的地下室中,進一步與外界隔絕。邁克爾遜和莫雷緩慢地轉動砂岩板,期望能看到在以太影響下產生的光線干涉條紋。

  結果一無所獲。光速並未發生任何變化。

  然而,兩位研究人員均未意識到此次“一無所獲”的重要性,而是將其歸結為實驗誤差、就轉而投向其它項目了。(不過在1907年,邁克爾遜因為這項以光學儀器為基礎的研究,成為了首位獲諾貝爾獎的美國人。)邁克爾遜和莫雷在以太理論上一腳踢破的這個漏洞雖屬無意,卻啟發他人開展了一系列進一步研究、提出了更多相關理論。最終,愛因斯坦在1905年提出了突破性的狹義相對論,創造了光線傳播的新範式。

  瑪麗·居里做出重要功勞

  實驗結果:定義了放射性

  時間:1898年

  在歷史記載的重要科學實驗中,女性的身影寥寥無幾,反映了女性曾被長時間地排除在這門學科之外。但瑪麗·斯科羅多斯卡的出現打破了這條鐵律。

  瑪麗·斯科羅多斯卡1867年生於波蘭華沙。24歲時,為了進一步學習數學和物理,她移民到了巴黎,在那裡遇見並嫁給了物理學家皮埃爾·居里。皮埃爾是一位智力相當的伴侶,在他的幫助下,瑪麗·居里的革命性創意才在這個被男性主導的領域中獲得了一席之地。正如後人評價的那樣:“若不是因為皮埃爾,瑪麗永遠不會被科學界接納。”

  居里夫婦大多數時間都在皮埃爾任職的大學里一間改建過的小屋中工作。1897年,為完成自己的博士論文,瑪麗開始研究一年前發現的一種與X射線有些相似的新型放射現象。利用皮埃爾和他的兄弟發明的一種名叫靜電計的儀器,瑪麗對釷和鈾發射的神秘射線進行了觀測。結果發現,礦石的放射率與其礦物質組成無關,而僅取決於其中所含的放射性元素的量。

  瑪麗從這一觀測結果推斷出,某種物質能否釋放輻射與分子排列無關。相反,“放射性”(瑪麗創造的新詞彙)是單個原子本身的固有性質,由原子內部結構產生。在此之前,科學家一直認為原子是一個不可分割的整體,是最初級的粒子。但瑪麗成功打開了一扇新的大門,讓人們得以從更基礎的亞原子層面認識物質。

  1903年,居里夫人成為了首位獲得諾貝爾獎的女性,並於1911年再次獲獎(因為她發現了鐳和釙兩種元素),成為了極少數獲兩次諾獎的科學家之一。

  有人評論道,無論是在生活還是工作方面,對於有誌於從事科學事業的年輕女性而言,瑪麗·居里都是一名出色的榜樣。

  伊萬·巴甫洛夫研究條件反射

  實驗結果:發現了條件反射現象

  時間:19世紀90年代-20世紀初

  1904年,俄國生理學家伊萬·巴甫洛夫因為在狗身上開展的實驗獲得了諾貝爾獎。他在這些實驗中研究了唾液和胃液是如何消化食物的。雖然巴甫洛夫的科研成果似乎總與狗的口水有關,但他對思維的巧妙運用使其至今仍備受讚譽。

  測量胃液的分泌可不是件愉快的工作。巴甫洛夫和學生們將一根管子固定在雜種狗的嘴中,用來收集唾液。他們注意到,到了喂食的時間,還沒等食物吃到嘴裡,這些狗就會開始流口水了。就像其它許多身體功能 一樣,當時人們也將唾液的分泌視為一種反射,只有咀嚼食物時才會無意識地發生。但巴甫洛夫的狗卻學會了將實驗人員的長相與食物聯繫在一起,意味著它們的生理反應會受到過往經曆的影響。

  在巴甫洛夫的研究之前,反射一直被視作一種固定不變的現象。但他的研究顯示,反射可以受個人經曆的影響發生改變。

  接下來,巴甫洛夫和學生們還教狗將食物與一些中性刺激因素聯繫在一起,如蜂鳴聲、節拍器、旋轉的物體、黑色方塊、哨聲、閃光、以及電擊等等。不過,巴甫洛夫從未用過鈴鐺。許多故事版本中之所以會這麼說,是因為最早的翻譯中將俄語“蜂鳴器”一詞翻錯了。

  這些發現奠定了經典條件反射、又稱巴甫洛夫條件反射理論的基礎。後來這一概念進一步擴展到了任何與刺激相關的學習,即便其中並未涉及反射。我們身上無時無刻不發生著巴甫洛夫條件反射,大腦會不斷地將我們經曆過的事物聯繫在一起。事實上,切斷這些條件反射之間的聯繫恰恰是目前治療創傷後應激障礙症的主要策略。

  羅伯特·密立根測量電荷

  實驗結果:精確測定了單個電子所帶的電荷

  時間:1909年

  從大多數方面來看,羅伯特·密立根都表現得相當出色。他於1868年出生於美國伊利諾伊州的一座小鎮上,後前往奧伯林大學和哥倫比亞大學求學。他曾在德國與歐洲的傑出學者們一起學習物理,後來加入了芝加哥大學物理學系任教,甚至還出了幾本成功的教科書。

  但他同事們的成就還要遠甚於他。19世紀與20世紀之交是物理學發展的繁榮時期。在短短十年之間,量子物理和狹義相對論相繼問世,電子也終於為人所知,首次證明了原子可以進一步分割。到了1908年,密立根發現自己已近四十不惑,名下卻尚無一項重要發現。

