世界著名的10大實驗

亞當·鮑勃

每天，人們都要進行各種各樣的科學實驗，提出“如果”假設，再設計實驗，看看會有什么結論。這樣的實驗也許只是我們在回家的路上走了一條稍微不同的路，或者在用微波爐時多加熱幾秒鐘，或者可能是嘗試尋找一個基因的另一種變體。不管實驗難度如何，這種奮斗、質疑的探索精神都是人類發(fā)現(xiàn)的根源。實驗幫助我們更深入地了解現(xiàn)實的本質，這種探索的過程就是我們所說的“科學”。

這些精選出來的科學實驗，有幾項經(jīng)受住了時間的考驗，充分展示了人類的探索精神和智慧。無論是精巧的、還是粗糙的、帶著一點意外的發(fā)現(xiàn)，這些獨特的發(fā)現(xiàn)都深刻改變了我們對自己甚至對宇宙的看法。

以下這10項重要實驗可以說是有史以來最頂尖的科學實驗。其中九項都取得了輝煌的成功，剩下的一項則是雖敗猶榮。

埃拉托色尼：測量世界

實驗結果：首次測量地球的周長

時間：公元前3世紀末

我們的世界到底有多大？在眾多來自古代文化的答案中，埃拉托色尼計算出的一個驚人的精確值，在兩千多年后依然令人為之震驚。公元前276年左右埃拉托色尼出生于昔蘭尼（位于今天的利比亞海岸的一處希臘殖民地），后來他成為一個“貪婪”的學者，這一特點為他帶來了很多批評者和崇拜者。討厭他的人根據(jù)希臘字母表中的第二個字母給他起了個綽號“貝塔”。普吉特灣大學物理學教授詹姆斯·埃文斯解釋原因：“埃拉托色尼頻繁地從一個研究領域轉到另一個領域，以至于與他同時代的人認為他在每個領域都只能排第二?！边€有人因埃拉托色尼的多才多藝給他起了個綽號“五項全能”。

思維上的敏捷使這位學者獲得了一份在埃及亞歷山大市著名圖書館當館長的工作，就是在那里他進行了著名的實驗。他聽說在尼羅河流經(jīng)的賽伊尼城中有一口井，在夏至日那天，正午的陽光可以直射井底，不會在井邊投下一絲陰影。這一現(xiàn)象引發(fā)了埃拉托色尼的極大興趣。于是在同一日期的同一時間，他測量了亞歷山大里亞一根豎桿投下的陰影的長度，據(jù)此算出陽光與豎桿之間的角度為7.2°，即圓周角360°的五十分之一。

埃拉托色尼知道地球是球形的，大多數(shù)受過教育的希臘人也是這樣認為的。埃拉托色尼認為，如果知道亞歷山大里亞和賽伊尼這兩座城市之間的距離，再把這個數(shù)字乘以50，就能測量地球的曲率，從而得到地球的周長。根據(jù)得到的信息，埃拉托色尼推斷出地球的周長為250000希臘里，約為28500英里，與24900英里的正確數(shù)字十分接近。

埃拉托色尼想要確定地球的大小的動機是他對地理的熱愛，正是他創(chuàng)造了“地理學”這一名詞。所以現(xiàn)代人又給他起了另一個綽號：“地理學之父”。

威廉·哈維：研究血液循環(huán)

實驗結果：發(fā)現(xiàn)了血液循環(huán)機制

時間：理論發(fā)表于1628年

古希臘名醫(yī)兼哲學家蓋倫曾在公元2世紀提出過一套血液流動的理論，盡管漏洞百出，但盛行了近1500年。這套理論包括：肝臟會利用我們吃下的食物不斷生成新的血液；血液以兩種不同的方式流經(jīng)全身，其中一種是通過肺部吸收空氣中的“生命之魂”；組織吸收的血液永遠不會回到心臟。推翻所有這些教條需要一系列的實驗。

