世界著名的10大实验

亚当·鲍勃

每天，人们都要进行各种各样的科学实验，提出“如果”假设，再设计实验，看看会有什么结论。这样的实验也许只是我们在回家的路上走了一条稍微不同的路，或者在用微波炉时多加热几秒钟，或者可能是尝试寻找一个基因的另一种变体。不管实验难度如何，这种奋斗、质疑的探索精神都是人类发现的根源。实验帮助我们更深入地了解现实的本质，这种探索的过程就是我们所说的“科学”。

这些精选出来的科学实验，有几项经受住了时间的考验，充分展示了人类的探索精神和智慧。无论是精巧的、还是粗糙的、带着一点意外的发现，这些独特的发现都深刻改变了我们对自己甚至对宇宙的看法。

以下这10项重要实验可以说是有史以来最顶尖的科学实验。其中九项都取得了辉煌的成功，剩下的一项则是虽败犹荣。

埃拉托色尼：测量世界

实验结果：首次测量地球的周长

时间：公元前3世纪末

我们的世界到底有多大？在众多来自古代文化的答案中，埃拉托色尼计算出的一个惊人的精确值，在两千多年后依然令人为之震惊。公元前276年左右埃拉托色尼出生于昔兰尼（位于今天的利比亚海岸的一处希腊殖民地），后来他成为一个“贪婪”的学者，这一特点为他带来了很多批评者和崇拜者。讨厌他的人根据希腊字母表中的第二个字母给他起了个绰号“贝塔”。普吉特湾大学物理学教授詹姆斯·埃文斯解释原因：“埃拉托色尼频繁地从一个研究领域转到另一个领域，以至于与他同时代的人认为他在每个领域都只能排第二。”还有人因埃拉托色尼的多才多艺给他起了个绰号“五项全能”。

思维上的敏捷使这位学者获得了一份在埃及亚历山大市著名图书馆当馆长的工作，就是在那里他进行了著名的实验。他听说在尼罗河流经的赛伊尼城中有一口井，在夏至日那天，正午的阳光可以直射井底，不会在井边投下一丝阴影。这一现象引发了埃拉托色尼的极大兴趣。于是在同一日期的同一时间，他测量了亚历山大里亚一根竖杆投下的阴影的长度，据此算出阳光与竖杆之间的角度为7.2°，即圆周角360°的五十分之一。

埃拉托色尼知道地球是球形的，大多数受过教育的希腊人也是这样认为的。埃拉托色尼认为，如果知道亚历山大里亚和赛伊尼这两座城市之间的距离，再把这个数字乘以50，就能测量地球的曲率，从而得到地球的周长。根据得到的信息，埃拉托色尼推断出地球的周长为250000希腊里，约为28500英里，与24900英里的正确数字十分接近。

埃拉托色尼想要确定地球的大小的动机是他对地理的热爱，正是他创造了“地理学”这一名词。所以现代人又给他起了另一个绰号：“地理学之父”。

威廉·哈维：研究血液循环

實验结果：发现了血液循环机制

时间：理论发表于1628年

古希腊名医兼哲学家盖伦曾在公元2世纪提出过一套血液流动的理论，尽管漏洞百出，但盛行了近1500年。这套理论包括：肝脏会利用我们吃下的食物不断生成新的血液；血液以两种不同的方式流经全身，其中一种是通过肺部吸收空气中的“生命之魂”；组织吸收的血液永远不会回到心脏。推翻所有这些教条需要一系列的实验。

而为了推翻这套有教科书地位的理论，后人做了一系列重要的实验。

威廉·哈维1578年出生于英格兰的一个贵族家庭，后来成为国王詹姆斯一世的御医，这为他提供了足够的时间和途径来追求他最大的兴趣：解剖学。刚开始，他通过给羊、猪等动物放血，对盖伦的血液理论进行了苦心钻研。但他随后意识到，假如事实真如盖伦所言，那么每小时流经心脏的血量将超过动物的总体积，而这显然是不可能的。

为了说明这一点，哈维在公共场所切开了活生生的动物，证明动物体内微弱的血液供应。他还通过用手指捏住一条裸露心脏的蛇的一条主静脉，让血液无法进入心脏。结果心脏迅速萎缩、变得苍白；将其刺穿时，流出的血很少。相反，如果阻断主动脉，心脏则会随之胀大。这表明静脉里的血确实是心脏血液的来源，而动脉则是心脏向外供血的通道。通过研究爬行动物和哺乳动物濒临死亡时慢速心跳这一现象，他发现了心脏的收缩规律，并推断出心脏以循环的方式向身体输送血液。

