改变世界的32个物理实验

从重力的发现到首次保卫地球免受小行星侵害的任务，以下是改变世界的最重要的物理实验。

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物理实验已经不可逆转地改变了世界，改变了我们的现实，并使我们能够在技术上取得巨大飞跃。从远古至今，以下是一些有史以来最伟大的物理实验。

节约能源

能量守恒定律——能量不能被创造或毁灭，只能被转化——是最重要的物理定律之一。詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）证明了这条规则，即热力学第一定律，他在一个大容器中装满了水，并在其中固定了一个桨轮。轮子由一根绳子固定在适当的位置，然后绕在滑轮上并连接到一个重物，当重物掉落时，会导致轮子旋转。通过用轮子晃动水，焦耳证明了水从轮子运动中获得的热能等于落下重量所损失的势能。

电子电荷的测量

作为电荷的基本载体，电子携带尽可能少的电量。但这些粒子确实很小，质量比已经很小的质子小 1,838 倍。

那么如何测量这么小的东西的电荷呢？物理学家罗伯特·密立根的答案是，将带电的油滴滴过电容器的极板，并调整电容器的电压，直到电容器发出的电场对一些油滴产生平衡重力的力，从而将它们悬浮在空气中。对不同电压重复实验表明，无论液滴大小如何，其携带的总电荷都是基数的倍数。密立根发现了电子的基本电荷。

 “金箔实验”揭示原子结构

原子曾经被认为是不可分割的，但在 19 世纪末和 20 世纪初的一系列实验中，原子慢慢被分裂和分裂。其中包括 J.J.汤姆森 (Thomson) 1897 年发现电子，詹姆斯·查德威克 (James Chadwick) 1932 年识别中子。但这些实验中最著名的也许是汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登的“金箔实验”。在欧内斯特·卢瑟福的指导下，学生们向一张薄金箔发射带正电的阿尔法粒子。令他们惊讶的是，这些粒子穿过了，揭示了原子由带正电的原子核组成，原子核被绕轨道运行的电子隔开一个很大的空白空间。

核链式反应

到 20 世纪中叶，科学家们已经了解了原子的基本结构，并且根据爱因斯坦的说法，物质和能量是同一事物的不同形式。这为恩里科·费米的战时工作奠定了基础，他于 1942 年证明了原子可以分裂以释放大量能量。

在芝加哥大学研究他称之为“原子堆”的实验装置时，费米展示了有史以来第一个受控核裂变反应。费米向不稳定同位素铀 235 发射中子，导致其分裂并在不断增长的链式反应中释放出更多中子。该实验为核反应堆的发展铺平了道路，并被J.使用。罗伯特·奥本海默和曼哈顿计划制造了第一颗原子弹。

波粒二象性

物理学中最著名的实验之一也是以令人不安的简单性说明了量子世界的奇异性的实验。该实验由两个狭缝组成，电子穿过狭缝，在屏幕上产生干涉图案，就像波一样。当科学家们在屏幕附近放置一个探测器时，他们惊讶地发现探测器的存在导致电子改变其行为，转而充当粒子。

该实验最初由托马斯·杨（Thomas Young）进行，旨在证明光的波动性，后来被 20 世纪的物理学家用来证明所有粒子，包括光子，同时既是波又是粒子——当直接测量它们时，它们的行为更像粒子。

将白光分解成多种颜色

白光是彩虹中所有颜色的混合体，但在 1672 年之前，人们完全不知道光的复合性质。艾萨克·牛顿通过使用棱镜来确定这一点，该棱镜将不同波长或颜色的光弯曲不同的量，将白光分解为其复合颜色。结果是科学史上最著名的实验之一，这一发现与牛顿的其他贡献一起催生了现代光学领域。

万有引力的发现

这也许是整个科学界最广泛流传的故事，据说牛顿在苹果树荫下沉思时偶然发现了万有引力理论。据传说，当一个苹果掉下来砸到他的头上时，他大喊“尤里卡！”他意识到，使苹果翻滚到地球的同一力也使月球保持在绕地球运行的轨道上，并使地球绕着太阳运行。当然，这种力将被称为重力。

然而，这个故事略有修饰。根据牛顿自己的说法，苹果并没有击中他的头部，并且没有记录表明他在发现时说了些什么，或者是否说过任何话。尽管如此，这一认识促使牛顿于 1687 年发展了他的引力理论，228 年后爱因斯坦的广义相对论对该理论进行了更新。

