歷史上的十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)

　　2002 年，美國(guó)兩位學(xué)者在全美物理學(xué)家中做了一次調(diào)查，請(qǐng)他們提名有史以來(lái)最出色的十大物理實(shí)驗(yàn)，其中多數(shù)都是我們耳熟能詳?shù)慕?jīng)典之作。令人驚奇的是十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)的核心是他們都抓住了物理學(xué)家眼中最美麗的科學(xué)之魂：由簡(jiǎn)單的儀器和設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學(xué)概念。十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)猶如十座歷史豐碑，掃開(kāi)人們長(zhǎng)久的困惑和含糊，開(kāi)辟了對(duì)自然界的嶄新認(rèn)識(shí)。從十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)評(píng)選本身，我們也能清楚地看出 2000 年來(lái)科學(xué)家們最重大的發(fā)現(xiàn)軌跡，就像我們“鳥(niǎo)瞰”歷史一樣。

　　十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)

　　排名第一：托馬斯·楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉實(shí)驗(yàn)

　　在20世紀(jì)初的一段時(shí)間中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了微觀客體(光子、電子、質(zhì)子、中子等)既有波動(dòng)性，又有粒子性，即所謂的“波粒二象性”。“波動(dòng)”和“粒子”都是經(jīng)典物理學(xué)中從宏觀世界里獲得的概念，與我們的直觀經(jīng)驗(yàn)較為相符。然而，微觀客體的行為與人們的日常經(jīng)驗(yàn)畢竟相差很遠(yuǎn)。如何按照現(xiàn)代量子物理學(xué)的觀點(diǎn)去準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)、理解微觀世界本身的規(guī)律，電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為一典型實(shí)例。

　　楊氏的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是經(jīng)典的波動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，玻爾和愛(ài)因斯坦試圖以電子束代替光束來(lái)做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)討論量子物理學(xué)中的基本原理?？墒?，由于技術(shù)的原因，當(dāng)時(shí)它只是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。直到 1961 年，約恩·孫制作出長(zhǎng)為 50mm、寬為 0.3mm、縫間距為 1mm 的雙縫，并把一束電子加速到 50keV，然后讓它們通過(guò)雙縫。當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r顯示了可見(jiàn)的圖樣，并可用照相機(jī)記錄圖樣結(jié)果。電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的圖樣與光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果的類(lèi)似性給人們留下了深刻的印象，這是電子具有波動(dòng)性的一個(gè)實(shí)證。更有甚者，實(shí)驗(yàn)中即使電子是一個(gè)個(gè)地發(fā)射，仍有相同的干涉圖樣。但是，當(dāng)我們?cè)噲D決定電子究竟是通過(guò)哪個(gè)縫的，不論用何手段，圖樣都立即消失，這實(shí)際告訴我們，在觀察粒子波動(dòng)性的過(guò)程中，任何試圖研究粒子的努力都將破壞波動(dòng)的特性，我們無(wú)法同時(shí)觀察兩個(gè)方面。要設(shè)計(jì)出一種儀器，它既能判斷電子通過(guò)哪個(gè)縫，又不干擾圖樣的出現(xiàn)是絕對(duì)做不到的。這是微觀世界的規(guī)律，并非實(shí)驗(yàn)手段的不足。

　　排名第二：伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)

　　伽利略(1564—1642)是近代自然科學(xué)的奠基者，是科學(xué)史上第一位現(xiàn)代意義上的科學(xué)家。他首先為自然科學(xué)創(chuàng)立了兩個(gè)研究法則：觀察實(shí)驗(yàn)和量化方法，創(chuàng)立了實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合、真實(shí)實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，從而創(chuàng)造了和以往不同的近代科學(xué)研究方法，使近代物理學(xué)從此走上了以實(shí)驗(yàn)精確觀測(cè)為基礎(chǔ)的道路。愛(ài)因斯坦高度評(píng)價(jià)道：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一”。

