六大重量級(jí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)

◆本刊綜合

說(shuō)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們都很熟悉吧？

人們每天都會(huì)開展各種各樣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，先提出一個(gè)假設(shè)，再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行分析，最終得出結(jié)論。這種“實(shí)驗(yàn)”可能只是用微波爐熱菜多熱了幾秒鐘，或者放學(xué)回家時(shí)負(fù)重走了一條不同的路，又或者是煮飯時(shí)往米中加入了一種不同尋常的食材。但無(wú)論實(shí)驗(yàn)難度如何，這種刨根問(wèn)底的探究精神是人類做出任何發(fā)現(xiàn)的根基，而且實(shí)驗(yàn)幫助我們加深了對(duì)現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的了解。

在浩如煙海的實(shí)驗(yàn)中，有幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，可以作為人類探索世界的絕佳代表。這些實(shí)驗(yàn)有些精巧，有些粗糙，有些還有僥幸成分，但每個(gè)實(shí)驗(yàn)都深刻改變了我們看待自身以及宇宙的方式。

埃拉托色尼測(cè)量地球周長(zhǎng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：人類記錄的首個(gè)地球周長(zhǎng)

時(shí) 間：公元前3世紀(jì)末

地球究竟有多大？埃拉托色尼的測(cè)量結(jié)果之精確，現(xiàn)在依然令人震驚。

埃拉托色尼是希臘一名涉獵廣泛的學(xué)者，喜歡他的人稱他為“五項(xiàng)全能選手”，而討厭他的人給他起了個(gè)綽號(hào)叫“β”，原因是他常常改變研究領(lǐng)域，在所涉獵的領(lǐng)域都屈居第二。

埃拉托色尼的博學(xué)多識(shí)為他贏得了埃及亞力山大里亞圖書館一級(jí)圖書員的職位。正是在那里，他開展了一項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)——測(cè)量地球周長(zhǎng)。

埃拉托色尼聽說(shuō)尼羅河流經(jīng)的賽伊尼城中有一口井，在夏至那天，正午的陽(yáng)光可以直射井底，不會(huì)在井邊投下一絲陰影，這一現(xiàn)象引起了他的極大興趣。于是在幾年后的同一日期的同一時(shí)間，他測(cè)量了亞歷山大里亞一根豎桿投下的陰影的長(zhǎng)度，據(jù)此算出陽(yáng)光與豎桿之間的角度為7.2°，即圓周角360°的1/50。埃拉托色尼知道地球是個(gè)球體，因此推測(cè)只要知道亞歷山大里亞與賽伊尼之間的距離，再乘以50，就能得到地球的周長(zhǎng)。得到需要的信息后，他算出地球的周長(zhǎng)為250 000希臘里（約等于45 866千米），與實(shí)際數(shù)值40 076千米相當(dāng)接近。

埃拉托色尼測(cè)量地球大小的動(dòng)機(jī)是出于對(duì)地理學(xué)的熱愛(ài)，而“地理學(xué)”這一名稱正是他創(chuàng)造的?，F(xiàn)代人又給他起了一個(gè)綽號(hào)——“地理學(xué)之父”。

羅伯特·派恩研究海星

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵物種對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的重要影響

時(shí) 間：最早在1966年發(fā)表的論文中提出

上個(gè)世紀(jì)60年代，生態(tài)學(xué)家達(dá)成了共識(shí)：生物聚居地的繁榮興盛主要通過(guò)生物多樣性實(shí)現(xiàn)，他們采用的研究方法一般是對(duì)大大小小的生物構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)進(jìn)行觀察。但羅伯特·派恩獨(dú)辟蹊徑，采用了另一種研究方法。

派恩很好奇對(duì)某種環(huán)境進(jìn)行人工干預(yù)后會(huì)發(fā)生什么事情，于是在美國(guó)華盛頓州海岸邊的潮池中開展了海星驅(qū)逐實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，驅(qū)除這一物種會(huì)破壞整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。失去了海星的制約，藤壺開始瘋狂生長(zhǎng)，為貽貝提供了豐富的食物，使貽貝數(shù)量迅速增加，導(dǎo)致帽貝和藻類植物的生存空間受到擠壓，最終整個(gè)食物網(wǎng)變得支離破碎，潮池變成了一個(gè)由貽貝主宰的“天下”。

由于海星是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的中流砥柱，派恩將其稱為“關(guān)鍵物種”，這里所說(shuō)的“關(guān)鍵”是一個(gè)相對(duì)概念，意味著給定生態(tài)系統(tǒng)中各種生物所做的貢獻(xiàn)比例并不完全相同。派恩的發(fā)現(xiàn)對(duì)生態(tài)保護(hù)產(chǎn)生了重大影響，改變了“為保護(hù)而保護(hù)”的狹隘做法，而是制定以整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的管理策略。

