历史上最美的10个实验(领略科学史上最波澜壮阔、扣人心弦的10个伟大实验)

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　　在本书中，作者以他生动优雅、热情奔放的笔调带领我们畅游科学世界，领略科学史上最波澜壮阔、扣人心弦的10 个伟大实验。
　　 这本书带给我们的不仅仅是科普知识、科学逸事、名人传记，更重要的是，它让我们重温了那些打开未知世界之门的伟大时刻，体验了那种对宇宙奥秘探索不息的激情，同时也让我们对未来世界有了一份新的憧憬！
　　 本书适合对科学感兴趣的各层次读者。

1 伽利略　物体的运动方式 1
2 威廉·哈维　神秘的心脏 17
3 艾萨克·牛顿　颜色之谜 31
4 安托万—洛朗·拉瓦锡　包税人的女婿与近代化学 45
5 路易吉·伽伐尼　动物电 61
6 迈克尔·法拉第　深藏的科学 77
7 詹姆斯·焦耳　世界是如何运行的 91
8 阿尔伯特·迈克尔逊　在空间中迷失 107
9 伊万·巴甫洛夫　测量不可测的 125
10 罗伯特·密立根　在边缘领域 143
后记 第11个最美丽的实验 163
译后记 165
插图出处 167

　　几年前一个晴朗的冬日早晨，我开车前往山上的圣约翰学院做一个电子实验。圣约翰学院坐落在美丽的圣菲 ，四周丘陵环绕。此前不久我见到了这所学校的校长，他的一席话让我印象很深。作为人文教育的一部分，学校希望让学生们可以模拟1909年罗伯特·密立根著名的分离并测量基本粒子的试验，说明这些粒子是组成电的基本成分。
　　圣约翰学院与其座落在安纳波利斯 的姊妹院校一样，也很强调古典哲学课程，物理学要从公元前600年开始的前苏格拉底哲学时代讲起。那时米利都学派的泰勒斯正在大肆宣扬他的大一统理论（Grand Unified Theory）：“水是万物的本源。”如果他在现今这个时代，很可能就研究超弦理论了。
　　泰勒斯还注意到在麦格尼西亚省发现的一种叫做磁铁矿的岩石，对金属有种看不见的吸引力，而且摩擦过的琥珀（希腊语叫做elektron），会带上一种神奇的电荷：可以吸引小片的稻草和谷壳。2000多年以后，伊丽莎白一世时期的物理学家威廉·吉尔伯特发现玻璃摩擦丝绸后也会被“琥珀化”——带电（electrified，他是第一次使用这个词的人），而其他材料也可以有同样的效果。吉尔伯特推测，可能是摩擦加热了某些液体，从而产生了一种粘稠的、弥漫在周围的电荷流。之后，法国化学家查尔斯·杜费伊又发现摩擦后的松香排斥物体而摩擦后的玻璃吸引物体。因此他得出结论：电一定存在两种形式：树脂质的和玻璃质的。这些现象之后肯定还隐藏着更深层次的东西，而密立根揭开了这些现象的本质。
　　实验楼是一栋本地风格的两层建筑，一条长长的白色走廊延伸出来，四周环绕着郁郁葱葱的松树。在实验楼的地下室里，我找到了物理实验室。当时并没有人在上课，昏黄幽暗的灯光，投射出错落交织的阴影。房间的另一端，实验室主任汉斯·冯·布里占正在一个木制的实验台上装配电子元件。圣约翰学院有一个习俗：学生和老师相互之间要用尊称，如冯·布里占先生，约翰逊先生，这使得走廊中的谈话听起来有点像《纽约时报》的风格。
　　冯·布里占解释道，密立根的实验是希望通过一个香水喷瓶在两块分别带有正电和负电的金属板之间喷出油雾，有些油滴与空气摩擦后就会像泰勒斯的琥珀一样带电。通过改变两个金属板之间的电压，油滴可以上下移动，或者刚好悬浮在半空中。
　　根据油滴的重量和阻碍它下落所需的电压大小，可以确定油滴所带的电荷量。通过测量足够多的油滴，我们就可以看到电荷究竟是像水流一样可以是任何大小，还是像口袋中的硬币一样，是不连续的量。如果是后者，那么最小量就会是电的基本单位——电子的电荷。
　　冯·布里占把装置安好，调暗房间的光线后，开始进行实验。调试几次后，他邀请我来观看结果。我通过一个起放大作用的目镜——一个小望远镜，看到了那些油雾。它们被后面的光线照亮，闪闪发光，像是美丽的星系。密立根自己这样描述：“这油滴看上去就像[2]一颗无比璀璨的星星。”
　　21世纪的科学开始变得工业化。报纸上经常会庆祝各种实验结果——基因组测序，顶夸克存在的证明，通过分析另一个遥远的星体的不稳定性发现一颗新的行星——所有这些实验都需要花费几百万美元。这些研究中产生出几千兆的数据，需要用超大型计算机来分析：因为计算会产生大量的热量，所以它们都配备有制冷装置，光这些装置消耗的巨大能量就顶得上一般小城市的用量。而完成这些实验的团队已经不再是什么科研小组，而是庞大的公司机构。
　　但是迄今为止，所有最伟大、最重要的科学研究成果都是由独立的几双手摘取的，都是由个别天才的大脑破解了未知事物而产生的。那些标志着我们认知阶段的最伟大的实验基本上都是由一两个科学家独立完成的，而且大都是在实验台上完成的。即便有计算，也是在纸上计算或是随后借助计算尺完成。