　　16 世紀(jì)以前，希臘最著名的思想家和哲學(xué)家亞里斯多德是第一個(gè)研究物理現(xiàn)象的科學(xué)巨人，他的《物理學(xué)》一書(shū)是世界上最早的物理學(xué)專著。但是亞里斯多德在研究物理學(xué)時(shí)并不依靠實(shí)驗(yàn)，而是從原始的直接經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，用哲學(xué)思辨代替科學(xué)實(shí)驗(yàn)。亞里斯多德認(rèn)為每一個(gè)物體都有回到自然位置的特性，物體回到自然位置的運(yùn)動(dòng)就是自然運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)取決于物體的本性，不需要外部的作用。自由落體是典型的自然運(yùn)動(dòng)，物體越重，回到自然位置的傾向越大，因而在自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體越重，下落越快;物體越輕，下落越慢。

　　伽利略當(dāng)時(shí)在比薩大學(xué)任職，他大膽地向亞里斯多德的觀點(diǎn)挑戰(zhàn)。伽利略設(shè)想了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)：讓一重物體和一輕物體束縛在一起同時(shí)下落。按照亞里斯多德的觀點(diǎn)，這一理想實(shí)驗(yàn)將會(huì)得到兩個(gè)結(jié)論。首先，由于這一聯(lián)結(jié)，重物受到輕物的牽連與阻礙，下落速度將會(huì)減慢，下落時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng);其次，也由于這一聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)體的重量之和大于原重物體;因而下落時(shí)間會(huì)更短。顯然這是兩個(gè)截然相反的結(jié)論。

　　伽利略利用理想實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理，巧妙地揭示了亞里斯多德運(yùn)動(dòng)理論的內(nèi)在矛盾，打開(kāi)了亞里斯多德運(yùn)動(dòng)理論的缺口，導(dǎo)致了物理學(xué)的真正誕生。

　　人們傳說(shuō)伽利略從比薩斜塔上同時(shí)扔下一輕一重的物體，讓大家看到兩個(gè)物體同時(shí)落地，從而向世人展示了他尊重科學(xué)，不畏權(quán)威的可貴精神。

　　排名第三：羅伯特·密立根的油滴試驗(yàn)

　　很早以前，科學(xué)家就在研究電。人們知道這種無(wú)形的物質(zhì)可以從天上的閃電中得到，也可以通過(guò)摩擦頭發(fā)得到。1897 年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯已經(jīng)得知如何獲取負(fù)電荷電流。1909 年美國(guó)科學(xué)家羅伯特·密立根(1868—1953)開(kāi)始測(cè)量電流的電荷。

　　他用一個(gè)香水瓶的噴頭向一個(gè)透明的小盒子里噴油滴。小盒子的頂部和底部分別放有一個(gè)通正電的電極和一個(gè)通負(fù)電的電極。當(dāng)小油滴通過(guò)空氣時(shí)，就帶了一些靜電，它們下落的速度可以通過(guò)改變電極的電壓來(lái)控制。當(dāng)去掉電場(chǎng)時(shí)，測(cè)量油滴在重力作用下的速度可以得出油滴半徑;加上電場(chǎng)后，可測(cè)出油滴在重力和電場(chǎng)力共同作用下的速度，并由此測(cè)出油滴得到或失去電荷后的速度變化。這樣，他可以一次連續(xù)幾個(gè)小時(shí)測(cè)量油滴的速度變化，即使工作因故被打斷，被電場(chǎng)平衡住的油滴經(jīng)過(guò)一個(gè)多小時(shí)也不會(huì)跑多遠(yuǎn)。

　　經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，密立根得出結(jié)論：電荷的值是某個(gè)固定的常量，最小單位就是單個(gè)電子的帶電量。他認(rèn)為電子本身既不是一個(gè)假想的也不是不確定的，而是一個(gè)“我們這一代人第一次看到的事實(shí)”。他在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演講中強(qiáng)調(diào)了他的工作的兩條基本結(jié)論，即“電子電荷總是元電荷的確定的整數(shù)倍而不是分?jǐn)?shù)倍”和“這一實(shí)驗(yàn)的觀察者幾乎可以認(rèn)為是看到了電子”。