而為了推翻這套有教科書地位的理論，后人做了一系列重要的實驗。

威廉·哈維1578年出生于英格蘭的一個貴族家庭，后來成為國王詹姆斯一世的御醫(yī)，這為他提供了足夠的時間和途徑來追求他最大的興趣：解剖學。剛開始，他通過給羊、豬等動物放血，對蓋倫的血液理論進行了苦心鉆研。但他隨后意識到，假如事實真如蓋倫所言，那么每小時流經(jīng)心臟的血量將超過動物的總體積，而這顯然是不可能的。

為了說明這一點，哈維在公共場所切開了活生生的動物，證明動物體內(nèi)微弱的血液供應。他還通過用手指捏住一條裸露心臟的蛇的一條主靜脈，讓血液無法進入心臟。結果心臟迅速萎縮、變得蒼白；將其刺穿時，流出的血很少。相反，如果阻斷主動脈，心臟則會隨之脹大。這表明靜脈里的血確實是心臟血液的來源，而動脈則是心臟向外供血的通道。通過研究爬行動物和哺乳動物瀕臨死亡時慢速心跳這一現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)了心臟的收縮規(guī)律，并推斷出心臟以循環(huán)的方式向身體輸送血液。

據(jù)倫敦大學歷史和科學哲學教授安德魯·格雷戈里說：“這不是一個簡單的推論。假如只觀察在胸腔中正常跳動的心臟，就很難弄清楚到底發(fā)生了什么?！?/p>

哈維還在志愿者身上進行了實驗，如暫時阻斷血液進出四肢等。這些實驗進一步完善了他的革命性的血液循環(huán)理論。他在1628年出版的《心血運動論》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”的研究方法也在醫(yī)學界引起了巨大轉變。威廉·哈維被公認為現(xiàn)代醫(yī)學和生理學之父。

格雷格·孟德爾：發(fā)展遺傳學

實驗結果：發(fā)現(xiàn)了基因遺傳的基本規(guī)律

時間：1855～1863年

孩子的容貌在不同程度上總會與父母相似，這是為什么呢？一直到一個半世紀之前，由于格雷格·孟德爾的努力，身體特征遺傳的奧秘才被逐漸揭開。孟德爾1822年出生于現(xiàn)在的捷克共和國，盡管他出生于農(nóng)業(yè)家庭，沒有錢供他接受正規(guī)教育，但他在自然科學方面頗具天賦。在一位教授的建議下，他于1843年加入了奧古斯丁修道院，這是一個注重研究和學習的修道士團體。

在布爾諾的一座修道院安頓下來之后，內(nèi)向的他很快學會了在花園里消磨時間。一種名為“倒掛金鐘”的植物引起了他的注意，因為這種植物造型極其優(yōu)雅，仿佛出自名家之手。在印第安納大學布魯明頓分校研究生物學歷史的桑德·格列波夫說：“也許正是受到這種植物的啟發(fā)，孟德爾才開展了后續(xù)那些著名實驗。他一直在嘗試雜交不同的倒掛金鐘品種，試圖培植出新的顏色或顏色組合。在這一過程中，他得到了一些可重復的結果，這表明遺傳規(guī)律在起作用?！?p>

隨后他培育豌豆，這些規(guī)律變得清晰起來。孟德爾用畫筆將花粉從一株植物涂抹到另一株（相當于給豌豆人工授粉），在大約七年的時間里，他將數(shù)千種具有某些特征的植物進行雜交配對并詳細地記錄結果。例如，如果黃豌豆和綠豌豆雜交，總是產(chǎn)生一種黃色豌豆。然而，再讓這些黃豌豆培育出的植株進行自交后產(chǎn)生的后代中，有四分之一的豌豆為綠色。這樣的比例讓孟德爾提出了“顯性”因子（該例中黃色為顯性性狀）和“隱性”因子的概念，而所謂“因子”正是我們?nèi)缃袼f的基因。

