那些神一樣的物理實驗

關爾東

十大最美物理實驗

2002年，美國兩位學者在全美物理學家中做了一份調查，請他們提名有史以來最美的十大物理實驗。最終的調查結果刊登在了當年9月份的美國《物理世界》雜志上。這十大物理實驗大部分都在我們課本中出現過，如伽利略的比薩斜塔實驗（排名第二）和斜面實驗（排名第八）、牛頓用三棱鏡分解太陽光的實驗（排名第四）、卡文迪許用扭矩測量萬有引力常數的實驗（排名第六）、托馬斯·楊的雙縫干涉實驗（排名第五）、羅伯特·密立根測量電子電荷量的油滴實驗（排名第三）、盧瑟福的阿爾法粒子散射實驗（排名第九）等。

為什么是它們？

十大最美物理實驗中，年代最遠的是公元前3世紀的埃拉托色尼利用太陽光測量地球圓周的實驗（排名第七），年代最近的是1961年前后，根據托馬斯·楊的雙縫干涉實驗原理做的電子干涉實驗（排名第一）。而2002年的諾貝爾物理學獎獲得者是因為他們在天體物理學領域做出的先驅性貢獻，特別是在“探測宇宙中微子”和“發現宇宙X射線源”方面的成就。對比之下，你一定很疑惑，為什么在物理學已經迅猛發展的21世紀，反而是這十個看似很初級的實驗獲得了物理學家們的推崇？

物理學家們給出了他們的理由：這些實驗都緊緊抓住了物理學家眼中最美麗的“科學之魂”——用最簡單的儀器設備，發現了最根本、最單純的科學概念，解除人們長久的困惑，開辟了人們對自然界的嶄新認識。比如，一個簡單的雙縫干涉實驗就能證明光具有波動性，而不僅僅是牛頓認為的光是一種微粒。把光的雙縫干涉實驗原理遷移到電子干涉中，同樣也證明了電子具有波動性，完全顛覆了人們認為電子僅僅是一種粒子的傳統觀念。

看到這，請你翻開你的課本，像物理學家一樣欣賞那些曾被我們視為尋常的經典實驗吧！相信我，物理不僅僅是那些題目，它既極致簡單又深邃寬厚。了解越深，你就會越為它而著迷。

神廟里的神設計

上述實驗在課本中大多有較為詳細的介紹，而排名第十的傅科擺實驗在人教版高中物理課本中，僅僅是以插圖的形式出現在選修3-4第14頁。如果就這樣與傅科擺實驗擦肩而過，你真的是錯過了科學史中極為酷炫的一幕！

豪奢實驗室：巴黎萬神殿

巴黎萬神殿，也稱為巴黎先賢祠，為法國國王路易十五所建，1790年竣工，現為法國歷代名人的長眠之地。

走進萬神殿的地下室，首先看到的兩座墓分別屬于偉大的哲學家伏爾泰和盧梭。居里夫婦、雨果、布萊葉、左拉、大仲馬等人的墓也在地下室里。大多數墳墓都非常簡樸，只是狹小石室內的一具石棺。雖然到處是棺木，但氣氛并不陰森，漫步其間，甚至能感受到先賢們偉大的靈魂。

萬神殿的地上建筑平面呈希臘十字形，長100m，寬84m，高83m。設計非常大膽，柱細墻薄，加上上部巨大的采光窗和雕飾精美的柱頭，室內空間顯得非常輕快優雅。或許正因為如此，這里被科學家傅科選為他的實驗室。

簡單原理：當單擺擺動時，在沒有外力的作用下，擺球將保持固定的擺動方向。如果地球在轉動，那么單擺下方的地面旋轉，而懸在空中的擺球具有保持原來擺動方向的慣性，對于地面觀察者來說，擺球的擺動方向將會相對于地面發生變化。

霸氣器材：超大型單擺——擺長為67m的單擺，擺錘為直徑30cm、重28kg的鐵球，鐵球下面帶有鐵筆，下面放一個直徑6m的沙盤。（擺球運動方向的改變是細微的，因此需要足夠長的擺長，才能觀察到足夠明顯的實驗效果。沙盤可記錄擺球的擺動方向）

眼見為實：1851年，傅科進行了著名的傅科擺實驗。他將上述單擺懸掛在巴黎萬神殿圓屋頂的中央，使它可以在任何方向自由擺動。當人們親眼看到單擺每振動一次（周期為16.5s），擺尖在沙盤邊沿畫出的路線移動約3mm，每小時偏轉11°20′（31小時47分回到原處）時，許多人目瞪口呆，有人甚至在久久凝視后說：“確實覺得自己腳底下的地球在轉動！”

酷炫結果：傅科擺實驗是地球自轉的最好證明。傅科也由此被當時的法國政府授予榮譽騎士五級勛章。

傅科的實驗還在全世界引發了一股追風熱潮。各地的人們紛紛效仿傅科，用長長的鐘擺來揭示地球的自轉。人們發現，在地球的兩極，傅科擺的擺動平面24小時轉一圈；而在赤道上，傅科擺沒有方向旋轉的現象；在兩極與赤道之間的區域，傅科擺方向的旋轉速度介于兩者之間。

