32个改变世界的物理实验_游戏资讯

物理实验已经不可逆转地改变了世界，改变了我们的现实，使我们能够在技术上取得巨大的飞跃。从古代到现在，让我们来看看有史以来最伟大的一些物理实验。

有限公司能量守恒

能量守恒——即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·焦耳证明了这一定律，即热力学第一定律，他在一个大容器里装满了水，并在里面固定了一个桨轮。轮子由一个轴固定，轴上绕着一根绳子，然后绕在滑轮上，绑在一个重物上，当重物落下时，轮子就会旋转。焦耳用车轮使水晃动，证明了水从车轮运动中获得的热能等于重量下降所损失的势能。

电子电荷的测量

作为电荷的基本载体，电子携带的电量尽可能少。但这些粒子确实很小，质量比已经很小的质子还小1838倍。

那么你怎么测量这么小的物体上的电荷呢？物理学家罗伯特·密立根的答案是，将带电的油滴滴入电容器的板中，并调整电容器的电压，直到它发出的电场对一些油滴产生平衡重力的力，从而使它们悬浮在空中。在不同电压下重复实验表明，无论液滴的大小，它所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。

揭示原子结构的“金箔实验”

原子一度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，原子被慢慢地分裂和分裂。其中包括J.J.汤姆逊1897年发现的电子和詹姆斯查德威克1932年发现的中子。但也许这些实验中最著名的是汉斯·盖格和欧内斯特·马斯登的“金箔实验”。在欧内斯特·卢瑟福的指导下，学生们向一张薄薄的金箔发射带正电的α粒子。令他们惊讶的是，粒子通过了，这表明原子是由一个带正电的原子核组成的，原子核被它们的轨道电子隔开了一个很大的空白空间。

核链式反应

到20世纪中期，科学家们已经知道了原子的基本结构，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（Enrico Fermi）的战时工作奠定了基础，他在1942年证明了原子可以分裂，释放出巨大的能量。

费米在芝加哥大学工作时，用一个他称之为“原子堆”的实验装置演示了第一次可控的核裂变反应。费米向不稳定的同位素铀-235发射中子，使其分裂并在链式反应中释放出更多的中子。这个实验为核反应堆的发展铺平了道路，并被j·罗伯特·奥本海默和曼哈顿计划用来制造第一颗原子弹。

波粒二象性

物理学中最著名的实验之一也以令人不安的简单说明了量子世界的奇异性。该实验由两个狭缝组成，电子将通过这两个狭缝在屏幕上形成干涉图案，就像波浪一样。科学家们在屏幕附近放置了一个探测器，发现它的存在导致电子改变了它们的行为，而不是像粒子一样。

这个实验最初是由托马斯·杨（Thomas Young）进行的，目的是为了证明光的波动性质，后来在20世纪被物理学家用来证明，包括光子在内的所有粒子同时都是波和粒子——当它们被直接测量时，它们的行为更像粒子。

白光分裂成不同颜色的光

白光是彩虹所有颜色的混合，但在1672年之前，光的合成性质是完全未知的。艾萨克·牛顿（Isaac Newton）通过使用棱镜将不同波长或颜色的光以不同的幅度弯曲，将白光分解成复合颜色，从而确定了这一点。这一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。

重力的发现

据说，牛顿在一棵苹果树的树荫下沉思时，偶然发现了万有引力理论，这可能是科学界被重复得最多的一个故事。根据传说，当一个苹果掉下来砸在他的头上时，他应该大喊“我找到了！”因为他意识到把苹果滚到地球上的同一股力量也使月球绕着我们的星球运行，地球绕着太阳运行。当然，这种力就是我们所知的重力。

然而，这个故事略有修饰。根据牛顿自己的说法，苹果并没有砸在他的头上，在发现苹果的那一刻，他说了什么或是否说了什么也没有记录。尽管如此，这一认识还是促使牛顿在1687年提出了他的引力理论，并在228年后被爱因斯坦的广义相对论所更新。