　　这些实验的设计和完成都如此简单而优雅，堪称完美。它们的美丽在于它们是经典的——逻辑简单的设备，以及同样逻辑简单的分析，就像希腊雕像的线条一样纯粹而必然。曾经的混乱和含糊不清被一扫而净，对自然的新认识则跃入眼帘。
　　作为一个科普作家，我经常被一些空中楼阁似的理论所吸引，比如量子理论或者广义相对论，它们都试图寻找一些经典的理论来解释现象的本质。如果想知道这些探索变得如何抽象，你只需要看一下超弦理论，它假设物质在根本上都是由一些在十维空间中振动的数学碎片产生的。这是一个让人着迷的理论，但是却如此地神秘和混乱——至少超出了我（甚至任何人）的理解力——这使我觉得还是有必要先去了解一些基础的东西。
　　《物理世界》杂志[3]曾经作过一个问卷调查，询问读者们哪个是他们认为最美丽的实验。根据问卷的结果最后汇总出了前十名，但是问卷中列出的实验都是物理领域的。于是，我想知道，如果在更大的范围内选择会怎样呢？我决定做出自己的名单。
　　问题是该从哪个开始。泰勒斯摩擦琥珀产生静电？这缺少我所追求的那种优雅。这个实验缺乏调控，也没有系统地探索哪些材料在哪些条件下，会通过摩擦带电。就像吉尔伯特后来展示的，琥珀并没有什么特殊之处。在泰勒斯时代，实验科学并没有诞生。
　　那么毕达哥拉斯——另外一个苏格拉底哲学家呢？他发现了琴弦产生的音调和弦长是有精确的数学比例的。如果拨动整个弦听上去是一个精确的C，那么四分之三弦听上去就是一个F，三分之二弦就是一个G。拨动一半的弦，听上去刚好又是C，但是要高一个八度。毕达哥拉斯认为所有物质的本质都是数字——另一个大一统理论。他应该在这个时候见好就收。但是他继续推测火是由24个直角三角形和周围四个等边形组成的，这些等边形又是由6个直角三角形组成。空气是由48个三角形组成的，水则是由120个三角形组成的。实验最终让位于谬论。
　　另外一个人选可能是阿基米德了。有个不确切的传说，当阿基米德发现了浮力的物理规律时，大喊着“我发现了”从浴缸里跳了出来，这使得他伟大的成就显得如此平凡。他的论文《论浮体》堪称数学推理的杰作，不仅因为其中阿基米德法则的推导（浸没在某种液体中的物体会受到向上推动的力的作用，力的大小等于被替代液体的重量），而且，根据第一定律，他还算出了抛物面形状的锥形体如何在水中漂浮起来。（冰山就类似一个锥形体，其运动规律与阿基米德所言极为类似。）
　　然而他的成就更多在于推理，而不是实验。他只是又一个著名的理论家而已。而我所寻找的是那些罕见又珍贵的时刻：一个好奇求知的灵魂，运用手中的材料，通过某种方式对天发问，并且坚持不懈终成正果。理想的实验装置本身就很美，抛光的木头和黄铜，闪亮的黑色硬橡胶。更重要的是实验设计和实现的完美巧妙，思路流程的简洁清晰。
　　为此，我必须从古希腊跳到17世纪，当时有一个叫做伽利略的人发现了运动的基本规律。从这里开始，我一步步浏览科学旅途中另外9个景点，最终再次遇到密立根和他的小星星们。
　　任何读者都有可能提出自己不同的列表。一个朋友提议说：“可不可以把它就叫作《10个美丽的实验》呢？”或许是可以的。但是我希望这其中包含了一些艺术的夸张成分：既反映在我对实验的选择上，也体现在我对每个实验的描述中。这不是一本描述伟大发现的书，我并没有涉及那些偶然而惊喜的发现，例如伽利略发现了围绕木星旋转的卫星，或是查尔斯·达尔文关于鸟类的发现，这些都不是我想要探究的那种对现象一次次缜密的质问和反思。同时，这也不是一个科学传记缩影的精简集——关于此类的经典著作已经很多了。一些人的生平，例如安托万—洛朗·拉瓦锡和阿尔伯特·迈克尔逊，他们那些不为常人所熟知的故事打动了我。其他的人，比如伽利略、牛顿，他们的故事也早已被反复传颂。我尽量粗略地描绘这些科学家。但我希望这本书中的主角不是这些做实验的人，而是他们所做的实验。
　　为了让这些故事尽可能干脆利落，我尽量省去笔墨少去描述很多历史学家纠缠的东西：那些功劳和荣誉该如何分配。虽然詹姆斯·焦耳关于能量和热的伟大发现曾被罗伯特·迈耶（Robert Mayer）所预言，但是是焦耳完成了这个实验。我喜欢开尔文说的那句话：“关于个人优先权的争论，不论对于相关的人听起来多么地有趣，在一步步揭示自然界奥秘的未来，都将变得毫无意义。”[4]
　　0[1] Paul Arthur Schilpp著，Albert Einstein:Philosopher-Scientist（La Salle, Ill.: Open Court，1979，最初出版于1949年）第3、9页。

　　“……描述了那些孤独天才们的伟大发现。任何图书馆都应当收藏这本书。”
　　——《书单》杂志
　　“Johnson用生动的笔墨唤起了已然失落的实验桌上的世界……引人入胜。”
　　——(纽约时报)书评
　　“简明扼要，发人深省……是向为当今世界做出巨大贡献的科学和科学家们的献礼。”
　　——《出版人周刊》