派恩于2016年逝世。在職業(yè)生涯后期，他開始探索人類作為“超級(jí)關(guān)鍵物種”造成的深遠(yuǎn)影響，如通過(guò)無(wú)限掠奪改變了全球生態(tài)系統(tǒng)等。

格雷戈·孟德爾發(fā)展遺傳學(xué)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)基因遺傳的基本規(guī)則

時(shí) 間：1855年—1863年

孩子的容貌總會(huì)與父母有幾分相似，這是為什么呢？一直到一個(gè)半世紀(jì)前，身體特征遺傳的奧秘才被揭開，這要?dú)w功于格雷戈·孟德爾。

孟德爾雖然身為農(nóng)民的兒子，沒(méi)有接受正規(guī)教育，但在自然科學(xué)方面頗具天賦。在一名教授的建議下，他在1843年加入奧古斯都修道院——一個(gè)注重研究與學(xué)習(xí)的修道士團(tuán)體。

在布爾諾的一家修道院安置下來(lái)后，生性害羞的孟德爾很快學(xué)會(huì)了在花園中打發(fā)時(shí)間。一種名為“倒掛金鐘”的植物引起了他的注意，這種植物造型極其優(yōu)雅，仿佛出自名家之手，受它啟發(fā)，孟德爾開展了一些著名實(shí)驗(yàn)。他嘗試給不同品種的倒掛金鐘交叉配種，試圖培育出新的顏色搭配。在這個(gè)過(guò)程中，他得到了一些重復(fù)結(jié)果，暗示遺傳有一定的規(guī)律可循。

在孟德爾培育豌豆的過(guò)程中，這些規(guī)律變得更加明了。孟德爾用畫筆給豌豆人工授粉，在長(zhǎng)達(dá)7年的時(shí)間里，用成千上萬(wàn)株具有特定性狀的植株進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，并詳細(xì)記錄了雜交結(jié)果。例如，如果讓黃豌豆和綠豌豆雜交，培育出的后代永遠(yuǎn)都是黃豌豆；但如果再讓這些黃豌豆培育出的植株進(jìn)行自交，收獲的種子則有1/4是綠豌豆。據(jù)此，孟德爾提出了“顯性”因子和“隱性”因子概念，而所謂“因子”正是我們?nèi)缃袼f(shuō)的基因。

由于孟德爾的研究過(guò)于超前，在當(dāng)時(shí)并未受到太多關(guān)注。但幾十年后，其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并復(fù)制孟德爾的實(shí)驗(yàn)，尊其為一項(xiàng)重大突破。

牛頓研究光學(xué)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：進(jìn)一步了解了色彩與光的本質(zhì)

時(shí) 間：1665年—1666年

在成為舉世聞名的科學(xué)家前，牛頓有過(guò)一段無(wú)所事事的時(shí)光。當(dāng)時(shí)他本在劍橋大學(xué)讀書，但為了躲避劍橋城內(nèi)爆發(fā)的一場(chǎng)瘟疫而回到家鄉(xiāng)。在那里的集市上，他買了一個(gè)小棱鏡，然后在家擺弄起來(lái)。

當(dāng)時(shí)，主流思想認(rèn)為光透過(guò)的介質(zhì)是什么顏色，光就會(huì)變成什么顏色，但牛頓不信服這個(gè)說(shuō)法，于是用棱鏡開展了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，顏色是光的自帶特性。這種革命性的觀點(diǎn)開創(chuàng)了名為“光學(xué)”的新領(lǐng)域，在現(xiàn)代科技中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

牛頓的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)十分精巧：他在一扇百葉窗上鉆一個(gè)小孔，讓一束陽(yáng)光從中通過(guò)，然后接連穿過(guò)兩個(gè)棱鏡。光透過(guò)第一個(gè)棱鏡后被分解成不同的顏色，他特意擋住其中一部分顏色的光，不讓它們透過(guò)第二個(gè)棱鏡。通過(guò)這個(gè)方法，他發(fā)現(xiàn)不同顏色的光穿過(guò)棱鏡時(shí)的反射角度或折射角度不同。接著，他從被第一個(gè)棱鏡分解的光線中挑選出一種顏色的光線，讓它單獨(dú)穿過(guò)第二個(gè)棱鏡，這束光從第二個(gè)棱鏡射出后，顏色并沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明棱鏡不會(huì)改變光線的顏色，介質(zhì)本身對(duì)光線顏色不會(huì)產(chǎn)生影響，顏色應(yīng)當(dāng)是光線本身具有的性質(zhì)。

由于這些實(shí)驗(yàn)是牛頓臨時(shí)起意、在家中完成的，再加上他在1672年發(fā)表的論文中對(duì)實(shí)驗(yàn)的描述不夠詳盡，其他科學(xué)家一開始沒(méi)能順利復(fù)制出他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。開展這些實(shí)驗(yàn)的技術(shù)難度很大，但一旦親眼見(jiàn)到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就很容易被其說(shuō)服。

