李承琬的部落格

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科學實驗是物理學發展的基礎，又是檢驗物理學理論的惟一手段，特別是現代物理學的發展，更和實驗有著密切的聯繫。 現代實驗技術的發展，不斷地揭示和發現各種新的物理現象，日益加深人們對客觀世界規律的正確認識，從而推動物理學的向前發展。 令人驚奇的是十大經典物理實驗的核心是他們都抓住了物理學家眼中最美麗的科學之魂：由簡單的儀器和設備，發現了最根本、最單純的科學概念。 十大經典物理實驗猶如十座歷史豐碑，掃開人們長久的困惑和含糊，開闢了對自然界的嶄新認識。從十大經典物理實驗評選本身，我們也能清楚地看出 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。 ... 在20世紀初的一段時間中，人們逐漸發現了微觀客體(光子、電子、質子、中子等)既有波動性，又有粒子性，即所謂的「波粒二象性」。 「波動」和「粒子」都是經典物理學中從宏觀世界裡獲得的概念，與我們的直觀經驗較為相符。然而，微觀客體的行為與人們的日常經驗畢竟相差很遠。如何按照現代量子物理學的觀點去準確認識、理解微觀世界本身的規律，電子雙縫干涉實驗為一典型實例。 楊氏的雙縫干涉實驗是經典的波動光學實驗，玻爾和愛因斯坦試圖以電子束代替光束來做雙縫干涉實驗，以此來討論量子物理學中的基本原理。可是，由於技術的原因，當時它只是一個思想實驗。 直到 1961 年，約恩•孫製作出長為 50mm、寬為 0.3mm、縫間距為 1mm 的雙縫，並把一束電子加速到 50keV，然後讓它們通過雙縫。 當電子撞擊螢光屏時顯示了可見的圖樣，並可用照相機記錄圖樣結果。電子雙縫干涉實驗的圖樣與光的雙縫干涉實驗結果的類似性給人們留下了深刻的印象，這是電子具有波動性的一個實證。更有甚者，實驗中即使電子是一個個地發射，仍有相同的干涉圖樣。 但是，當我們試圖決定電子究竟是通過哪個縫的，不論用何手段，圖樣都立即消失，這實際告訴我們，在觀察粒子波動性的過程中，任何試圖研究粒子的努力都將破壞波動的特性，我們無法同時觀察兩個方面。 要設計出一種儀器，它既能判斷電子通過哪個縫，又不干擾圖樣的出現是絕對做不到的。這是微觀世界的規律，並非實驗手段的不足。 ... 伽利略(1564—1642)是近代自然科學的奠基者，是科學史上第一位現代意義上的科學家。 他首先為自然科學創立了兩個研究法則：觀察實驗和量化方法，創立了實驗和數學相結合、真實實驗和理想實驗相結合的方法，從而創造了和以往不同的近代科學研究方法，使近代物理學從此走上了以實驗精確觀測為基礎的道路。 愛因斯坦高度評價道：「伽利略的發現以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一」。 16 世紀以前，希臘最著名的思想家和哲學家亞里斯多德是第一個研究物理現象的科學巨人，他的《物理學》一書是世界上最早的物理學專著。但是亞里斯多德在研究物理學時並不依靠實驗，而是從原始的直接經驗出發，用哲學思辨代替科學實驗。 亞里斯多德認為每一個物體都有回到自然位置的特性，物體回到自然位置的運動就是自然運動。這種運動取決於物體的本性，不需要外部的作用。 自由落體是典型的自然運動，物體越重，回到自然位置的傾向越大，因而在自由落體運動中，物體越重，下落越快；物體越輕，下落越慢。 伽利略當時在比薩大學任職，他大膽地向亞里斯多德的觀點挑戰。伽利略設想了一個理想實驗：讓一重物體和一輕物體束縛在一起同時下落。按照亞里斯多德的觀點，這一理想實驗將會得到兩個結論。 首先，由於這一聯結，重物受到輕物的牽連與阻礙，下落速度將會減慢，下落時間將會延長；其次，也由於這一聯結，聯結體的重量之和大於原重物體；因而下落時間會更短。顯然這是兩個截然相反的結論。 伽利略利用理想實驗和科學推理，巧妙地揭示了亞里斯多德運動理論的內在矛盾，打開了亞里斯多德運動理論的缺口，導致了物理學的真正誕生。 人們傳說伽利略從比薩斜塔上同時扔下一輕一重的物體，讓大家看到兩個物體同時落地，從而向世人展示了他尊重科學，不畏權威的可貴精神。 排名第三：羅伯特·密立根的油滴試驗 ... 