　　“科學(xué)是用理論和實(shí)驗(yàn)這兩只腳前進(jìn)的”，密立根在他的獲獎(jiǎng)演說(shuō)中講道，“有時(shí)這只腳先邁出一步，有時(shí)是另一只腳先邁出一步，但是前進(jìn)要靠?jī)芍荒_：先建立理論然后做實(shí)驗(yàn)，或者是先在實(shí)驗(yàn)中得出了新的關(guān)系，然后再邁出理論這只腳并推動(dòng)實(shí)驗(yàn)前進(jìn)，如此不斷交替進(jìn)行”。他用非常形象的比喻說(shuō)明了理論和實(shí)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展中的作用。作為一名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他不但重視實(shí)驗(yàn)，也極為重視理論的指導(dǎo)作用。

　　排名第四：牛頓的棱鏡分解太陽(yáng)光

　　對(duì)光學(xué)問(wèn)題的研究是牛頓(1642—1727)工作的重要部分之一，亦是他最后未完成的課題。牛頓 1665 年畢業(yè)于劍橋大學(xué)的三一學(xué)院，當(dāng)時(shí)大家都認(rèn)為白光是一種純的沒(méi)有其他顏色的光;而有色光是一種不知何故發(fā)生變化的光(亞里斯多德的理論)。1665—1667 年間，年輕的牛頓獨(dú)自做了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)研究各種光現(xiàn)象。他把一塊三棱鏡放在陽(yáng)光下，透過(guò)三棱鏡，光在墻上被分解為不同顏色，后來(lái)我們將其稱作光譜。在他的手里首次使三棱鏡變成了光譜儀，真正揭示了顏色起源的本質(zhì)。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(xué)論文《白光的結(jié)構(gòu)》中，闡述了他的顏色起源學(xué)說(shuō)，“顏色不像一般所認(rèn)為的那樣是從自然物體的折射或反射中所導(dǎo)出的光的性能，而是一種原始的、天生的性質(zhì)”。“通常的白光確實(shí)是每一種不同顏色的光線的混合，光譜的伸長(zhǎng)是由于玻璃對(duì)這些不同的光線折射本領(lǐng)不同”。

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　　牛頓《光學(xué)》著作于 1704 年問(wèn)世，其中第一節(jié)專門(mén)描述了關(guān)于顏色起源的棱鏡分光實(shí)驗(yàn)和討論，肯定了白光由七種顏色組成。他還給這七種顏色進(jìn)行了命名，直到現(xiàn)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(lán)色、青色、綠色、黃色、橙色、紅色，還有所有的中間顏色，連續(xù)變化，順序連接”。正是這些紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫基礎(chǔ)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(huì)發(fā)現(xiàn)白光是非常美麗的。

　　這一實(shí)驗(yàn)后人可以不斷地重復(fù)進(jìn)行，并得到與牛頓相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。自此以后七種顏色的理論就被人們普遍接受了。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)，牛頓為光的色散理論奠定了基礎(chǔ)，并使人們對(duì)顏色的解釋擺脫了主觀視覺(jué)印象，從而走上了與客觀量度相聯(lián)系的科學(xué)軌道。同時(shí)，這一實(shí)驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)了光譜學(xué)研究，不久，光譜分析就成為光學(xué)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的主要手段。

　　排名第五：托馬斯·楊的光干涉試驗(yàn)

　　牛頓在其《光學(xué)》的論著中認(rèn)為光是由微粒組成的，而不是一種波。因此在其后的近百年間，人們對(duì)光學(xué)的認(rèn)識(shí)幾乎停滯不前，沒(méi)有取得什么實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。1800 年英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊(1773—1829)向這個(gè)觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)，光學(xué)研究也獲得了飛躍性的發(fā)展。