据伦敦大学历史和科学哲学教授安德鲁·格雷戈里说：“这不是一个简单的推论。假如只观察在胸腔中正常跳动的心脏，就很难弄清楚到底发生了什么。”

哈维还在志愿者身上进行了实验，如暂时阻断血液进出四肢等。这些实验进一步完善了他的革命性的血液循环理论。他在1628年出版的《心血运动论》一书中完整地阐述了自己的理论。此外，他采用的“以证据为基础”的研究方法也在医学界引起了巨大转变。威廉·哈维被公认为现代医学和生理学之父。

格雷格·孟德尔：发展遗传学

实验结果：发现了基因遗传的基本规律

时间：1855～1863年

孩子的容貌在不同程度上总会与父母相似，这是为什么呢？一直到一个半世纪之前，由于格雷格·孟德尔的努力，身体特征遗传的奥秘才被逐渐揭开。孟德尔1822年出生于现在的捷克共和国，尽管他出生于农业家庭，没有钱供他接受正规教育，但他在自然科学方面颇具天赋。在一位教授的建议下，他于1843年加入了奥古斯丁修道院，这是一个注重研究和学习的修道士团体。

在布尔诺的一座修道院安顿下来之后，内向的他很快学会了在花园里消磨时间。一种名为“倒挂金钟”的植物引起了他的注意，因为这种植物造型极其优雅，仿佛出自名家之手。在印第安纳大学布鲁明顿分校研究生物学历史的桑德·格列波夫说：“也许正是受到这种植物的启发，孟德尔才开展了后续那些著名实验。他一直在尝试杂交不同的倒挂金钟品种，试图培植出新的颜色或颜色组合。在这一过程中，他得到了一些可重复的结果，这表明遗传规律在起作用。”

随后他培育豌豆，这些规律变得清晰起来。孟德尔用画笔将花粉从一株植物涂抹到另一株（相当于给豌豆人工授粉），在大约七年的时间里，他将数千种具有某些特征的植物进行杂交配对并详细地记录结果。例如，如果黄豌豆和绿豌豆杂交，总是产生一种黄色豌豆。然而，再让这些黄豌豆培育出的植株进行自交后产生的后代中，有四分之一的豌豆为绿色。这样的比例让孟德尔提出了“显性”因子（该例中黄色为显性性状）和“隐性”因子的概念，而所谓“因子”正是我们如今所说的基因。

由于他的研究过于超前，在当时很少受到关注。但几十年后，其他科学家发现并复制了孟德尔的实验，他们开始视其为一个重大突破。

孟德尔实验的高明之处在于，先提出一些简单的假设，然后各个击破，而不是试图一举解开遗传这个复杂的大谜团。

艾萨克·牛顿：发展光学

实验结果：进一步了解了色彩与光的性质

时间：1665 ～1666年

在成为那个举世闻名的艾萨克·牛顿（杰出的科学家，运动定律、微积分和万有引力定律的发明者）之前，平凡的牛顿曾有过一段十分空闲、无所事事的时光。当时他本在剑桥大学就读，但为了躲避在他的大学城剑桥爆发的毁灭性瘟疫，牛顿躲在英国乡下他儿时的家中。他在当地的一个集市上买到一个棱镜，用剑桥克莱尔学院研究员帕特里夏·法拉的话来说，那是“孩子们的玩具”。

阳光穿过棱镜后，射出来的光会形成一道彩虹、或者说一道光谱。在牛顿的时代，主流思想认为，光通过的媒介是什么颜色，光就会呈现什么颜色，就像阳光穿过彩色玻璃一样。但牛顿本人并不信服这个说法。于是他开展了一系列棱镜实验，结果证明，颜色是光本身固有的属性。这一革命性的观点开创了“光学”的新领域，奠定了现代科学技术的基础。

牛顿巧妙地设计了一项精巧的实验：他在窗板上开一个洞，让一束阳光通过两个棱镜。光透过第一块棱镜后，被分解成了不同的颜色。牛顿特意挡住其中的一部分颜色，不让它们到达第二块棱镜。他通过这一方法发现，不同的颜色通过棱镜折射或弯曲的方式是不同的。然后，他从被第一块棱镜分解的光线中挑出一种颜色，让这种颜色单独通过第二个棱镜；而这束光从第二块棱镜射出后，颜色并没有发生变化，证明棱镜对光线的颜色没有影响，介质本身对光线颜色不会产生影响。相反，颜色应当是光线本身具有的某种性质。

