十大最美丽物理实验

8.伽利略的加速度实验
伽利略继续提炼他有关物体移动的观点。他做了一个6 米多长、3米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜 固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球 每次下滑的时间，研究它们之间的关系。亚里士多德曾预 言滚动球的速度是均匀不变的；铜球滚动两倍的时间就走 出两倍的路程。伽利略却证明铜球滚动的路程和时间的平 方成比例：两倍的时间里，铜球滚动4倍的距离，因为存 在恒定的重力加速度。
本杰名· 富兰克林（1706-1790），出现于美国 100美圆纸币上。他是电学领域的先驱，率先提 出了电荷守恒。
• 1921年，卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖； • 1922年，卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖； • 1922年，卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖； • 1927年，卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖；
• 1935年，卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖；
• 1948年，卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖； • 1951年，卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿，共同获得诺贝尔物 理奖；
1.托马斯· 杨的双缝演示应用于电子干涉实验
1960年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从 屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片。根据 量子力学，电粒子流被分为两股，被分得更小的 粒子流产生波的效应，它们相互影响，以至产生 像托马斯· 杨的双缝实验中出现的加强光和阴影。 这说明微粒也有波的效应。
2. 伽利略的自由落体实验
第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上
黑体辐射与“紫外灾难”。
19世纪末，卢梅尔等人的著名实验―黑体辐射实验，发 现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑 体的温度有关。为了解释黑体辐射实验的结果，物理学 家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立 起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符 合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区 （紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地 增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。 所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失 败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的 失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。
德谟克利特（约公元前460年-公元前370年）， 出现于希腊的100德拉克马的旧纸币上。他是 最早描述物质是由真空中不可分割的、运动的 细小粒子（原子）而组成的古代哲学家之一。
哥白尼（1473-1543），出现于波兰1000兹罗提 纸币上。他是第一位提出太阳系模型的富有思想 的科学家，他认为太阳处于中心，行星在一定轨 道围绕它运转，而不是由任何一种无形的晶状球 体支撑。
姓 名 克利克、瓦森、 维尔京斯 约瑟夫逊 赖尔 赫维赛 莫特
获奖年代
主要贡献 发现去氧核糖核酸的双螺旋结构，获 生理学或医学奖 发现约瑟夫森效应 射电天文学 发现脉冲星 磁性与无规系统的电子结构
1962 1973 1974 1974 1977
与卡文迪什实验室有密切关系的诺贝尔物理学奖
获得者姓名 玻尔 康普顿 狄拉克 P.W.安德逊 卡皮查 获奖年代 1922 1927 1933 1977 1978 主要贡献 研究原子结构和辐射 发现康普顿效应 建立新的原子理论 磁性与无规系统的电子结构 低温物理学
• 1978年，卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。
10.米歇尔· 傅科钟摆实验
1851年法国科学家米歇尔· 傅科在公众面前（国葬院里） 做了一个实验，用一根长220英尺的钢丝将一个62磅 重、带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下，观测记录它前后 摆动的轨迹。周围观众发现钟摆每次摆动都会稍稍偏 离原轨迹并发生旋转时无不惊讶。实际上这是因为房 屋在缓缓移动。傅科的演示说明地球是在围绕地轴自 转的。在巴黎的纬度上，钟摆的轨迹是顺时针方向， 30小时一周期。在南半球，钟摆应是逆时针转动，而 在赤道上将不会转动。在南极，转动周期是24小时。
4.牛顿的棱镜分解太阳光实验
牛顿1665年毕业于剑桥大学的三一学院。 当时大家都认为白光是一种纯的没有其 他颜色的光（亚里士多德就是这样认为 的），而彩色光是一种不知何故发生了 变化的光。而牛顿不这样认为，他把一 面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，墙 上出现不同颜色的光带，后来我们称作 为光谱。人们知道彩虹由七种颜色组成， 但是大家认为那是不正常的。牛顿的结 论是：正是这些红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫基础色有不同的色谱才形成了表 面上颜色单一的白色光，如果你深入地 看看，会发现白光是非常美丽的。
艾萨克· 牛顿（1643-1727），出现于英国1英镑纸币上。 “假如我有一点微小成就的话，没有其它秘诀， 牛顿，可以说是历史上最伟大的物理学家。他的工作确立 唯有勤奋而已。” 了探究这一科学风格的基本要素。他在运动学、光的本性、