　　楊在“關(guān)于聲和光的實(shí)驗(yàn)與研究提綱”的論文中指出，光的微粒說(shuō)存在著兩個(gè)缺點(diǎn)：一是既然發(fā)射出光微粒的力量是多種多樣的，那么，為什么又認(rèn)為所有發(fā)光體發(fā)出的光都具有同樣的速度?二是透明物體表面產(chǎn)生部分反射時(shí)，為什么同一類(lèi)光線有的被反射，有的卻透過(guò)去了呢?楊認(rèn)為，如果把光看成類(lèi)似于聲音那樣的波動(dòng)，上述兩個(gè)缺點(diǎn)就會(huì)避免。

　　為了證明光是波動(dòng)的，楊在論文中把“干涉”一詞引入光學(xué)領(lǐng)域，提出光的“干涉原理”，即“同一光源的部分光線當(dāng)從不同的渠道，恰好由同一個(gè)方向或者大致相同的方向進(jìn)人眼睛時(shí)，光程差是固定長(zhǎng)度的整數(shù)倍時(shí)最亮，相干涉的兩個(gè)部分處于均衡狀態(tài)時(shí)最暗，這個(gè)長(zhǎng)度因顏色而異”。楊氏對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他在百葉窗上開(kāi)了一個(gè)小洞，然后用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個(gè)很小的洞。讓光線透過(guò)，并用一面鏡子反射透過(guò)的光線。然后他用一個(gè)厚約1/30英寸的紙片把這束光從中間分成兩束，結(jié)果看到了相交的光線和陰影。這說(shuō)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(shí)驗(yàn)”。

　　楊氏實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上一個(gè)非常著名的實(shí)驗(yàn)，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，并以光的波動(dòng)性解釋了干涉現(xiàn)象。隨著光學(xué)的發(fā)展，人們至今仍能從中提取出很多重要概念和新的認(rèn)識(shí)。無(wú)論是經(jīng)典光學(xué)還是近代光學(xué)，楊氏實(shí)驗(yàn)的意義都是十分重大的。愛(ài)因斯坦(1879—1955)指出：光的波動(dòng)說(shuō)的成功，在牛頓物理學(xué)體系上打開(kāi)了第一道缺口，揭開(kāi)了現(xiàn)今所謂的場(chǎng)物理學(xué)的第一章。這個(gè)試驗(yàn)也為一個(gè)世紀(jì)后量子學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立起到了至關(guān)重要的作用。

　　排名第六：卡文迪許扭矩實(shí)驗(yàn)

　　牛頓的萬(wàn)有引力理論指出：兩個(gè)物體之間的吸引力與它們質(zhì)量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比。但是萬(wàn)有引力到底多大?

　　18 世紀(jì)末，英國(guó)科學(xué)家亨利·卡文迪什(1731—1810)決定要找到一個(gè)計(jì)算方法。他把兩頭帶有金屬球的 6 英尺長(zhǎng)的木棒用金屬線懸吊起來(lái)。再用兩個(gè) 350 磅重的皮球分別放在兩個(gè)懸掛著的金屬球足夠近的地方，以吸引金屬球轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使金屬線扭動(dòng)，然后用自制的儀器測(cè)量出微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　測(cè)量結(jié)果驚人的準(zhǔn)確，他測(cè)出了萬(wàn)有引力的引力常數(shù) G。牛頓萬(wàn)有引力常數(shù) G 的精確測(cè)量不僅對(duì)物理學(xué)有重要意義，同時(shí)也對(duì)天體力學(xué)、天文觀測(cè)學(xué)，以及地球物理學(xué)具有重要的實(shí)際意義。人們?cè)诳ㄎ牡鲜矊?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可以準(zhǔn)確地計(jì)算地球的密度和質(zhì)量。

　　排名第七：埃拉托色尼測(cè)量地球圓周

　　埃拉托色尼(約公元前 276一約前 194)公元前 276 年生于北非城市塞里尼(今利比亞的沙哈特)。他興趣廣泛，博學(xué)多才，是古代僅次于亞里斯多德的百科全書(shū)式的學(xué)者。只是因?yàn)樗闹魅渴?，今天才?duì)他不太了解。