由于牛顿的实验是特别设置、在家完成的，加上他在1672年发表的一篇开创性的论文中的描述不够完整、詳尽，他同时代的其他人最初很难复制出他的实验结果。法拉说：“这是一个在技术上非常困难的实验。但一旦你亲眼看过了，就会觉得非常有说服力。”

在成名的过程中，牛顿确实表现出了实验的天赋，偶尔还会深入研究“自我主体”。有一次，他盯着太阳看得太久，眼睛都快瞎了。还有一次，他在眼皮下插了一根又长又粗的针，压在眼球的后部，以判断它对视力的影响。尽管牛顿在他的职业生涯中有很多失误——对神秘学的涉猎，对圣经命理学的涉猎——但他的巨大成就保证了他长久的名望。

迈克尔逊与莫雷：试图观测以太

实验结果：研究了光的运动方式

时间：1887年

当你大喊一声“嘿”，声波就会通过媒介（空气）到达听众的耳朵。海浪声也有自己的传播介质（海水）。然而，光波却是一个特例。就算在真空中，所有的介质如空气和水都被抽走了，光仍然以某种方式传播。怎么会这样呢？

根据19世纪末主流的《物理学》杂志，光通过一种看不见的、无处不在的隐形媒介传播，这种介质被称为“发光以太”。在俄亥俄州的凯斯西储大学，阿尔伯特·迈克尔逊和其同事爱德华·莫利一起设计了一套实验，希望能证实这种以太的存在。这项实验虽然没能成功，却成为了史上最著名的失败实验之一。

两位科学家的假设是这样的：当地球绕着太阳运动时，它不断地在以太中穿行，产生“以太风”。当光束的路径和风的方向相同时，光的移动速度应该比逆风航行的速度快一点。

要衡量这种十分微弱的效应很难，但迈克尔逊对实验进行了精心设计后做到了。在19世纪80年代早期，他发明了一种干涉仪，一种把不同的光源聚集在一起、形成干涉图样的仪器，就像池塘里的涟漪混合在一起一样。在迈克尔逊的干涉仪中，一束光先是通过一面单面镜，然后光一分为二，朝相互垂直的方向分别向前传播。经过一段距离后，它们会被镜子反射回一个中心会合点。由于在它们的传播过程中某种不均等的位移（比如说受到以太风影响），导致两束光在不同的时间到达中心点，它们会产生一种独特的干涉条纹。

研究人员将精密的干涉仪安装在一块坚固的砂岩板上，几乎无摩擦地漂浮在水银槽中，并将整套装置放在校园里一栋建筑的地下室中，进一步与外界隔绝，免受震动。迈克尔逊和莫雷慢慢地旋转砂岩平板，能看到在以太影响下产生的光线干涉条纹。

结果一无所获。光速并未发生任何变化。

然而，两位研究者都没有完全意识到此次“一无所获”的重要性，而是将其归咎于实验误差，因此转而投向其它项目了。（结果是这样的：1907年，迈克尔逊因为这项以光学仪器为基础的研究，成为第一位获得诺贝尔奖的美国人。）迈克尔逊和莫雷在以太理论上一脚踢破的这个漏洞虽属无意，却启发他人开展了一系列研究、提出了更多相关理论。最终，爱因斯坦在1905年提出了突破性的狭义相对论，创造了光传播的新方式。

玛丽·居里：做出重要工作

实验结果：定义了放射性

时间：1898年

在历史记载的重要科学实验中，很少有女性出现，这反映出她们在历史上曾被排除在这一学科之外。但玛丽·斯克洛多斯卡打破了这条铁律。

她1867年出生于波兰华沙，希望有机会进一步学习数学和物理，24岁时，移民到巴黎。在那里，她遇到了物理学家皮埃尔·居里，并嫁给了他。皮埃尔·居里是她的学术伙伴，在他的帮助下，玛丽·居里的革命性创意才在这个男性主导的领域站稳了脚跟。“如果没有皮埃尔，玛丽将永远不会被科学界所接纳。”俄克拉荷马大学科学史荣誉教授玛丽莲·b·奥格尔维说，“尽管如此，那些指导未来放射性本质调查的基本假设都是她提出的。”

