那些伟大的物理学实验(下) | 线上科学日

光的速度非常之快，以至于在历史上很长一段时间里，人们都认为光的传播不需要时间。现在，我们知道了光在真空中的传播速度是299,792,458 m/s，但是在几百年前，人们对时间的测量还只能精确到几秒甚至只有几分钟的年代，科学家是如何测量光速的呢？

在19世纪中叶，法国物理学家阿曼德·霍普利特·路易斯·费索（Armand Hippolyte Louis Fizeau）想出了一种在地球上就能测量光速的方法，使得人们对光速的测量不再依赖天文观测（有兴趣的小伙伴可以查一查怎么利用天文观测手段测量光速）。

实验装置如上图所示。1处发射的一束光线经过2处的平面镜反射射向3处旋转的齿轮边缘，通过齿轮边缘的孔射向4处的平面镜后反射回来再次经过齿轮边缘，最后进入6处的人眼从而被观察到。需要注意的是，3和4间的距离比较长，约有8.5公里。显然，齿轮不是以任意转速旋转都能使光线顺利通过的，只有在转速达到一定数值的时候，光线才能两次都从锯齿的缝隙中穿过，人眼才能观察到光线。现在聪明的你能不能告诉我，这样的实验需要测量哪些量就能计算出光速呢？欢迎在评论区给我们留言哦~

密立根油滴实验是美国芝加哥大学物理学家罗伯特·安德鲁·密立根及其学生哈维·福莱柴尔（Harvey Fletcher）在1909年所进行的一项物理学实验，这一实验成功测量出了元电荷的电量，使罗伯特·密立根获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

电子的电量很小，而且获得单个电子也很不容易，所以一直以来测量电子的电量始终都是困扰物理学家的一个难题。密立根油滴实验通过研究电场中的带电油滴的下落，测定了电子的电量，从而给出了元电荷的数值。

密立根通过油滴实验，精确地测定元电荷e的过程，是一个不断发现问题并解决问题的过程。为了实现精确测量，他创造了实验所必须的环境条件，例如油滴室的气压和温度的测量和控制。开始他是用水滴作为电量的载体的，由于水滴的蒸发，不能得到满意的结果，后来改用了挥发性小的油滴。最初，由实验数据通过公式计算出的e值随油滴的减小而增大，面对这一情况，密立根经过分析后认为导致这个谬误的原因在于，实验中选用的油滴很小，对它来说，空气已不能看作连续媒质，斯托克斯定律已不适用，因此他通过分析和实验对斯托克斯定律作了修正，得到了合理的结果。

当然，必须要指出的是，密立根在进行油滴实验的过程中，涉嫌学术不端的行为。一方面，他挑选了140次实验中数据“较好”的58次进行公布，舍弃了剩下的82组数据，违背了客观真实的原则；另一方面，他的学生哈维·福莱作为实验的重要参与者，并没有获得论文的署名权，也与诺贝尔奖失之交臂。这两点使得密立根本人至今仍饱受非议。然而，回归实验的本身，这个测定元电荷电量的实验足以堪称伟大。油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思，以及用比较简单的仪器，测得比较精确而稳定的结果等都是非常富有启发性的。

古希腊人认为构成物质的基本单元是“原子”，原子不可再分。然而，在19世纪末到20世纪初，科学家们逐渐弄清楚了原子的内部结构。我们所说的“分裂原子”实验不是某个单一的实验，而是指在那个时期为原子内部结构的发现做出了重要贡献的一系列实验：汤姆孙发现电子、索迪和卢瑟福的元素“蜕变”实验、卢瑟福发现质子、查德威克发现中子等。在这之中，最著名的就是1909年卢瑟福的α粒子散射实验。

卢瑟福和他的两名学生汉斯·盖格和欧内斯特·马斯登用带正电的α粒子轰击金箔，如预期的那样，大多数的粒子直射过金箔，运动轨迹没有发生变化，但是却有极少数的粒子（约1/8000）的轨迹出现了大角度的弯曲，甚至来了个180度的大转弯。因此，卢瑟福提出了著名的原子结构行星模型：原子的大部分体积是空的，电子按照一定轨道围绕着一个带正电荷的很小的原子核运转。这也为后来玻尔的量子化轨道模型理论和现代的电子云模型打下了重要的基础。

1939年初，据李泽·梅特纳、奥特·哈尔姆和弗里茨·斯特拉斯曼报导，中子被吸收后有时会引起铀原子裂变。这项报导发表后，和其他几位主要的物理学家一样，费米立即认识到一个裂变的铀原子可以释放出足够的中子来引起一项链式反应，而且还和另外几位物理学家一样，费米马上就预见到这样的链式反应可用于军事目的潜在性。1939年3月，费米与美国海军界接触，希望引起他们对发展原子武器的兴趣。但是直到几个月后，阿尔伯特·爱因斯坦就此课题给罗斯福总统写了一封信以后，美国政府才对原子能给予重视。

美国政府一有了兴趣，建立一个模式原子反应堆就成了科学家的首要任务，以探明自保持的链式反应是否确实可行。由于费米是世界上主要的中子权威，且集理论与实验天才于一身，所以被选为世界第一台核反应堆攻关小组组长。他最初在哥伦比亚大学工作，随后又到芝加哥大学工作，并从此一直担任芝加哥大学教授和之后美国政府第一个国家实验室阿贡国家实验室主任。1942年12月2日，在芝加哥大学，费米指导下设计和制造出来的人类第一台可控核反应堆首次运转成功，命名为“芝加哥一号堆”(Chicago Pile-1)。这是原子时代的真正开端，因为这是人类第一次成功地进行了一次链式核反应。

1953年2月，沃森（Watson）、克里克（Crick）看到了富兰克林（Rosalind Franklin）在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片，一下激发了他们的灵感。他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构，而且分析得出了螺旋参数：磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架，方向相反；碱基在螺旋内侧，两两对应。一连几天，沃森、克里克在他们的办公室里兴高采烈地用铁皮和铁丝搭建着模型。1953年2月28日，第一个DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生。

DNA双螺旋结构的提出自开始便开启了分子生物学时代，使遗传研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们能清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。沃森和克里克两位科学家也因此获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。不幸的是，富兰克林于1958年因癌症而去世，年仅37岁，并没有机会分享诺贝尔奖的殊荣。

十个实验完全不能概括物理学发展历史中所有的关键节点，每个人心中对“伟大”的定义也不尽相同，选出来这几个伟大的实验仅仅是作者的“一家之言”。

这两期科学日专栏的目的，不是为了将实验排个高下，而是为了引导大家，特别是正在学习中学物理的同学们，在重视理论学习的同时，不要忽视物理实验的重要性，理解并认同物理实验在物理学乃至人类历史发展中的所起到的至关重要的作用，从而对物理学科有一个更加全面、深入和立体的认识。