　　埃拉托色尼的科學(xué)工作極為廣泛，最為著名的成就是測(cè)定地球的大小，其方法完全是幾何學(xué)的。假定地球是一個(gè)球體，那么同一個(gè)時(shí)間在地球上不同的地方，太陽(yáng)線與地平面的夾角是不一樣的。只要測(cè)出這個(gè)夾角的差以及兩地之間的距離，地球周長(zhǎng)就可以計(jì)算出來(lái)。他聽(tīng)說(shuō)在埃及的塞恩即今天的阿斯旺，夏至這天中午的陽(yáng)光懸在頭頂，物體沒(méi)有影子，光線可以直射到井底，表明這時(shí)的太陽(yáng)正好垂直塞恩的地面，埃拉托色尼意識(shí)到這可以幫助他測(cè)量地球的圓周。他測(cè)出了塞恩到亞歷山大城的距離，又測(cè)出夏至正中午時(shí)亞歷山大城垂直桿的桿長(zhǎng)和影長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)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(wèn)題了。假設(shè)地球是球狀，那么它的圓周應(yīng)是 360°。如果兩座城市成 7° 角(7/360 的圓周)，就是當(dāng)時(shí) 5000 個(gè)希臘運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的距離，因此地球圓周應(yīng)該是 25 萬(wàn)個(gè)希臘運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，約合 4 萬(wàn)千米。今天我們知道埃拉托色尼的測(cè)量誤差僅僅在 5% 以內(nèi)，即與實(shí)際只差 100 多千米。

　　排名第八：伽利略的加速度試驗(yàn)

　　伽利略利用理想實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理巧妙地否定了亞里斯多德的自由落體運(yùn)動(dòng)理論。那么正確的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)是怎樣的呢?由于當(dāng)時(shí)測(cè)量條件的限制，伽利略無(wú)法用直接測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度的方法來(lái)尋找自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此他設(shè)想用斜面來(lái)“沖淡”重力，“放慢”運(yùn)動(dòng)，而且把速度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)路程和時(shí)間的測(cè)量，并把自由落體運(yùn)動(dòng)看成為傾角為 90° 的斜面運(yùn)動(dòng)的特例。在這一思想的指導(dǎo)下，他做了一個(gè) 6 米多長(zhǎng)，3 米多寬的光滑直木板槽，再把這個(gè)木板槽傾斜固定，讓銅球從木槽頂端沿斜面滾下，然后測(cè)量銅球每次滾下的時(shí)間和距離的關(guān)系，并研究它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。亞里斯多德曾預(yù)言滾動(dòng)球的速度是均勻不變的：銅球滾動(dòng)兩倍的時(shí)間就走出兩倍的路程。伽利略卻證明銅球滾動(dòng)的路程和時(shí)間的平方成比例：兩倍的時(shí)間里，銅球滾動(dòng) 4 倍的距離。他把實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果詳細(xì)記載在 1638 年發(fā)表的著名的科學(xué)著作《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話》中。

　　伽利略在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)的計(jì)算和推理，得出假設(shè);然后再用實(shí)驗(yàn)加以檢驗(yàn)，由此得出正確的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種研究方法后來(lái)成了近代自然科學(xué)研究的基本程序和方法。

　　伽利略的斜面加速度實(shí)驗(yàn)還是把真實(shí)實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的典范。伽利略在斜面實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，只要把摩擦減小到可以忽略的程度，小球從一斜面滾下之后，可以滾上另一斜面，而與斜面的傾角無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，無(wú)論第二個(gè)斜面伸展多遠(yuǎn)，小球總能達(dá)到和出發(fā)點(diǎn)相同的高度。如果第二斜面水平放置，而且無(wú)限延長(zhǎng)，則小球會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去。這實(shí)際上是我們現(xiàn)在所說(shuō)的慣性運(yùn)動(dòng)。因此，力不再是亞里斯多德所說(shuō)的維持運(yùn)動(dòng)的原因，而是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(加速或減速)的原因。