重力和物质的性质等方面做出了很多重要发现。（以下摘 自《历史：钞票上的英国》）桌子上的是他手制的第一架 反射式望远镜，现代大型光学天文望远镜的基础。背面左 半部分的主要图案，是各种各样的椭圆——万有引力支配 下天体的运行轨道。
伽利略（1564-1642），出现于意大利2000里拉 纸币上。在某种意义上，他是第一位科学家。他 在如何研究运动体方面做出了重大的发现。
里斯蒂安· 惠更斯（1629-1695），出现于已经不再 流通的荷兰25盾纸币上。惠更斯与做出很多重要 发现和发明的牛顿属同一时代。由于他自制的望远 镜得到了很大改进的缘故，他是第一个发现土星有 土星环的人（高斯认为它是一个“三重行星”）。 他做出了第一个可以极大提高时间测定的准确性的 钟摆。他有关波的传播的描述是现代波动说的基础。
第一朵乌云出现在光的波动理论上
迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说
光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物 理学家给光找了个传播介质―“以太”，肯定了“以太” 的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度 绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎 面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问 题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。为了 观测“以太风”是否存在，迈克耳逊）与莫雷合作，在 克利夫兰进行了一个著名的“迈克耳逊－莫雷实验”， 但是实验结果却和以太漂移说相矛盾。使科学家处于左 右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许 多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他 们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。
用x射线研究晶体结构
发现作为元素特征的二次X射线 因发明质谱仪而获诺贝尔化学奖 发现用蒸汽凝结的方法显示带电粒子的 轨迹 研究热电子现象，发现理查森定律
查德威克
1935
发现中子
从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者
姓 名 G.P.汤拇逊
获奖年代
主要贡献 电子衍射
1937
阿普列顿
布莱开特 鲍威尔 科克拉夫特、 瓦尔顿 泡鲁兹、肯 德纽 克利克、瓦 森、维尔京 斯
从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者
姓 名 瑞利第三 J.J.汤姆逊 卢瑟福 W.H.布拉格、 W.L.布拉格 巴克拉 阿斯顿 C.T.R.威尔 逊 理查森
获奖年代
1904 1906 1908
主要贡献 研究气体密度，发现氮气体导电的理论和实验研究 因放射性研究获诺贝尔化学奖
1915
1917 1922 1927 1928
5. 托马斯· 杨的光双缝干涉实验
牛顿也不是永远正确。在多次争吵后，牛顿让科学界接受 了这样的观点：光是由微粒组成的，而不是一种波。1830 年，英国医生、物理学家托马斯· 杨用实验来验证这一观 点。他在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸片盖住，再 在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过，并用一面镜子反 射透过的光线。然后他用一个厚约1／30英寸的纸片把这 束光从中间分成两束。结果看到了相交的光线和阴影，后 来就发展为用双缝来验证这个实验，如图是自然白光双缝 干涉条纹。这说明两束光线可以像波一样相互干涉。这个 实验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。
托勒密 阿基米德 惠更斯 爱因斯坦 霍金 牛顿 开普勒 伽利略 麦克斯韦
最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科 学概念，这些“抓”住了物理学家眼中“最美的”科学之 魂的实验，就像是一座座历史丰碑一样，把人们长久的困 惑和含糊顷刻间一扫而空，使之对自然界的认识更加清晰。
之所以称它们是历史上最美丽的科学实验，是因为这 十大实验中的绝大多数是科学家独立完成的，最多有一两 个助手，而且所有的实验都是在实验桌上进行的，没有用 到什么大型计算工具比如电脑一类，最多不过是把直尺或 者是计算器。从十大经典科学实验本身，我们也能清楚地 看出两千年来科学家们最重大的发现轨迹，就像我们“鸟 瞰”历史一样。《物理学世界》根据公众对它们的认识程 度进行了排名，排在第一位的是展示物理世界量子特征的 实验。
9. 卢瑟福发现核子实验
近代原子核物理学之父
1911年卢瑟福还在曼彻斯特大学做放射能实验时，原子在 人们的印象中就好像是“葡萄干布丁”，大量正电荷聚集 的糊状物质，中间包含着电子微粒。但是他和他的助手发 现，向金箔发射带正电的阿尔法微粒时有少量被弹回，这 使他们非常吃惊。卢瑟福计算出原子并不是团糊状物质， 大部分物质集中在一个中心小核上，现在叫做原子核，电 子在它周围环绕。
6.卡文迪许扭矩实验
牛顿的另一伟大贡献是他的万有引力定律，但是万 有引力到底有多大？ 18世纪末，英国科学家亨利· 卡文 迪许决定要找出这个引力。他将两边系有小金属球的6 英尺木棒用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样； 再将两个350磅重的铅球放在相当近的地方，以产生足 够的引力让哑铃转动，并扭动金属线。然后用自制的仪 器测量出微小的转动。如图是卡文迪许使用的装置图。 测量结果惊人的准确，他测出了万有引力恒量的参数， 在此基础上卡文迪许计算了地球的密度和质量。卡文迪 许的计算结果是：地球重6．0×1024公斤，或者说13万 亿万亿磅。
7. 埃拉托色尼测量地球圆周长
在古埃及一个现名为阿斯旺的小镇上， 夏日正午的阳光悬在头顶，物体没有影子，阳光直接射 入深水井中。埃拉托色尼是公元前3世纪亚历山大图书馆 馆长，他意识到这一信息可以帮助他估计地球的周长。 在以后几年里的同一天、同一时间，他在亚历山大量了 同一地点的物体的影子。发现太阳光线有轻微的倾斜， 在垂直方向偏离大约7度角。剩下的就是几何学问题了。 假设地球是球状，那么它的圆周应跨360度。如果两座城 市成7度角，就是7／360的圆周，也就是当时5000个希腊 运动场的距离。因此地球周长应该有25万个希腊运动场 长。今天，通过航迹测算，我们惊叹埃拉托色尼的测量 误差仅仅在5 ％以内。