至今，巴黎萬神殿正中央依然保留著160多年前傅科擺實驗所用的沙盤和標尺。不僅僅是在巴黎，在世界各地你都可以看到傅科擺的身影，例如，你可以在北京天文館看到一個傅科擺的復制品。

實在是太震撼了，還是做一道高考題來壓壓驚吧！

高考題中的最美實驗

（2013·全國新課標卷Ⅰ）如圖是伽利略1604年做斜面實驗時的一頁手稿照片，照片左上角的三列數據如下表。表中第二列是時間，第三列是物體沿斜面運動的距離，第一列是伽利略在分析實驗數據時添加的。根據表中的數據，伽利略可以得出的結論是（ ）

1 1 32

4 2 130

9 3 298

16 4 526

25 5 824

36 6 1192

49 7 1600

64 8 2104

A.物體具有慣性

B.斜面傾角一定時，加速度與質量無關

C.物體運動的距離與時間的平方成正比

D.物體運動的加速度與重力加速度成正比

解析：從表格中的數據可知，時間變為原來的2倍，下滑的距離大約變為原來的4倍；時間變為原來的3倍，距離變為原來的9倍，可知物體運動的距離與時間的平方成正比。

答案：C

偉大的拉瓦錫

拉瓦錫（1743年8月26日至1794年5月8日），法國貴族，著名化學家、生物學家，被后世尊稱為“近代化學之父”。

拉瓦錫出身于富有的貴族家庭。在按家族傳統攻讀到律師文憑之后，他選擇走上了科學研究的道路。

他使化學從定性轉為定量，給出了氧與氫的命名，并且預測了硅的存在。

他提出了“元素”的定義，于1789年發表的第一個現代化學元素列表，就是根據他的定義列出的。不過這個跟大家背的那個門捷列夫元素周期表不一樣。這個表里只有33種元素，其中包括光與熱和一些當時被認為是元素的化合物。

他提出規范的化學命名法，撰寫了第一部真正現代化學教科書《化學基本論述》。

他倡導和改進定量分析方法，并用其驗證了質量守恒定律。

他創立氧化說以解釋燃燒等實驗現象，指出動物的呼吸實質上是緩慢氧化。

……

這些工作，特別是他所提出的新觀念、新理論、新思想，為近代化學的發展奠定了重要的基礎。拉瓦錫之于化學，猶如牛頓之于物理學。

軍功章的一半屬于她

以上是為我們所熟知的化學家拉瓦錫，同樣為我們所熟知的是化學教科書上的這張插圖：

可是……拉瓦錫老師你在記錄實驗數據對不對？在研究空氣的成分對不對？？做實驗要專注對不對？？？這個眼神怎么如此的不走心？！那個方向有啥比空氣成分更重要的東西嗎？！

你別說還真有。讓我們來看看原圖長啥樣：

這就情有可原了。美麗的老婆大人在身邊倚著，who還care什么空氣成分？

這張肖像畫是大名鼎鼎的畫家雅克·路易·大衛創作于1788年，現收藏于大都會美術館。我們對比一下化學教科書的配圖就會發現，書上的配圖不僅把拉瓦錫夫人裁掉了，還無情地涂黑了夫人的玉手。這樣真的好嗎？

要知道，拉瓦錫夫人是拉瓦錫最為得力的助手。她是優秀的文獻翻譯，把資料從英文翻譯成法文，其中包括約瑟夫·普利斯特里和亨利·卡文迪什的著作，拉瓦錫的研究離不開她翻譯的文獻，推翻燃素學說也是得益于她的工作。除此之外，夫人還保存著拉瓦錫的實驗記錄，在她去世之前，幾乎能夠還原出拉瓦錫全部的實驗筆記和儀器。軍功章有拉瓦錫的一半也有夫人的一半，教科書你隨便把人家涂掉真的好嗎？！

悲劇就是把美好的東西毀滅給人看

法國大革命爆發后，由于他人的陷害，1794年5月8日拉瓦錫被定罪，并在當天與其他27個稅務官一起被推上斷頭臺。

著名的法籍意大利數學家拉格朗日曾痛心地說：“他們可以一瞬間把他的頭割下，而他那樣的頭腦一百年也許長不出一個來。”

拉瓦錫夫人雖然免于一死，但是新政府沒收了她的全部財產，這還不算，所有的實驗手記和設備也被通通收走。拉瓦錫夫人經歷了這樣一場劫難，幾乎一無所有。但即使這樣，她依舊克服了諸多磨難，堅持出版了拉瓦錫的回憶錄。回憶錄里記錄著拉瓦錫和他的同事們十分寶貴的研究成果：液體的形成、有關熱量的研究、水的組成，等等。是她的不懈努力，讓自己愛人在化學領域那些偉大的研究成果在科學史上大放異彩。

彩蛋在此！

雖然拉瓦錫夫婦沒能同年同月同日生，也沒能同年同月同日死。

雖然化學教科書壓根就沒讓拉瓦錫夫人露面，但是——