由于他的研究過于超前，在當時很少受到關注。但幾十年后，其他科學家發(fā)現(xiàn)并復制了孟德爾的實驗，他們開始視其為一個重大突破。

孟德爾實驗的高明之處在于，先提出一些簡單的假設，然后各個擊破，而不是試圖一舉解開遺傳這個復雜的大謎團。

艾薩克·牛頓：發(fā)展光學

實驗結果：進一步了解了色彩與光的性質

時間：1665 ～1666年

在成為那個舉世聞名的艾薩克·牛頓（杰出的科學家，運動定律、微積分和萬有引力定律的發(fā)明者）之前，平凡的牛頓曾有過一段十分空閑、無所事事的時光。當時他本在劍橋大學就讀，但為了躲避在他的大學城劍橋爆發(fā)的毀滅性瘟疫，牛頓躲在英國鄉(xiāng)下他兒時的家中。他在當?shù)氐囊粋€集市上買到一個棱鏡，用劍橋克萊爾學院研究員帕特里夏·法拉的話來說，那是“孩子們的玩具”。

陽光穿過棱鏡后，射出來的光會形成一道彩虹、或者說一道光譜。在牛頓的時代，主流思想認為，光通過的媒介是什么顏色，光就會呈現(xiàn)什么顏色，就像陽光穿過彩色玻璃一樣。但牛頓本人并不信服這個說法。于是他開展了一系列棱鏡實驗，結果證明，顏色是光本身固有的屬性。這一革命性的觀點開創(chuàng)了“光學”的新領域，奠定了現(xiàn)代科學技術的基礎。

牛頓巧妙地設計了一項精巧的實驗：他在窗板上開一個洞，讓一束陽光通過兩個棱鏡。光透過第一塊棱鏡后，被分解成了不同的顏色。牛頓特意擋住其中的一部分顏色，不讓它們到達第二塊棱鏡。他通過這一方法發(fā)現(xiàn)，不同的顏色通過棱鏡折射或彎曲的方式是不同的。然后，他從被第一塊棱鏡分解的光線中挑出一種顏色，讓這種顏色單獨通過第二個棱鏡；而這束光從第二塊棱鏡射出后，顏色并沒有發(fā)生變化，證明棱鏡對光線的顏色沒有影響，介質本身對光線顏色不會產(chǎn)生影響。相反，顏色應當是光線本身具有的某種性質。

由于牛頓的實驗是特別設置、在家完成的，加上他在1672年發(fā)表的一篇開創(chuàng)性的論文中的描述不夠完整、詳盡，他同時代的其他人最初很難復制出他的實驗結果。法拉說：“這是一個在技術上非常困難的實驗。但一旦你親眼看過了，就會覺得非常有說服力?！?/p>

在成名的過程中，牛頓確實表現(xiàn)出了實驗的天賦，偶爾還會深入研究“自我主體”。有一次，他盯著太陽看得太久，眼睛都快瞎了。還有一次，他在眼皮下插了一根又長又粗的針，壓在眼球的后部，以判斷它對視力的影響。盡管牛頓在他的職業(yè)生涯中有很多失誤——對神秘學的涉獵，對圣經(jīng)命理學的涉獵——但他的巨大成就保證了他長久的名望。

邁克爾遜與莫雷：試圖觀測以太

實驗結果：研究了光的運動方式

時間：1887年

當你大喊一聲“嘿”，聲波就會通過媒介（空氣）到達聽眾的耳朵。海浪聲也有自己的傳播介質（海水）。然而，光波卻是一個特例。就算在真空中，所有的介質如空氣和水都被抽走了，光仍然以某種方式傳播。怎么會這樣呢？

根據(jù)19世紀末主流的《物理學》雜志，光通過一種看不見的、無處不在的隱形媒介傳播，這種介質被稱為“發(fā)光以太”。在俄亥俄州的凱斯西儲大學，阿爾伯特·邁克爾遜和其同事愛德華·莫利一起設計了一套實驗，希望能證實這種以太的存在。這項實驗雖然沒能成功，卻成為了史上最著名的失敗實驗之一。

兩位科學家的假設是這樣的：當?shù)厍蚶@著太陽運動時，它不斷地在以太中穿行，產(chǎn)生“以太風”。當光束的路徑和風的方向相同時，光的移動速度應該比逆風航行的速度快一點。