居里夫妇大多数时间都在皮埃尔工作的大学校园里一间改建过的房子里一起工作。1897年，为了完成自己的博士论文，玛丽开始研究一年前发现的一种与X射线有些相似的新型放射现象。利用皮埃尔和他的兄弟发明的一种名叫静电计的仪器，玛丽对钍和铀发射的神秘射线进行了观测。结果发现，不管这些元素的矿物组成是黄色的晶体还是黑色的粉末，铀的辐射率完全取决于其中所含的放射性元素的含量。

根据这一观察，玛丽推断物质释放辐射与物质的分子排列无关。相反，“放射性”（玛丽创造的一个术语）是单个原子本身的固有性质，由原子内部结构中放射出来。在此之前，科学家们一直认为原子是基本的、不可分割的整体。但玛丽成功打开了一扇理解物质的大门，让人们得以从更基础的亚原子层面认识物质。

1903年，居里夫人成为第一个获得诺贝尔奖的女性，并于1911年再次获奖（因为她后来发现了镭元素和钋元素），成为了极少数获得两次诺贝尔奖的科学家之一。

有人评论道，无论是在生活还是工作方面，对于有志于从事科学事业的年轻女性而言，玛丽·居里都是一名出色的榜样。

伊万·巴甫洛夫：研究条件反射

实验结果：发现了条件反射现象

时间：19世纪90年代～20世纪初

1904年，俄罗斯生理学家伊凡·巴甫洛夫凭借对狗的研究获得了诺贝尔奖，他研究了狗的唾液和胃液是如何消化食物的。虽然他的科研成果似乎总与狗的口水联系在一起，但他对思维的巧妙运用使其至今仍备受赞誉。

测量胃液的分泌可不是件容易的工作。巴甫洛夫和他的学生收集狗的消化器官产生的液体，是用一根管子悬挂在一些狗的嘴里收集唾液。经验丰富的研究者开始注意到，喂食的时候，还没等食物吃到嘴里，这些狗就会流口水。就像其他许多身体功能一样，唾液的分泌被认为是一种反射，只有咀嚼食物时才会无意识地发生。但是巴甫洛夫的狗却已经学会了把实验者的出现和食物联系起来，这意味着狗的经验已经影响了它们的身体的生理反应。

“在巴甫洛夫的研究之前，反射被认为是固定不变的，”不列颠哥伦比亚大学心理学教授、巴甫洛夫学会会长凯瑟琳·兰金说，“但他的研究显示，反射可以受个人经历的影响发生改变。”

随后，巴甫洛夫和他的团队教狗把食物和各种各样的中性刺激因素联系起来，如蜂鸣声、节拍器、旋转的物体、哨声、闪光和电击等。

这些发现构成了经典条件反射概念的基礎。后来这一概念基本上延伸到任何有关刺激的研究，即使不涉及反射性反应。巴甫洛夫条件反射无时无刻不在我们身上发生着，我们的大脑总是把我们经历的事情联系在一起。事实上，切断这些条件反射之间的联系恰恰是目前治疗创伤后应激障碍症的主要策略。

罗伯特·米利根：测量电荷

实验结果：精确测定了单个电子所带的电荷

时间：1909年

从大多数方面来看，罗伯特·米利根干得不错。1868年，他出生在伊利诺斯州的一个小镇上，后来在奥柏林学院和哥伦比亚大学获得了学位。他曾与德国和欧洲的杰出学者一起学习物理学。后来他在芝加哥大学物理系任教，甚至还编写了几本非常成功的教科书。

但是他的同事们做得更多。19世纪与20世纪之交是物理学发展的繁荣时期：在仅仅10年的时间里，世界被相继引入了量子物理学、狭义相对论和电子——原子具有可分割部分的第一个证据之中。到了1908年，米利根发现自己已年近四十，却没有一项重大发现。

不过，电子为他提供了一次机会。研究人员一直想要弄清这个粒子是否代表一个基本的电荷单位，并且在所有情况下始终保持不变。这个问题的答案是进一步发展粒子物理学的关键基础。米利根想着反正也没什么损失，不妨放手一搏。

在芝加哥大学的实验室里，米利根开始研究一种叫做“云雾室”的容器，里面装着浓厚的水蒸气，并在研究过程中不断改变其中的电场强度。水滴在重力下降之前，会先在带电原子和分子周围形成液滴云。通过调整电场的强度，它可以减慢甚至停止单个液滴的下落，相当于用电与引力相对抗。只要确定液滴取得平衡时的电场强度，并假设液滴在该强度上能始终保持平衡，就可以推算出液滴所带的电荷量了。