黑体辐射

到了 20 世纪之交，许多物理学家拥有解释重力、力学、热力学和电磁场行为的先进理论，他们相信自己已经征服了自己领域的绝大多数。但一个令人不安的疑问仍然存在：理论预测存在“黑体”——一种能够吸收然后释放所有入射辐射的物体。问题是物理学家找不到它。

事实上，使用近似黑体（一个内壁为黑色的单孔盒子）进行的实验数据显示，黑体发出的能量比科学家们相信的经典理论要少得多，尤其是在较短的波长下。实验与理论之间的矛盾被称为“紫外线灾难”。

这一发现促使马克斯·普朗克提出黑体发出的能量不是连续的，而是分成离散的整数块，称为量子。他的激进提议促进了量子力学的发展，其奇异的规则对于生活在宏观世界的观察者来说是完全不直观的。

爱因斯坦和日食

爱因斯坦的开创性广义相对论于 1915 年发表后，短暂地停留在理论阶段。然后，在 1919 年，天文学家阿瑟·爱丁顿爵士利用当年的日全食设计并完成了令人惊叹的证明。

爱因斯坦理论的关键是这样一个概念：空间——以及光穿过空间的路径——被强大的引力扭曲。因此，当月亮的影子从太阳前面经过时，爱丁顿从几内亚湾普林西比岛上的有利位置记录了附近恒星的位置。通过将这些位置与他在天空中没有太阳的夜晚记录的位置进行比较，爱丁顿观察到它们因太阳引力而发生了轻微的移动，从而完成了对爱因斯坦理论的惊人证明。

希格斯玻色子

1964 年，彼得·希格斯 (Peter Higgs) 提出，物质从遍布整个空间的场中获得质量，通过粒子与希格斯玻色子的相互作用赋予粒子质量。

为了寻找玻色子，数千名粒子物理学家计划、建造并启动了大型强子对撞机。 2012 年，经过数万亿次碰撞（两个质子以接近光速的速度碰撞在一起），物理学家终于发现玻色子的明显特征。

称量世界

尽管 18 世纪物理学家亨利·卡文迪什 (Henry Cavendish) 最出名的可能是发现了氢，但他最巧妙的实验准确地估计了整个地球的重量。卡文迪什使用一种称为扭力天平的特殊设备（两根杆，一端附有一对较小和较大的铅球），测量了质量之间的微小引力。然后，通过测量其中一个小球的重量，他测量了它与地球之间的引力，从而为他提供了一个简单的公式来计算我们星球的密度以及它的重量，该公式至今仍然准确。

质量守恒

就像能量一样，我们宇宙中的物质是有限的，不能被创造或摧毁，只能重新排列。 1789 年，为了得出这个惊人的结论，法国化学家安托万·拉瓦锡 (Antoine Lavoisier) 将一根燃烧的蜡烛放入密封的玻璃罐中。蜡烛燃烧并融化成一滩蜡后，拉瓦锡称量了罐子及其内容物，发现它没有变化

比萨斜塔实验

希腊哲学家亚里士多德认为，物体下落的速度不同，因为物体越重，作用在物体上的力就越大——这一说法在一千多年以来一直没有受到质疑。

然后是意大利博学者伽利略·伽利莱，他通过证明两个具有不同质量的物体以完全相同的速度下落来纠正亚里士多德的错误主张。一些人声称伽利略著名的实验是通过从比萨斜塔上扔下两个球体来进行的，但另一些人则说故事的这一部分是杜撰的。尽管如此，该实验最著名的演示可能是阿波罗 15 号宇航员大卫·斯科特 (David Scott)，他在向月球扔一根羽毛和一把锤子时表明，在没有空气的情况下，这两个物体以相同的速度下落。

引力波探测

如果引力像爱因斯坦预测的那样扭曲时空，那么两个极其致密的物体（例如中子星或黑洞）的碰撞也会在太空中产生可检测到的冲击波，从而揭示光看不见的物理现象。问题是这些引力波很小，通常只有质子或中子的千分之几大小，因此探测它们需要极其灵敏的实验。