　　把真實(shí)實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，把經(jīng)驗(yàn)和理性(包括數(shù)學(xué)論證)相結(jié)合的方法，是伽利略對(duì)近代科學(xué)的重大貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)不是也不可能是自然觀象的完全再現(xiàn)，而是在人類(lèi)理性指導(dǎo)下的對(duì)自然現(xiàn)象的一種簡(jiǎn)化和純化，因而實(shí)驗(yàn)必須有理性的參與和指導(dǎo)。伽利略既重視實(shí)驗(yàn)，又重視理性思維，強(qiáng)調(diào)科學(xué)是用理性思維把自然過(guò)程加以純化、簡(jiǎn)化，從而找出其數(shù)學(xué)關(guān)系。因此，是伽利略開(kāi)創(chuàng)了近代自然科學(xué)中經(jīng)驗(yàn)和理性相結(jié)合的傳統(tǒng)。這一結(jié)合不僅對(duì)物理學(xué)，而且對(duì)整個(gè)近代自然科學(xué)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)：“人的思維創(chuàng)造出一直在改變的宇宙圖景，伽利略對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)就在于毀滅直覺(jué)的觀點(diǎn)而用新的觀點(diǎn)來(lái)代替它。這就是伽利略的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了 a 射線。1911 年盧瑟福在曼徹斯特大學(xué)做放射能實(shí)驗(yàn)時(shí)，原子在人們的印象中就好像是“葡萄干布丁”，即大量正電荷聚集的糊狀物質(zhì)，中間包含著電子微粒，但是他和他的助手發(fā)現(xiàn)向金箔發(fā)射帶正電的 a 射線微粒時(shí)有少量被彈回，這使他們非常吃驚。通過(guò)計(jì)算證明，只有假設(shè)正電球集中了原子的絕大部分質(zhì)量，并且它的直徑比原子直徑小得多時(shí)，才能正確解釋這個(gè)不可想象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為此盧瑟福提出了原子的有核模型：原子并不是一團(tuán)糊狀物質(zhì)，大部分物質(zhì)集中在一個(gè)中心的小核上，稱之為核子，電子在它周?chē)h(huán)繞。

　　這是一個(gè)開(kāi)創(chuàng)新時(shí)代的實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)導(dǎo)致原子物理和原子核物理肇始的具有里程碑性質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)。同時(shí)他推演出一套可供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的盧瑟福散射理論。以散射為手段研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，對(duì)近代物理有相當(dāng)重要的影響。一旦我們?cè)谏⑸鋵?shí)驗(yàn)中觀察到盧瑟福散射的特征，即所謂“盧瑟福影子”，則可預(yù)料到在研究的對(duì)象中可能存在著“點(diǎn)”狀的亞結(jié)構(gòu)。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(jù)被靶物質(zhì)大角散射回來(lái)的粒子能譜，可以研究物質(zhì)材料表面的性質(zhì)(如有無(wú)雜質(zhì)及雜質(zhì)的種類(lèi)和分布等)，按此原理制成的“盧瑟福質(zhì)譜儀”已得到廣泛應(yīng)用。

　　排名第十：米歇爾·傅科鐘擺試驗(yàn)

　　1851 年，法國(guó)著名物理學(xué)家傅科(1819—1868)為驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)，當(dāng)眾做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用一根長(zhǎng)達(dá) 67m 的鋼絲吊著一個(gè)重 28kg 的擺錘《擺錘直徑 0.30m)，擺錘的頭上帶有鋼筆，可觀測(cè)記錄它的擺動(dòng)軌跡。傅科的演示說(shuō)明地球是在圍繞地軸旋轉(zhuǎn)。在巴黎的緯度上，鐘擺的軌跡是順時(shí)針?lè)较颍?0 小時(shí)一周期;在南半球，鐘擺應(yīng)是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);而在赤道上將不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng);在南極，轉(zhuǎn)動(dòng)周期是 24 小時(shí)。

　　這一實(shí)驗(yàn)裝置被后人稱為傅科擺，也是人類(lèi)第一次用來(lái)驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置可以顯示由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生科里奧利力的作用效應(yīng)，也就是傅科擺振動(dòng)平面繞鉛垂線發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，即傅科效應(yīng)。實(shí)際上這等同于觀察者觀察到地球在擺下的自轉(zhuǎn)。