六大重量級科學實驗

說到科學實驗，同學們都很熟悉吧？

人們每天都會開展各種各樣的科學實驗，先提出一個假設，再設計實驗方案，然后進行實驗操作，觀察實驗現(xiàn)象并進行分析，最終得出結論。

這種“實驗”可能只是用微波爐熱菜多熱了幾秒鐘，或者放學回家時負重走了一條不同的路，又或者是煮飯時往米中加入了一種不同尋常的食材。但無論實驗難度如何，這種刨根問底的探究精神是人類做出任何發(fā)現(xiàn)的根基，而且實驗幫助我們加深了對現(xiàn)實本質的了解。

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

埃拉托色尼測量地球周長

實驗結果：人類記錄的首個地球周長

時 間：公元前3 世紀末

地球究竟有多大？埃拉托色尼的測量結果之精確，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者，喜歡他的人稱他為“五項全能選手”，而討厭他的人給他起了個綽號叫“β”，原因是他常常改變研究領域，在所涉獵的領域都屈居第二。

埃拉托色尼的博學多識為他贏得了埃及亞力山大里亞圖書館一級圖書員的職位。正是在那里，他開展了一項著名的實驗——測量地球周長。

埃拉托色尼聽說尼羅河流經(jīng)的賽實驗結果：人類記錄的首個地球周長時 間：公元前3 世紀末說到科學實驗，同學們都很熟悉吧？

人們每天都會開展各種各樣的科學實驗，先提出一個假設，再設計實驗方案，然后進行實驗操作，觀察實驗現(xiàn)象并進行分析，最終得出結論。

這種“實驗”可能只是用微波爐熱菜多熱了幾秒鐘，或者放學回家時負重走了一條不同的路，又或者是煮飯時往米中加入了一種不同尋常的食材。但無論實驗難度如何，這種刨根問底的探究精神是人類做出任何發(fā)現(xiàn)的根基，而且實驗幫助我們加深了對現(xiàn)實本質的了解。

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

埃拉托色尼測量地球周長4科學大爆炸伊尼城中有一口井，在夏至那天，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)象引起了他的極大興趣。于是在幾年后的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1/50。埃拉托色尼知道地球是個球體，因此推測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。得到需要的信息后，他算出地球的周長為250 000 希臘里（約等于45 866 千米），與實際數(shù)值40 076 千米相當接近。

埃拉托色尼測量地球大小的動機是出于對地理學的熱愛，而“地理學”這一名稱正是他創(chuàng)造的。現(xiàn)代人又給他起了一個綽號——“地理學之父”。

羅伯特·派恩研究海星

實驗結果：發(fā)現(xiàn)關鍵物種對生態(tài)系統(tǒng)的重要影響

時 間：最早在1966 年發(fā)表的論文中提出

上個世紀60 年代， 生態(tài)學家達成了共識：生物聚居地的繁榮興盛主要通過生物多樣性實現(xiàn)，他們采用的研究方法一般是對大大小小的生物構成的生態(tài)網(wǎng)進行觀察。但羅伯特·派恩獨辟蹊徑，采用了另一種研究方法。

派恩很好奇對某種環(huán)境進行人工干預后會發(fā)生什么事情，于是在美國華盛頓州海岸邊的潮池中開展了海星驅逐實驗，結果發(fā)現(xiàn)，驅除這一物種會破壞整個生態(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，為貽貝提供了豐富的食物，使貽貝數(shù)量迅速增加，導致帽貝和藻類植物的生存空間受到擠壓，最終整個食物網(wǎng)變得支離破碎，潮池變成了一個由貽貝主宰的“天下”。

由于海星是整個生態(tài)系統(tǒng)的中流砥柱，派恩將其稱為“關鍵物種”，這里所說的“關鍵”是一個相對概念，意味著給定生態(tài)系統(tǒng)中各種生物所做的貢獻比例并不完全相同。

派恩的發(fā)現(xiàn)對生態(tài)保護產(chǎn)生了重大影響，改變了“為保護而保護”的狹隘做法，而是制定以整個生態(tài)系統(tǒng)為基礎的管理策略。

派恩于2016 年逝世。在職業(yè)生涯后期，他開始探索人類作為“超級關鍵物種”造成的深遠影響，如通過無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

實驗結果：發(fā)現(xiàn)基因遺傳的基本規(guī)則

時 間：1855 年—1863 年

孩子的容貌總會與父母有幾分相似，這是為什么呢？一直到一個半世紀前，身體特征遺傳的奧秘才被揭開，這要歸功于格雷戈·孟德爾。

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

在布爾諾的一家修道院安置下來后，生性害羞的孟德爾很快學會了在花園中打發(fā)時間。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驗。

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。在這個過程中，他得到了一些重復結果，暗示遺傳有一定的規(guī)律可循。