要衡量這種十分微弱的效應很難，但邁克爾遜對實驗進行了精心設計后做到了。在19世紀80年代早期，他發(fā)明了一種干涉儀，一種把不同的光源聚集在一起、形成干涉圖樣的儀器，就像池塘里的漣漪混合在一起一樣。在邁克爾遜的干涉儀中，一束光先是通過一面單面鏡，然后光一分為二，朝相互垂直的方向分別向前傳播。經(jīng)過一段距離后，它們會被鏡子反射回一個中心會合點。由于在它們的傳播過程中某種不均等的位移（比如說受到以太風影響），導致兩束光在不同的時間到達中心點，它們會產(chǎn)生一種獨特的干涉條紋。

研究人員將精密的干涉儀安裝在一塊堅固的砂巖板上，幾乎無摩擦地漂浮在水銀槽中，并將整套裝置放在校園里一棟建筑的地下室中，進一步與外界隔絕，免受震動。邁克爾遜和莫雷慢慢地旋轉砂巖平板，能看到在以太影響下產(chǎn)生的光線干涉條紋。

結果一無所獲。光速并未發(fā)生任何變化。

然而，兩位研究者都沒有完全意識到此次“一無所獲”的重要性，而是將其歸咎于實驗誤差，因此轉而投向其它項目了。（結果是這樣的：1907年，邁克爾遜因為這項以光學儀器為基礎的研究，成為第一位獲得諾貝爾獎的美國人。）邁克爾遜和莫雷在以太理論上一腳踢破的這個漏洞雖屬無意，卻啟發(fā)他人開展了一系列研究、提出了更多相關理論。最終，愛因斯坦在1905年提出了突破性的狹義相對論，創(chuàng)造了光傳播的新方式。

瑪麗·居里：做出重要工作

實驗結果：定義了放射性

時間：1898年

在歷史記載的重要科學實驗中，很少有女性出現(xiàn)，這反映出她們在歷史上曾被排除在這一學科之外。但瑪麗·斯克洛多斯卡打破了這條鐵律。

她1867年出生于波蘭華沙，希望有機會進一步學習數(shù)學和物理，24歲時，移民到巴黎。在那里，她遇到了物理學家皮埃爾·居里，并嫁給了他。皮埃爾·居里是她的學術伙伴，在他的幫助下，瑪麗·居里的革命性創(chuàng)意才在這個男性主導的領域站穩(wěn)了腳跟?！叭绻麤]有皮埃爾，瑪麗將永遠不會被科學界所接納。”俄克拉荷馬大學科學史榮譽教授瑪麗蓮·b·奧格爾維說，“盡管如此，那些指導未來放射性本質調(diào)查的基本假設都是她提出的。”

居里夫婦大多數(shù)時間都在皮埃爾工作的大學校園里一間改建過的房子里一起工作。1897年，為了完成自己的博士論文，瑪麗開始研究一年前發(fā)現(xiàn)的一種與X射線有些相似的新型放射現(xiàn)象。利用皮埃爾和他的兄弟發(fā)明的一種名叫靜電計的儀器，瑪麗對釷和鈾發(fā)射的神秘射線進行了觀測。結果發(fā)現(xiàn)，不管這些元素的礦物組成是黃色的晶體還是黑色的粉末，鈾的輻射率完全取決于其中所含的放射性元素的含量。

根據(jù)這一觀察，瑪麗推斷物質釋放輻射與物質的分子排列無關。相反，“放射性”（瑪麗創(chuàng)造的一個術語）是單個原子本身的固有性質，由原子內(nèi)部結構中放射出來。在此之前，科學家們一直認為原子是基本的、不可分割的整體。但瑪麗成功打開了一扇理解物質的大門，讓人們得以從更基礎的亞原子層面認識物質。

1903年，居里夫人成為第一個獲得諾貝爾獎的女性，并于1911年再次獲獎（因為她后來發(fā)現(xiàn)了鐳元素和釙元素），成為了極少數(shù)獲得兩次諾貝爾獎的科學家之一。