黑体辐射

到20世纪之交，许多物理学家——拥有解释引力、力学、热力学和电磁场行为的先进理论——自信地认为他们已经征服了他们研究领域的绝大部分。但一个令人不安的疑问仍然存在：理论预测存在一个“黑体”——一个能够吸收并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，对黑体进行近似实验的数据显示，黑体发射的能量比经典理论让科学家们相信的要少得多，尤其是在较短的波长处。黑体是一个有一个洞的盒子，内壁是黑色的。实验和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，黑体发射的能量不是连续的，而是分裂成离散的整数块，称为量子。他激进的提议促进了量子力学的发展，量子力学的奇异规则对于生活在宏观世界中的观察者来说是完全不直观的。

爱因斯坦和日食

在1915年发表之后，爱因斯坦开创性的广义相对论一度只是一个理论。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惊人的证据。

爱因斯坦理论的关键是一个概念，即空间——以及光穿过空间的路径——会被强大的引力扭曲。所以，当月亮的阴影从太阳前面经过时，爱丁顿从几内亚湾普林西比岛上的有利位置记录下了附近星星的位置。通过将这些位置与他在夜间没有太阳时记录的位置进行比较，爱丁顿观察到它们在太阳引力的作用下发生了轻微的移动，从而完成了他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，物质的质量来自一个渗透到整个空间的场，通过粒子与一种被称为希格斯玻色子的粒子的相互作用，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，在经历了数万亿次两个质子以接近光速的速度碰撞之后，物理学家终于发现了玻色子的明显特征。

掂量世界

尽管18世纪物理学家亨利·卡文迪什最出名的可能是他发现了氢，但他最巧妙的实验准确地估计了我们整个星球的重量。卡文迪什用一种叫做扭力天平的特殊设备（两根杆子，两端分别系着一对较大和较小的铅球）测量了物体之间的微小引力。然后，通过测量其中一个小球的重量，他测量了它和地球之间的引力，给了他一个简单的公式来计算我们星球的密度，因此，它的重量，直到今天仍然是准确的。

有限公司质量守恒

就像能量一样，我们宇宙中的物质是有限的，不能被创造或毁灭，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·拉瓦锡把一根燃烧的蜡烛放在一个密封的玻璃罐里。蜡烛燃烧并融化成一滩蜡后，拉瓦锡称了称罐子和里面的东西，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，是因为作用在物体上的力越大，物体越重——这一说法在一千多年的时间里都没有受到质疑。

后来，意大利博学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）出现了，他证明两个质量不同的物体以完全相同的速度下落，从而纠正了亚里士多德的错误主张。有人声称伽利略的著名实验是通过从比萨斜塔上扔下两个球体来完成的，但也有人说这部分故事是杜撰的。尽管如此，阿波罗15号宇航员大卫·斯科特（David Scott）的实验也许是最著名的，他在月球上扔下了一根羽毛和一把锤子，结果表明，在没有空气的情况下，这两个物体以同样的速度下落。

重力探测部分波

如果引力像爱因斯坦预测的那样扭曲时空，那么两个密度极高的物体（如中子星或黑洞）的碰撞也应该在太空中产生可探测到的冲击波，从而揭示光看不见的物理现象。问题是这些引力波非常微小，通常只有质子或中子的千分之几大小，所以探测它们需要一个极其灵敏的实验。

LIGO，激光干涉引力波天文台。l型探测器有两个2.5英里长（4公里）的臂，包含两个相同的激光束。当引力波到达我们的宇宙海岸时，一条臂上的激光被压缩，另一条臂上的激光膨胀，提醒科学家引力波的存在。2015年，LIGO完成了它的任务，首次直接探测到引力波，为宇宙打开了一扇全新的窗口。

日心说的破坏

地球绕太阳公转的观点可以追溯到公元前5世纪希腊哲学家希希塔斯和菲洛劳斯。尽管如此，克劳狄乌斯·托勒密关于地球是宇宙中心的信念后来在科学思想中扎根并主导了一千多年。

然后是尼古拉斯·哥白尼，他提出地球确实围绕太阳旋转，而不是相反。后来伽利略提供了具体的证据，他在1610年通过望远镜观察到金星在不同的阶段运行，证明它也绕着太阳运行。伽利略的发现并没有为他赢得天主教会的任何朋友，因为他的非正统建议，天主教会以异端罪审判他。