在孟德爾培育豌豆的過程中，這些規(guī)律變得更加明了。孟德爾用畫筆給豌豆人工授粉，在長達7 年的時間里，用成千上萬株具有特定性狀的植株進行雜交實驗，并詳細記錄了雜交結果。例如，如果讓黃豌豆和綠豌豆雜交，培育出的后代永遠都是黃豌豆;但如果再讓這些黃豌豆培育出的植株進行自交，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的基因。

由于孟德爾的研究過于超前，在當時并未受到太多關注。但幾十年后，其他科學家發(fā)現(xiàn)并復制孟德爾的實驗，尊其為一項重大突破。

牛頓研究光學

實驗結果：進一步了解了色彩與光的本質

時 間：1665 年—1666 年

在成為舉世聞名的科學家前，牛頓有過一段無所事事的時光。當時他本在劍橋大學讀書，但為了躲避劍橋城內(nèi)爆發(fā)的一場瘟疫而回到家鄉(xiāng)。在那里的集市上，他買了一個小棱鏡，然后在家擺弄起來。

當時，主流思想認為光透過的介質是什么顏色，光就會變成什么顏色，但牛頓不信服這個說法，于是用棱鏡開展了一系列實驗，結果證明，顏色是光的自帶特性。這種革命性的觀點開創(chuàng)了名為“光學”的新領域，在現(xiàn)代科技中發(fā)揮至關重要的作用。

牛頓的實驗設計十分精巧：他在一扇百葉窗上鉆一個小孔，讓一束陽光從中通過，然后接連穿過兩個棱鏡。

光透過第一個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，不讓它們透過第二個棱鏡。通過這個方法，他發(fā)現(xiàn)不同顏色的光穿過棱鏡時的反射角度或折射角度不同。

接著，他從被第一個棱鏡分解的光線中挑選出一種顏色的光線，讓它單獨穿過第二個棱鏡，這束光從第二個棱鏡射出后，顏色并沒有發(fā)生變化，說明棱鏡不會改變光線的顏色，介質本身對光線顏色不會產(chǎn)生影響，顏色應當是光線本身具有的性質。

由于這些實驗是牛頓臨時起意、在家中完成的，再加上他在1672 年發(fā)表的論文中對實驗的描述不夠詳盡， 其他科學家一開始沒能順利復制出他的實驗結果。開展這些實驗的技術難度很大， 但一旦親眼見到了實驗結果， 就很容易被其說服。

伊萬·巴甫洛夫研究條件反射

實驗結果：發(fā)現(xiàn)條件反射現(xiàn)象

時 間：19 世紀90 年代—20 世紀初

俄國生理學家伊萬·巴甫洛夫熱衷于以狗為研究對象開展實驗。雖然他的科研成果似乎總與狗的唾液有關，但他對思維的巧妙運用使其至今仍備受贊譽。

在實驗中，巴甫洛夫和學生們將一根管子固定在雜種狗的嘴中，用來收集唾液，他們注意到到了喂食的時間，還沒等食物吃進嘴里，這些狗就開始流口水了。就像其他身體機能一樣，當時人們也將唾液的分泌視為一種反射，只有咀嚼食物時才會無意識地發(fā)生，但巴甫洛夫的狗卻學會了將實驗人員的長相與食物聯(lián)系在一起，這意味著它們的生理反應會受到過往經(jīng)歷的影響。

在巴甫洛夫進行這項研究前，反射一直被視作一種固定不變的現(xiàn)象。

但這項研究表明，反射可以受個人經(jīng)歷的影響而發(fā)生改變。

接下來，巴甫洛夫和學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。

我們身上無時無刻不發(fā)生著巴甫洛夫條件反射，大腦會不斷地將我們經(jīng)歷過的事物聯(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)傷后應激障礙癥的主要策略。

威廉·哈維研究血液循環(huán)

實驗結果：發(fā)現(xiàn)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 世紀提出了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鮮血液;血液通過兩條不同的路徑流遍全身，其中一條通過肺部吸收空氣中的“生命元精”;被組織吸收的血液永遠不會流回心臟。

為了推翻這套理論，后人做了許多令人毛骨悚然的實驗。

剛開始，詹姆士一世的皇家醫(yī)生威廉·哈維通過給羊、豬等動物放血對蓋倫的血液理論進行了苦心鉆研。但隨后他意識到，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，這顯然是不可能的。

為了使這一點深入人心，哈維當眾將活生生的動物剖開，證明動物體內(nèi)的血量其實很少。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，讓血液無法進入心臟，結果心臟迅速收縮、變得蒼白。將其刺破后，噴出的血液微乎其微。相反，如果阻斷主動脈，心臟則會腫脹。通過研究爬行動物和哺乳動物瀕死時心臟跳動變慢這一現(xiàn)象，他領悟了心臟的收縮規(guī)律，并推斷出心臟會泵出血液，而血液在流經(jīng)全身后又會沿著一條回路流回心臟。

哈維還在志愿者身上做實驗，如暫時阻斷四肢的血液進出等，這些實驗進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”

的研究方法使醫(yī)學界發(fā)生了巨大轉變。