有人評論道，無論是在生活還是工作方面，對于有志于從事科學事業(yè)的年輕女性而言，瑪麗·居里都是一名出色的榜樣。

伊萬·巴甫洛夫：研究條件反射

實驗結果：發(fā)現(xiàn)了條件反射現(xiàn)象

時間：19世紀90年代～20世紀初

1904年，俄羅斯生理學家伊凡·巴甫洛夫憑借對狗的研究獲得了諾貝爾獎，他研究了狗的唾液和胃液是如何消化食物的。雖然他的科研成果似乎總與狗的口水聯(lián)系在一起，但他對思維的巧妙運用使其至今仍備受贊譽。

測量胃液的分泌可不是件容易的工作。巴甫洛夫和他的學生收集狗的消化器官產(chǎn)生的液體，是用一根管子懸掛在一些狗的嘴里收集唾液。經(jīng)驗豐富的研究者開始注意到，喂食的時候，還沒等食物吃到嘴里，這些狗就會流口水。就像其他許多身體功能一樣，唾液的分泌被認為是一種反射，只有咀嚼食物時才會無意識地發(fā)生。但是巴甫洛夫的狗卻已經(jīng)學會了把實驗者的出現(xiàn)和食物聯(lián)系起來，這意味著狗的經(jīng)驗已經(jīng)影響了它們的身體的生理反應。

“在巴甫洛夫的研究之前，反射被認為是固定不變的，”不列顛哥倫比亞大學心理學教授、巴甫洛夫學會會長凱瑟琳·蘭金說，“但他的研究顯示，反射可以受個人經(jīng)歷的影響發(fā)生改變?！?p>

隨后，巴甫洛夫和他的團隊教狗把食物和各種各樣的中性刺激因素聯(lián)系起來，如蜂鳴聲、節(jié)拍器、旋轉的物體、哨聲、閃光和電擊等。

這些發(fā)現(xiàn)構成了經(jīng)典條件反射概念的基礎。后來這一概念基本上延伸到任何有關刺激的研究，即使不涉及反射性反應。巴甫洛夫條件反射無時無刻不在我們身上發(fā)生著，我們的大腦總是把我們經(jīng)歷的事情聯(lián)系在一起。事實上，切斷這些條件反射之間的聯(lián)系恰恰是目前治療創(chuàng)傷后應激障礙癥的主要策略。

羅伯特·米利根：測量電荷

實驗結果：精確測定了單個電子所帶的電荷

時間：1909年

從大多數(shù)方面來看，羅伯特·米利根干得不錯。1868年，他出生在伊利諾斯州的一個小鎮(zhèn)上，后來在奧柏林學院和哥倫比亞大學獲得了學位。他曾與德國和歐洲的杰出學者一起學習物理學。后來他在芝加哥大學物理系任教，甚至還編寫了幾本非常成功的教科書。

但是他的同事們做得更多。19世紀與20世紀之交是物理學發(fā)展的繁榮時期：在僅僅10年的時間里，世界被相繼引入了量子物理學、狹義相對論和電子——原子具有可分割部分的第一個證據(jù)之中。到了1908年，米利根發(fā)現(xiàn)自己已年近四十，卻沒有一項重大發(fā)現(xiàn)。

不過，電子為他提供了一次機會。研究人員一直想要弄清這個粒子是否代表一個基本的電荷單位，并且在所有情況下始終保持不變。這個問題的答案是進一步發(fā)展粒子物理學的關鍵基礎。米利根想著反正也沒什么損失，不妨放手一搏。

在芝加哥大學的實驗室里，米利根開始研究一種叫做“云霧室”的容器，里面裝著濃厚的水蒸氣，并在研究過程中不斷改變其中的電場強度。水滴在重力下降之前，會先在帶電原子和分子周圍形成液滴云。通過調(diào)整電場的強度，它可以減慢甚至停止單個液滴的下落，相當于用電與引力相對抗。只要確定液滴取得平衡時的電場強度，并假設液滴在該強度上能始終保持平衡，就可以推算出液滴所帶的電荷量了。