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，也可以通過摩擦頭髮得到。1897 年，英國物理學家托馬斯已經得知如何獲取負電荷電流。1909 年美國科學家羅伯特·密立根(1868—1953)開始測量電流的電荷。 他用一個香水瓶的噴頭向一個透明的小盒子裡噴油滴。小盒子的頂部和底部分別放有一個通正電的電極和一個通負電的電極。當小油滴通過空氣時，就帶了一些靜電，它們下落的速度可以通過改變電極的電壓來控制。 當去掉電場時，測量油滴在重力作用下的速度可以得出油滴半徑；加上電場後，可測出油滴在重力和電場力共同作用下的速度，並由此測出油滴得到或失去電荷後的速度變化。 這樣，他可以一次連續幾個小時測量油滴的速度變化，即使工作因故被打斷，被電場平衡住的油滴經過一個多小時也不會跑多遠。 經過反覆試驗，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。他認為電子本身既不是一個假想的也不是不確定的，而是一個「我們這一代人第一次看到的事實」。 他在諾貝爾獎獲獎演講中強調了他的工作的兩條基本結論，即「電子電荷總是元電荷的確定的整數倍而不是分數倍」和「這一實驗的觀察者幾乎可以認為是看到了電子」。 「科學是用理論和實驗這兩隻腳前進的」，密立根在他的獲獎演說中講道，「有時這隻腳先邁出一步，有時是另一隻腳先邁出一步，但是前進要靠兩隻腳：先建立理論然後做實驗，或者是先在實驗中得出了新的關係，然後再邁出理論這隻腳並推動實驗前進，如此不斷交替進行」。 他用非常形象的比喻說明了理論和實驗在科學發展中的作用。作為一名實驗物理學家，他不但重視實驗，也極為重視理論的指導作用。 ... 對光學問題的研究是牛頓(1642—1727)工作的重要部分之一，亦是他最後未完成的課題。牛頓 1665 年畢業於劍橋大學的三一學院，當時大家都認為白光是一種純的沒有其他顏色的光； 而有色光是一種不知何故發生變化的光(亞里斯多德的理論)。1665—1667 年間，年輕的牛頓獨自做了一系列實驗來研究各種光現象。他把一塊三稜鏡放在陽光下，透過三稜鏡，光在牆上被分解為不同顏色，後來我們將其稱作光譜。 在他的手裡首次使三稜鏡變成了光譜儀，真正揭示了顏色起源的本質。1672 年 2 月，牛頓懷著揭露大自然奧秘的興奮和喜悅，在第一篇正式的科學論文《白光的結構》中，闡述了他的顏色起源學說，「顏色不像一般所認為的那樣是從自然物體的折射或反射中所導出的光的性能，而是一種原始的、天生的性質」。 「通常的白光確實是每一種不同顏色的光線的混合，光譜的伸長是由於玻璃對這些不同的光線折射本領不同」。 牛頓《光學》著作於 1704 年問世，其中第一節專門描述了關於顏色起源的稜鏡分光實驗和討論，肯定了白光由七種顏色組成。 他還給這七種顏色進行了命名，直到現在，全世界的人都在使用牛頓命名的顏色。牛頓指出，「光帶被染成這樣的彩條：紫色、藍色、青色、綠色、黃色、橙色、紅色，還有所有的中間顏色，連續變化，順序連接」。 正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎色不同的色譜才形成了表面上顏色單一的白色光，如果你深入地看看，會發現白光是非常美麗的。 這一實驗後人可以不斷地重複進行，並得到與牛頓相同的實驗結果。自此以後七種顏色的理論就被人們普遍接受了。通過這一實驗，牛頓為光的色散理論奠定了基礎，並使人們對顏色的解釋擺脫了主觀視覺印象，從而走上了與客觀量度相聯繫的科學軌道。 同時，這一實驗開創了光譜學研究，不久，光譜分析就成為光學和物質結構研究的主要手段。 ... 牛頓在其《光學》的論著中認為光是由微粒組成的，而不是一種波。因此在其後的近百年間，人們對光學的認識幾乎停滯不前，沒有取得什麼實質性的進展。1800 年英國物理學家托馬斯·楊(1773—1829)向這個觀點提出了挑戰，光學研究也獲得了飛躍性的發展。 楊在「關於聲和光的實驗與研究提綱」的論文中指出，光的微粒說存在著兩個缺點：一是既然發射出光微粒的力量是多種多樣的，那麼，為什麼又認為所有發光體發出的光都具有同樣的速度? 二是透明物體表面產生部分反射時，為什麼同一類光線有的被反射，有的卻透過去了呢?