傅科摆

1851年，法国物理学家让·伯纳德·拉萨姆·福柯首次使用了这个著名的钟摆，它由一个装有沙子的黄铜摆组成，用一根电缆从天花板上悬挂下来。当它来回摆动时，沙子划出的线的角度随着时间的推移而微妙地变化——这清楚地证明了某种未知的旋转导致了它的移动。这种自转是地球绕地轴自转。

电子的发现

在19世纪，物理学家发现，通过在玻璃管内制造真空，并通过真空输送电流，他们可以使玻璃管发出荧光。但究竟是什么导致了这种被称为阴极射线的效应，目前还不清楚。

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，电子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。

小行星偏转

2022年，美国宇航局的科学家们故意将1210磅（550公斤）、价值3.14亿美元的双小行星重定向测试（DART）航天器驶入距离其中心仅56英尺（17米）的小行星Dimorphos，击中了天文上的“靶心”。该试验旨在观察，如果有足够的提前时间，沿着计划轨道推进的小型航天器是否可以改变小行星对地球的潜在灾难性撞击的方向。

DART取得了巨大的成功。探测器最初的目标是改变Dimorphos围绕其更大的伙伴（2560英尺宽（780米）的小行星Didymos）的轨道至少73秒，但航天器实际上将Dimorphos的轨道改变了32分钟。美国宇航局称赞这次碰撞是地球防御的分水岭，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。

法拉第电磁感应

1831年，出生于英格兰南部农村的自学成才的铁匠之子迈克尔·法拉第提出了电磁感应定律。这一定律是法拉第进行的三个实验的结果，其中最著名的一个实验是在纸圆筒上缠绕一根金属丝，在线圈内形成一个磁铁的运动。当磁铁在圆筒内移动时，它通过线圈感应出电流——这证明了电场和磁场是密不可分的，并为发电机和其他设备铺平了道路。

光速的测量

光是宇宙中速度最快的东西，这使得测量它的速度成为一项独特的挑战。1676年，丹麦天文学家奥勒·罗默在研究木星最内侧的卫星木卫一时，偶然发现了光传播的第一个估计。罗默希望通过计算木星对木卫一的日食时间，找出木卫一的轨道周期。

相反，他注意到的是，随着地球轨道越来越靠近木星，连续日食之间的时间间隔变得越来越短。罗默的关键见解是，这是由于光速有限，这是他根据地球轨道粗略计算出来的。其他的方法后来改进了光速的测量，最终达到了现在的值2.98 × 10^8米每秒（大约每秒186,282英里）。

“发光的以太”的反证

大多数波，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律也适用于光，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（Albert Michelson）和爱德华·w·莫雷（Edward W. Morley）开始用一个非常巧妙的假设来证明这一猜想：当太阳在以太中运动时，它应该会取代一些奇怪的物质，这意味着光在以太风中运动时的速度应该比在以太风中运动时快得多。他们建立了一个干涉仪实验，用镜子将光束沿着两个相反的方向分裂，然后用远处的镜子将光束反射回来。如果光束在不同的时间返回，那么以太就是真实的。

但是干涉仪内部的光束没有变化。迈克尔逊和莫雷得出结论，他们的实验失败了，并转向其他项目。但是这个结果——最终否定了以太理论——后来被爱因斯坦用在他的狭义相对论中，正确地说明了光通过固定介质的速度不会改变，即使它的光源在移动。

放射性的发现

1897年，居里夫人和丈夫皮埃尔在一个改造过的小屋里工作时，开始研究钍和铀元素发出的一种奇怪的新型辐射的来源。居里夫人发现，这些元素发出的辐射不依赖于任何其他因素，比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沥青铀矿时，她还发现它由两种元素组成，她将其命名为镭和钋。

居里的工作揭示了放射性的本质，这是原子的一种真正随机的性质，来自于它们的内部结构。居里夫人因她的发现获得了诺贝尔奖（两次）——这使她成为第一位获得诺贝尔奖的女性——后来她训练医生使用x射线对骨折和枪伤进行成像。1934年，她死于再生障碍性贫血，这是一种由辐射引起的疾病。