输入 LIGO，激光干涉仪引力波天文台。 L 形探测器有两个 2.5 英里长（4 公里）的臂，其中包含两束相同的激光束。当引力波掠过我们的宇宙海岸时，一只手臂中的激光被压缩，另一只手臂中的激光膨胀，提醒科学家注意引力波的存在。 2015年，LIGO完成了它的任务，首次直接探测到引力波，打开了一扇全新的宇宙之窗。

日心说的毁灭

地球绕太阳运行的想法可以追溯到公元前五世纪。希腊哲学家希塞塔斯和菲洛劳斯。尽管如此，克劳迪斯·托勒密关于地球是宇宙中心的信念后来扎根并主导了科学思想一千多年。

然后尼古拉斯·哥白尼提出地球实际上绕着太阳转，而不是相反。伽利略后来提供了这方面的具体证据，他在 1610 年通过望远镜观察到金星经历了不同的阶段，证明它也绕太阳运行。伽利略的发现并没有为他赢得天主教会的任何朋友，天主教会因其非正统的提议而以异端罪名审判他。

傅科摆

这个著名的钟摆由法国物理学家让·伯纳德·莱昂·福柯 (Jean Bernard Léon Foucault) 于 1851 年首次使用，它由一个装有沙子的黄铜摆锤组成，并通过一根电缆悬挂在天花板上。当它来回摆动时，沙子划出的线的角度随着时间的推移而发生微妙的变化——清楚的证据表明，某种未知的旋转导致它移动。这种自转就是地球绕其轴的自转。

电子的发现

十九世纪，物理学家发现，通过在玻璃管内创造真空并通过它输送电流，他们可以使玻璃管发出荧光。但究竟是什么导致了这种称为阴极射线的效应，目前尚不清楚。

然后，在 1897 年，物理学家 J.J.汤姆森发现，通过对管内的射线施加磁场，他可以控制它们的传播方向。这一发现向汤姆森表明，管内的电荷来自比氢原子小 1000 倍的微小粒子。微小的电子终于被发现了。

小行星的偏转

2022 年，NASA 科学家有意驾驶重 1,210 磅（550 公斤）、耗资 3.14 亿美元的双小行星重定向测试 (DART) 航天器进入距离其中心仅 56 英尺（17 米）的小行星 Dimorphos，击中了天文“靶心”。该测试的目的是看看如果有足够的准备时间，沿着计划轨道推进的小型航天器是否可以改变小行星与地球潜在灾难性撞击的方向。

DART 取得了巨大成功。该探测器的最初目标是将 Dimorphos 围绕其较大伙伴——宽 2,560 英尺（780 m）的小行星 Didymos 的轨道改变至少 73 秒，但该航天器实际上将 Dimorphos 的轨道改变了惊人的 32 分钟。美国宇航局称赞这次碰撞是行星防御的分水岭，标志着人类第一次证明有能力在没有布鲁斯·威利斯任何帮助的情况下转移世界末日的方向。

法拉第感应

1831 年，出生于英格兰南部乡村的铁匠自学成才的儿子迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 提出了电磁感应定律。该定律是法拉第三个实验的结果，其中最著名的是通过将电线缠绕在纸筒上而制成的线圈内磁铁的运动。当磁铁在圆筒内移动时，它会通过线圈感应出电流——证明电场和磁场是密不可分的，并为发电机和设备铺平了道路。

光速的测量

光是宇宙中最快的物体，这使得测量其速度成为一个独特的挑战。 1676 年，丹麦天文学家奥勒·罗默 (Ole Roemer) 在研究木星最里面的卫星木卫一 (Io) 时偶然对光的传播进行了首次估计。罗默希望通过木星对木卫一食的计时来找到木卫一的轨道周期。

相反，他注意到，随着地球轨道靠近木星，连续日食之间的时间间隔变得更短。罗默的重要见解是，这是由于光速有限，他根据地球轨道粗略计算出光速。后来其他方法改进了光速的测量，最终得出当前的光速值 2.98 × 10^8 米每秒（约 186,282 英里每秒）。

反驳“发光以太”

大多数波，例如声波和水波，都需要介质才能传播。在 19 世纪，物理学家认为同样的规则也适用于光，电磁波通过一种被称为“发光以太”的无处不在的介质传播。

阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·W·莫利着手用一个非常巧妙的假设来证明这个猜想：当太阳穿过以太时，它应该取代一些奇怪的物质，这意味着当光随着以太风移动时，它的传播速度应该比太阳风移动时的速度快得多。反对它。他们建立了一个干涉仪实验，使用镜子将光束沿两个相反的方向分开，然后用远处的镜子将光束反射回来。如果光束返回的时间不同，那么以太就是真实的。