  不過,電子為他提供了一個機會。在此之前,研究人員一直想弄清電子是否為一個基本的電荷單元,並且在所有情況下始終保持不變。這個問題的答案將是粒子物理學進一步發展的重要基礎。密立根想著,反正也沒什麼損失,不妨放手一搏。

  在芝加哥大學的實驗室里,密立根用一些充滿濃厚水蒸氣、名叫“雲霧室”的容器展開了研究,並在研究過程中不斷改變其中的電場強度。水滴在因為重力下降之前,會先在帶電原子和分子周圍形成液滴雲。而通過調整電場強度,便可以減緩、甚至徹底阻止液滴的下降,相當於用電與引力相對抗。只要確定液滴取得平衡時的電場強度,並假定液滴在該強度上能始終保持平衡,就可以推算出液滴所帶的電荷量了。

  密立根和學生們在實驗過程中發現,水蒸發得太快,便將水換成了更持久的油,並用香水噴霧瓶將油噴入雲霧室中。

  在此之後,他們又對油滴實驗做了進一步改進,最終證明了電子的確可被視作一個電荷單元。他們測得的單個電子電荷量與目前採用的數值極為接近(1.602×10-19庫倫)。這一成就對粒子物理學而言是個重大轉折,對密立根也是如此。

  毫無疑問,這是一項傑出的實驗。密立根的實驗成果不容辯駁地證明了電子的存在,並證明電子帶有固定的電荷量。粒子物理學的所有發現均建立在這一基礎之上。

  楊、戴維森和革末發現粒子的波動性

  實驗結果:發現了光與電子的波動性

  時間:分別於1801年和1927年

  光究竟是粒子還是波?科學家曾被這一問題困擾許久。在牛頓的光學研究之後,許多物理學家決定將其視為一種粒子。但英國科學家托馬斯·楊最終有力地打破了這一傳統認知。

  楊涉獵極其廣泛,從埃及學(他曾在羅塞塔石碑的破譯中助了一臂之力)到醫學、再到光學,他都有著濃厚的興趣。為探索光的本質,楊在1801年設計了一項實驗。他在一個不透明的物體上開了兩道狹縫,讓陽光從狹縫射入,然後觀察光在對面屏幕上產生的明暗相間的干涉圖樣。據他推斷,這些圖案是光以波的形式向前傳播時產生的,就像漣漪在池塘水面上不斷擴散時、兩道波的波峰和波穀會相互疊加或抵消一樣。

  儘管當時的物理學家們最初並不認可楊的發現,但他的“雙縫實驗”被人們做了一次又一次,最終證明構成光的粒子的確會以波的形式傳播。雙縫實驗的難度並不大,因此很有說服力。該實驗設計相對簡單、容易實現,驗證的概念卻又極其重要,這種例子在科學史上並不多見。

  一個多世紀之後,由克林頓·戴維森和萊斯特·革末開展的相關實驗進一步證明了這一概念的重要意義。他們將電子射入鎳晶體中,散射後的電子在相互作用後產生了一種獨特的圖案,而假如電子沒有波動性,這種圖案是不可能出現的。後續用電子開展的類雙縫實驗證明,具有質量和波動能量的粒子既可以表現出粒子性、又能表現出波動性。當時的科學家們正好剛開始從基本粒子層面解釋物質行為,而這一看似矛盾的理論正是量子物理的核心。

  歸根結底,這些實驗說明世間萬物均具有波動性,無論是“實實在在”的固體、還是“虛無縹緲”的輻射,都不可避免地具有這種性質。這一發現實在出人意料,甚至有些違反直覺,但自此之後,物理學家在研究物質時不得不將波動性考慮在內。

  羅伯特·潘恩研究海星

  實驗結果:發現關鍵物種對生態系統的重要影響

  時間:最早於1966年發表的論文中提出

  到了上世紀60年代,生態學家已經達成了共識:生物聚居地的繁榮興盛主要通過生物多樣性實現。科學家採用的研究方式一般是對大大小小生物構成的生態網進行觀察。但羅伯特·派恩卻獨闢蹊徑,採用了另一種研究方法。

  派恩很好奇對某個環境進行人工干預後會發生什麼事情。於是他在美國華盛頓州海岸邊的潮池中開展了海星驅逐實驗。結果發現,驅除這一物種會破壞整個生態系統的穩定性。失去了海星的製約,藤壺開始瘋狂生長,為貽貝提供了豐富的食物,使貽貝數量迅速增加,導致帽貝和藻類植物的生存空間受到擠壓。最終,整個食物網變得支離破碎,潮池變成了一個由貽貝主宰的“天下”。

  由於海星是整個生態系統的中流砥柱,派恩將其稱為“關鍵物種”。這裏所說的“關鍵”是一個相對概念,意味著給定生態系統中各種生物所做的貢獻比例並不完全相同。派恩的發現對生態保護產生了重大影響,改變了“為保護而保護”的狹隘做法,而是製定以整個生態系統為基礎的管理策略。

  俄勒岡州立大學的海洋生物學家簡·盧布琴科評論道:“派恩的影響具有變革性意義。”她和她的丈夫、同在該大學任教的布魯斯·曼格曾是派恩的學生。盧布琴科在2009至2013年間擔任過美國國家海洋與大氣管理局主管,親眼見證了派恩的關鍵物種概念對漁業管理政策的深刻影響。

  盧布琴科和曼格認為,正是派恩的求知慾望與不懈精神改變了這一領域。“他對靈感懷有一種孩童般的熱忱,”曼格評論道,“他在好奇心的驅使下開展了這項實驗,然後取得了驚人的成果。”

  派恩於2016年逝世。在職業生涯後期,他開始探索人類作為“超級關鍵物種”造成的深遠影響,如通過氣候變化和無限掠奪、改變了全球生態系統等等。(葉子)

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