楊認為，如果把光看成類似於聲音那樣的波動，上述兩個缺點就會避免。 為了證明光是波動的，楊在論文中把「干涉」一詞引入光學領域，提出光的「干涉原理」，即「同一光源的部分光線當從不同的渠道，恰好由同一個方向或者大致相同的方向進人眼睛時，光程差是固定長度的整數倍時最亮，相干涉的兩個部分處於均衡狀態時最暗，這個長度因顏色而異」。 楊氏對此進行了實驗，他在百葉窗上開了一個小洞，然後用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個很小的洞。讓光線透過，並用一面鏡子反射透過的光線。然後他用一個厚約1/30英寸的紙片把這束光從中間分成兩束，結果看到了相交的光線和陰影。這說明兩束光線可以像波一樣相互干涉。這就是著名的「楊氏干涉實驗」。 楊氏實驗是物理學史上一個非常著名的實驗，楊氏以一種非常巧妙的方法獲得了兩束相干光，觀察到了干涉條紋。他第一次以明確的形式提出了光波疊加的原理，並以光的波動性解釋了干涉現象。 隨著光學的發展，人們至今仍能從中提取出很多重要概念和新的認識。無論是經典光學還是近代光學，楊氏實驗的意義都是十分重大的。 愛因斯坦(1879—1955)指出：光的波動說的成功，在牛頓物理學體系上打開了第一道缺口，揭開了現今所謂的場物理學的第一章。這個試驗也為一個世紀後量子學說的創立起到了至關重要的作用。 排名第六：卡文迪許扭矩實驗 ... 牛頓的萬有引力理論指出：兩個物體之間的吸引力與它們質量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比。但是萬有引力到底多大? 18 世紀末，英國科學家亨利·卡文迪什(1731—1810)決定要找到一個計算方法。他把兩頭帶有金屬球的 6 英尺長的木棒用金屬線懸吊起來。 再用兩個 350 磅重的皮球分別放在兩個懸掛著的金屬球足夠近的地方，以吸引金屬球轉動，從而使金屬線扭動，然後用自製的儀器測量出微小的轉動。 ... 埃拉托色尼(約公元前 276一約前 194)公元前 276 年生於北非城市塞里尼(今利比亞的沙哈特)。他興趣廣泛，博學多才，是古代僅次於亞里斯多德的百科全書式的學者。只是因為他的著作全部失傳，今天才對他不太了解。 埃拉托色尼的科學工作極為廣泛，最為著名的成就是測定地球的大小，其方法完全是幾何學的。假定地球是一個球體，那麼同一個時間在地球上不同的地方，太陽線與地平面的夾角是不一樣的。 只要測出這個夾角的差以及兩地之間的距離，地球周長就可以計算出來。他聽說在埃及的塞恩即今天的亞斯文，夏至這天中午的陽光懸在頭頂，物體沒有影子，光線可以直射到井底，表明這時的太陽正好垂直塞恩的地面，埃拉托色尼意識到這可以幫助他測量地球的圓周。 他測出了塞恩到亞歷山大城的距離，又測出夏至正中午時亞歷山大城垂直桿的桿長和影長，發現太陽光線有稍稍偏離，與垂直方向大約成 7° 角。剩下的就是幾何問題了。假設地球是球狀，那麼它的圓周應是 360°。 如果兩座城市成 7° 角(7/360 的圓周)，就是當時 5000 個希臘運動場的距離，因此地球圓周應該是 25 萬個希臘運動場，約合 4 萬千米。 今天我們知道埃拉托色尼的測量誤差僅僅在 5％ 以內，即與實際只差 100 多千米。 排名第八：伽利略的加速度試驗 ... 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?由於當時測量條件的限制，伽利略無法用直接測量運動速度的方法來尋找自由落體的運動規律。 因此他設想用斜面來「沖淡」重力，「放慢」運動，而且把速度的測量轉化為對路程和時間的測量，並把自由落體運動看成為傾角為 90° 的斜面運動的特例。 在這一思想的指導下，他做了一個 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滾下，然後測量銅球每次滾下的時間和距離的關係，並研究它們之間的數學關係。 亞里斯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和時間的平方成比例：兩倍的時間裡，銅球滾動 4 倍的距離。 他把實驗過程和結果詳細記載在 1638 年發表的著名的科學著作《關於兩門新科學的對話》中。 