但干涉仪内的光束没有变化。迈克尔逊和莫利得出结论，他们的实验失败了，并转向其他项目。但这个结果最终反驳了以太理论，后来被爱因斯坦在他的狭义相对论中使用，正确地指出光通过固定介质的速度不会改变，即使它的来源在移动。

放射性的发现

1897 年，玛丽·居里与丈夫皮埃尔在一间改建的棚屋里工作时，开始研究钍和铀元素发出的一种奇怪的新型辐射源。居里夫人发现，这些元素发出的辐射并不取决于任何其他因素，例如它们的温度或分子结构，而是纯粹根据它们的数量而变化。在研磨一种放射性更强的物质（称为沥青铀矿）时，她还发现它由两种元素组成，她称之为镭和钋。

居里的工作揭示了放射性的本质，这是原子来自其内部结构的真正随机特性。居里夫人因其发现而两次获得诺贝尔奖，这使她成为第一位获得此殊荣的女性，后来还培训医生使用 X 射线对骨折和枪伤进行成像。 1934 年，她死于再生障碍性恶性贫血，这是一种由辐射暴露引起的疾病。

宇宙的膨胀

1929 年，埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 在使用加州 100 英寸胡克望远镜研究遥远星系闪烁的光线时，做出了令人惊讶的观察：来自遥远星系的光线似乎向光谱的红端移动，这表明它们正在远离地球和彼此。星系距离越远，它移动的速度就越快。

哈勃的观测成为宇宙大爆炸理论的重要证据。然而，对星系衰退的精确测量（称为哈勃常数）至今仍然让科学家们感到困惑。

简而言之，宇宙确实在膨胀，但根据宇宙学家的观察角度，宇宙的膨胀速度不同。过去，测量膨胀率最好的两个实验是欧洲航天局的普朗克卫星和哈勃太空望远镜。两个天文台使用不同的方法来测量膨胀率，得出了不同的结果。这些相互矛盾的测量结果导致了一些人所说的“宇宙学危机”，它可能揭示新的物理学，甚至取代宇宙学的标准模型。

核聚变的点火

2022 年，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置 (NIF) 的科学家们使用世界上最强大的激光实现了物理学家近一个世纪以来的梦想：通过核点燃燃料颗粒融合。

这次演示标志着核反应堆炽热核心中的等离子体发出的能量首次超过了激光射入的能量，并且向聚变科学家们发出了号召：近乎无限的清洁能源的遥远目标正在实现。 ，事实上是可以实现的。

然而，科学家警告来自等离子体的能量仅超过来自激光的能量，而不是来自整个反应堆的能量。此外，NIF反应堆使用的激光约束方法是为测试炸弹开发的热核爆炸而建造的，将难以扩大规模。

地球周长的测量

大约公元前 500 年，大多数古希腊人相信世界是圆的——引用亚里士多德提供的证据，并遵循毕达哥拉斯的建议，毕达哥拉斯认为球体是我们星球上最美观的形状。

然后，大约在公元前245年，昔兰尼的埃拉托色尼想到了一种直接进行测量的方法。埃拉托斯特尼雇佣了一组贝马特主义者（专业测量员，通过步行称为“斯塔迪亚”的等长步来测量距离）从塞涅步行到亚历山大。他们发现两个城市之间的距离大约为 5,000 斯塔迪亚。

随后，埃拉托色尼参观了塞涅的一口井，据报道，这口井有一个有趣的特性：每年夏至中午，阳光照亮了井底，没有投下任何阴影。埃拉托斯特尼在夏至期间前往亚历山大，将一根杆子插在地上，测量杆子的影子大约是一个完整圆的五十分之一。将其与他对两个城市之间距离的测量相结合，他确定地球的周长约为 250,000 斯塔迪亚，即 24,497 英里（39,424 公里）。现在已知地球绕赤道的周长为 24,901 英里（40,074 公里），这使得古希腊人的测量结果非常准确。

黑洞的发现

对爱因斯坦广义相对论的接受导致了一些关于我们的宇宙和现实本质的惊人预测。 1915 年，卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 对爱因斯坦场方程的解预测，质量有可能被压缩到如此小的半径，以至于它会塌缩成一个连光都无法逃脱的引力奇点——黑洞。