伊萬(wàn)·巴甫洛夫研究條件反射

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)條件反射現(xiàn)象

時(shí) 間：19世紀(jì)90年代—20世紀(jì)初

俄國(guó)生理學(xué)家伊萬(wàn)·巴甫洛夫熱衷于以狗為研究對(duì)象開展實(shí)驗(yàn)。雖然他的科研成果似乎總與狗的唾液有關(guān)，但他對(duì)思維的巧妙運(yùn)用使其至今仍備受贊譽(yù)。

在實(shí)驗(yàn)中，巴甫洛夫和學(xué)生們將一根管子固定在雜種狗的嘴中，用來(lái)收集唾液，他們注意到到了喂食的時(shí)間，還沒(méi)等食物吃進(jìn)嘴里，這些狗就開始流口水了。就像其他身體機(jī)能一樣，當(dāng)時(shí)人們也將唾液的分泌視為一種反射，只有咀嚼食物時(shí)才會(huì)無(wú)意識(shí)地發(fā)生，但巴甫洛夫的狗卻學(xué)會(huì)了將實(shí)驗(yàn)人員的長(zhǎng)相與食物聯(lián)系在一起，這意味著它們的生理反應(yīng)會(huì)受到過(guò)往經(jīng)歷的影響。

在巴甫洛夫進(jìn)行這項(xiàng)研究前，反射一直被視作一種固定不變的現(xiàn)象。但這項(xiàng)研究表明，反射可以受個(gè)人經(jīng)歷的影響而發(fā)生改變。

接下來(lái)，巴甫洛夫和學(xué)生們還教狗將食物與一些中性刺激因素聯(lián)系在一起，如蜂鳴聲、節(jié)拍器、旋轉(zhuǎn)的物體、黑色方塊、哨聲、閃光以及電擊等。

這些發(fā)現(xiàn)奠定了經(jīng)典條件反射（又稱巴甫洛夫條件反射）理論的基礎(chǔ)。我們身上無(wú)時(shí)無(wú)刻不發(fā)生著巴甫洛夫條件反射，大腦會(huì)不斷地將我們經(jīng)歷過(guò)的事物聯(lián)系在一起，而切斷這些條件反射之間的聯(lián)系恰恰是目前治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙癥的主要策略。

威廉·哈維研究血液循環(huán)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)血液循環(huán)機(jī)制

時(shí) 間：理論發(fā)表于1628年

古希臘名醫(yī)兼哲學(xué)家蓋倫曾在公元2世紀(jì)提出了一套血液流動(dòng)的理論，盡管漏洞百出，但盛行了近1500年。這套理論包括：肝臟會(huì)利用我們吃下的食物不斷生成新鮮血液；血液通過(guò)兩條不同的路徑流遍全身，其中一條通過(guò)肺部吸收空氣中的“生命元精”；被組織吸收的血液永遠(yuǎn)不會(huì)流回心臟。

為了推翻這套理論，后人做了許多令人毛骨悚然的實(shí)驗(yàn)。

剛開始，詹姆士一世的皇家醫(yī)生威廉·哈維通過(guò)給羊、豬等動(dòng)物放血對(duì)蓋倫的血液理論進(jìn)行了苦心鉆研。但隨后他意識(shí)到，假如事實(shí)真如蓋倫所言，那么每小時(shí)流經(jīng)心臟的血量將超過(guò)動(dòng)物的總體積，這顯然是不可能的。

為了使這一點(diǎn)深入人心，哈維當(dāng)眾將活生生的動(dòng)物剖開，證明動(dòng)物體內(nèi)的血量其實(shí)很少。他還切開蛇的胸膛，讓心臟暴露在外，并用手指捏住蛇的主靜脈，讓血液無(wú)法進(jìn)入心臟，結(jié)果心臟迅速收縮、變得蒼白。將其刺破后，噴出的血液微乎其微。相反，如果阻斷主動(dòng)脈，心臟則會(huì)腫脹。通過(guò)研究爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物瀕死時(shí)心臟跳動(dòng)變慢這一現(xiàn)象，他領(lǐng)悟了心臟的收縮規(guī)律，并推斷出心臟會(huì)泵出血液，而血液在流經(jīng)全身后又會(huì)沿著一條回路流回心臟。

哈維還在志愿者身上做實(shí)驗(yàn)，如暫時(shí)阻斷四肢的血液進(jìn)出等，這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步完善了哈維革命性的血液循環(huán)理論。他在1628年出版的《心血運(yùn)動(dòng)論》一書中完整地闡述了自己的理論。此外，他采用的“以證據(jù)為基礎(chǔ)”的研究方法使醫(yī)學(xué)界發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。