科学之美！十个著名经典的物理实验！.pdf

科学之美！十个著名经典的物理实验！--第1页

科学之美！十个著名经典的物理实验！

来源：量子科学、见物思理

科学实验是物理学发展的基础，又是检验物理学理论的唯一手段。

特别是现代物理学的发展，更和实验有着密切的联系。现代实验技术

的发展，不断地揭示和发现各种新的物理现象，日益加深人们对客观

世界规律的正确认识，从而推动物理学的向前发展。

令人惊奇的是十个经典物理实验的核心是他们都抓住了物理学家

眼中最美丽的科学之魂：由简单的仪器和设备，发现了最根本、最单

纯的科学概念。十大经典物理实验犹如十座历史丰碑，扫开人们长久

的困惑和含糊，开辟了对自然界的崭新认识。从十大经典物理实验评

选本身，我们也能清楚地看出2000年来科学家们最重大的发现轨迹，

就像我们“鸟瞰”历史一样。

1

托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验

在20世纪初的一段时间中，人们逐渐发现了微观客体(光子、电

科学之美！十个著名经典的物理实验！--第1页

科学之美！十个著名经典的物理实验！--第2页

子、质子、中子等)既有波动性，又有粒子性，即所谓的“波粒二象

性”。“波动”和“粒子”都是经典物理学中从宏观世界里获得的概

念，与我们的直观经验较为相符。然而，微观客体的行为与人们的日

常经验毕竟相差很远。如何按照现代量子物理学的观点去准确认识、

理解微观世界本身的规律，电子双缝干涉实验为一典型实例。

杨氏的双缝干涉实验是经典的波动光学实验，玻尔和爱因斯坦试

图以电子束代替光束来做双缝干涉实验，以此来讨论量子物理学中的

基本原理。可是，由于技术的原因，当时它只是一个思想实验。直到

1961年，约恩·孙制作出长为50mm、宽为0.3mm、缝间距为1mm

的双缝，并把一束电子加速到50keV，然后让它们通过双缝。当电子

撞击荧光屏时显示了可见的图样，并可用照相机记录图样结果。电子

双缝干涉实验的图样与光的双缝干涉实验结果的类似性给人们留下了

深刻的印象，这是电子具有波动性的一个实证。更有甚者，实验中即

使电子是一个个地发射，仍有相同的干涉图样。但是，当我们试图决

定电子究竟是通过哪个缝的，不论用何手段，图样都立即消失，这实

际告诉我们，在观察粒子波动性的过程中，任何试图研究粒子的努力

都将破坏波动的特性，我们无法同时观察两个方面。要设计出一种仪

器，它既能判断电子通过哪个缝，又不干扰图样的出现是绝对做不到

的。这是微观世界的规律，并非实验手段的不足。

2

伽利略的自由落体实验

科学之美！十个著名经典的物理实验！--第2页

科学之美！十个著名经典的物理实验！--第3页

伽利略(1564—1642)是近代自然科学的奠基者，是科学史上第一

位现代意义上的科学家。他首先为自然科学创立了两个研究法则：观

察实验和量化方法，创立了实验和数学相结合、真实实验和理想实验

相结合的方法，从而创造了和以往不同的近代科学研究方法，使近代

物理学从此走上了以实验精确观测为基础的道路。爱因斯坦高度评价

道：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最

伟大的成就之一”。

16世纪以前，希腊最著名的思想家和哲学家亚里斯多德是第一个

研究物理现象的科学巨人，他的《物理学》一书是世界上最早的物理

学专著。但是亚里斯多德在研究物理学时并不依靠实验，而是从原始

的直接经验出发，用哲学思辨代替科学实验。亚里斯多德认为每一个

科学之美！十个著名经典的物理实验！--第3页

科学之美！十个著名经典的物理实验！--第4页

物体都有回到自然位置的特性，物体