史瓦西的解决方案一直只是猜测，直到 1971 年，保罗·默丁和路易丝·韦伯斯特使用 NASA 的 Uhuru X 射线探测器卫星识别出天鹅座中的一个明亮的 X 射线源，他们正确地认为该源是一个黑洞。

更确凿的证据出现在 2015 年，当时 LIGO 实验检测到了两个碰撞的宇宙怪物发出的引力波。然后，在 2019 年，事件视界望远镜拍摄到了 M87 星系中心超大质量黑洞周围过热物质吸积盘的第一张图像。

X射线的发现

1895 年，德国物理学家威廉·康拉德·伦琴 (Wilhelm Conrad Röntgen) 在测试阴极射线产生的辐射是否可以穿过玻璃时发现，辐射不仅可以这样做，而且还可以穿过非常厚的物体，在后面的铅屏上留下阴影。他们。他很快意识到这些射线（后来称为 X 射线）在骨骼和器官成像方面的医学潜力。他的观察催生了放射学领域，使医生能够安全、无创地扫描肿瘤、骨折和器官衰竭。

贝尔测试

1964 年，物理学家约翰·斯图尔特·贝尔 (John Stewart Bell) 提出了一项测试，以证明量子纠缠（两个相距较远的粒子之间奇怪的瞬时连接，爱因斯坦反对这种纠缠为“幽灵般的远距离作用”）是量子所必需的。理论。

自贝尔首次提出以来，该测试已经采取了多种实验形式，但结果仍然相同：不管我们的直觉告诉我们什么，宇宙的一个部分发生的事情可以立即影响另一个部分发生的事情，前提是每个区域中的物体是纠缠。

夸克的探测

1968 年，斯坦福直线加速器中心的实验发现，电子和它们的轻子表亲 μ 子以一种独特的方式从质子中散射出来，这种方式只能用质子由更小的成分组成来解释。这些发现与物理学家默里·盖尔曼的预测相符，后者根据詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根守灵夜》中的一句台词将它们称为“夸克”。

阿基米德从浴缸里赤裸跃出

首次记录于公元前一世纪由罗马建筑师维特鲁威设计，阿基米德发现浮力是科学界最著名的故事之一。阿基米德的发现源自锡拉丘兹国王希伦，他怀疑铁匠为他制作的纯金王冠实际上含有银。为了得到答案，希伦寻求阿基米德的帮助。

这个问题难倒了阿基米德，但不久之后，正如故事所说，他在一个浴缸里装满了水，发现当他进去的时候水就溢出来了。这让他意识到，他身体排出的水等于他身体排出的水。重量——而且由于金子比银子重，他找到了判断王冠真伪的方法。 “尤里卡！” （“我找到了！”）据说阿基米德哭着从浴缸里跳出来，向国王宣布他的发现。

最深、最详细的宇宙照片

2022 年，詹姆斯·韦伯太空望远镜揭开了有史以来拍摄的最深、最详细的宇宙图片。这张照片被称为“韦伯的第一深场”，它捕捉到了我们的宇宙只有几亿年历史时出现的光线，当时星系开始形成，第一批恒星发出的光线开始闪烁。

该图像包含极其密集的星系集合，其发出的光在到达我们的途中因星系团的引力而扭曲。这个过程被称为引力透镜，使较微弱的光线聚焦。尽管视野中的星系数量令人眼花缭乱，但这张图像只代表了天空的一小部分——用一臂远的手指尖上的一粒沙子挡住了天空的斑点。

OSIRIS-REx 小行星采样任务

2023 年，美国宇航局 (NASA) 的OSIRIS-REx 航天器在经过数年的旅程后，穿过地球大气层飞回本努 (Bennu)，这是一颗“潜在危险的小行星”，其质量分数为 2,700 分之一。灾难性地撞击地球的可能性是所有已识别的太空物体中最高的可能性。

该任务的目标是看看地球上生命的组成部分是否来自外太空。 OSIRIS-REx 围绕这颗小行星飞行了 22 个月，寻找着陆点，着陆后从小行星贝努表面收集了 2 盎司（60 克）的样本，其中可能含有我们星球上生命的外星前身。科学家们已经发现了许多令人惊讶的细节，这些细节有可能改写太阳系的历史。