宇宙膨胀

1929年，当埃德温·哈勃在加利福尼亚使用100英寸的胡克望远镜研究遥远星系发出的微光时，他做了一个惊人的观察：来自遥远星系的光似乎向光谱的红端移动——这表明它们正在远离地球和彼此。星系离得越远，它远离的速度就越快。

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，即哈勃常数，至今仍困扰着科学家们。

简而言之，宇宙确实在膨胀，但根据宇宙学家的观察方向，膨胀的速度不同。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。这两个天文台都使用了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”，它可能会揭示新的物理学，甚至取代宇宙学的标准模型。

核聚变点火

2022年，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）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：通过核聚变点燃燃料颗粒。

这次演示标志着从核反应堆炽热核心的等离子体中释放出来的能量第一次超过了激光发射的能量，并对核聚变科学家发出了号召：接近无限和清洁能源的遥远目标实际上是可以实现的。

然而，科学家们警告说，等离子体的能量只超过激光的能量，而不是整个反应堆的能量。此外，NIF反应堆使用的激光约束方法将难以扩大规模，该反应堆是为核弹开发而建造的，用于测试热核爆炸。

地球周长的测量

大约在公元前500年，大多数古希腊人相信世界是圆的——他们引用了亚里士多德提供的证据，并以毕达哥拉斯的建议为指导，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测量的方法。埃拉托色尼雇佣了一组测量师（专业测量师，他们通过等长的台阶（称为stadia）来测量距离）从Syene步行到亚历山大。他们发现两个城市之间的距离大约是5000个体育场馆。

埃拉托色尼随后参观了Syene的一口井，据说这口井有一个有趣的特性：在每年夏至的中午，太阳照射在井底，没有投下任何阴影。埃拉托色尼在夏至期间去了亚历山大港，在地上插了一根杆子，测量了它的影子，大约是一个完整圆圈的五十分之一。结合他对两个城市之间距离的测量，他确定地球的周长约为250,000体育场，或24,497英里（39,424公里）。现在已知地球在赤道周围的距离为24,901英里（40074公里），这使得古希腊人的测量非常精确。

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言。1915年，卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）对爱因斯坦场方程的解预言，质量有可能被压缩到一个如此小的半径，以至于它会坍缩成一个引力奇点，连光都无法逃脱——黑洞。

直到1971年，史瓦西的解决方案一直是猜测，当时保罗·默丁和路易斯·韦伯斯特使用美国宇航局的Uhuru x射线探测卫星在天鹅座发现了一个明亮的x射线源，他们正确地认为这是一个黑洞。

更确凿的证据出现在2015年，当时LIGO实验检测到两个碰撞的宇宙怪物发出的引力波。然后，在2019年，事件视界望远镜捕捉到了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（Wilhelm Conrad）在测试阴极射线产生的辐射是否能穿过玻璃时发现，阴极射线不仅能穿过玻璃，而且还能穿过非常厚的物体，在物体后面的铅屏上留下阴影。他很快意识到这些射线（后来被称为x射线）在骨骼和器官成像方面的医学潜力。他的观察结果催生了放射学领域，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）提出了一个测试，以证明量子纠缠是量子理论所必需的。量子纠缠是两个相距遥远的粒子之间的奇怪的瞬时连接，爱因斯坦反对这种连接为“幽灵般的超距作用”。

自从贝尔第一次提出这个测试以来，这个测试已经采取了许多实验形式，但结果仍然是一样的：尽管我们的直觉告诉我们，在宇宙的一个部分发生的事情可以立即影响在另一个区域发生的事情，只要每个区域的物体都纠缠在一起。

夸克的探测

1968年，斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）的实验发现，电子和它们的轻子兄弟——介子，以一种独特的方式从质子中散射出去，这种方式只能用质子是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（Murray Gell-Mann）的预测相吻合，他根据詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的《芬尼根守灵夜》（Finnegans Wake）中的一句话将它们命名为“夸克”。