伽利略在實驗的基礎上，經過數學的計算和推理，得出假設；然後再用實驗加以檢驗，由此得出正確的自由落體運動規律。這種研究方法後來成了近代自然科學研究的基本程序和方法。 伽利略的斜面加速度實驗還是把真實實驗和理想實驗相結合的典範。伽利略在斜面實驗中發現，只要把摩擦減小到可以忽略的程度，小球從一斜面滾下之後，可以滾上另一斜面，而與斜面的傾角無關。 也就是說，無論第二個斜面伸展多遠，小球總能達到和出發點相同的高度。如果第二斜面水平放置，而且無限延長，則小球會一直運動下去。這實際上是我們現在所說的慣性運動。 因此，力不再是亞里斯多德所說的維持運動的原因，而是改變運動狀態（加速或減速)的原因。 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。實驗不是也不可能是自然觀象的完全再現，而是在人類理性指導下的對自然現象的一種簡化和純化，因而實驗必須有理性的參與和指導。 伽利略既重視實驗，又重視理性思維，強調科學是用理性思維把自然過程加以純化、簡化，從而找出其數學關係。因此，是伽利略開創了近代自然科學中經驗和理性相結合的傳統。 這一結合不僅對物理學，而且對整個近代自然科學都產生了深遠的影響。正如愛因斯坦所說：「人的思維創造出一直在改變的宇宙圖景，伽利略對科學的貢獻就在於毀滅直覺的觀點而用新的觀點來代替它。這就是伽利略的發現的重要意義」。 排名第九：盧瑟福散射與原子的有核模型 ... 盧瑟福(1871—1937)在 1898 年發現了 a 射線。1911 年盧瑟福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「葡萄乾布丁」，即大量正電荷聚集的糊狀物質，中間包含著電子微粒，但是他和他的助手發現向金箔發射帶正電的 a 射線微粒時有少量被彈回，這使他們非常吃驚。 通過計算證明，只有假設正電球集中了原子的絕大部分質量，並且它的直徑比原子直徑小得多時，才能正確解釋這個不可想像的實驗結果。 為此盧瑟福提出了原子的有核模型：原子並不是一團糊狀物質，大部分物質集中在一個中心的小核上，稱之為核子，電子在它周圍環繞。 這是一個開創新時代的實驗，是一個導致原子物理和原子核物理肇始的具有里程碑性質的重要實驗。同時他推演出一套可供實驗驗證的盧瑟福散射理論。 以散射為手段研究物質結構的方法，對近代物理有相當重要的影響。一旦我們在散射實驗中觀察到盧瑟福散射的特徵，即所謂「盧瑟福影子」，則可預料到在研究的對象中可能存在著「點」狀的亞結構。 此外，盧瑟福散射也為材料分析提供了一種有力的手段。根據被靶物質大角散射回來的粒子能譜，可以研究物質材料表面的性質(如有無雜質及雜質的種類和分布等)，按此原理製成的「盧瑟福質譜儀」已得到廣泛應用。 ... 1851 年，法國著名物理學家傅科(1819—1868)為驗證地球自轉，當眾做了一個實驗，用一根長達 67m 的鋼絲吊著一個重 28kg 的擺錘《擺錘直徑 0.30m)，擺錘的頭上帶有鋼筆，可觀測記錄它的擺動軌跡。 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 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；在南極，轉動周期是 24 小時。 這一實驗裝置被後人稱為傅科擺，也是人類第一次用來驗證地球自轉的實驗裝置。該裝置可以顯示由於地球自轉而產生科里奧利力的作用效應，也就是傅科擺振動平面繞鉛垂線發生偏轉的現象，即傅科效應。實際上這等同於觀察者觀察到地球在擺下的自轉。

內容簡介

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文章來源取自於：

每日頭條 https://kknews.cc/science/zr4ll4a.html

博客來 https://www.books.com.tw/exep/assp.php/888words/products/0010350447

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