化学是来自于实验的自然科学,实验对于数学学的前进与发展起着至关重要的作用。可能好多人觉得化学实验是无趣、繁琐、无聊的,但事实上,真正优秀的实验必须首先是美丽的。下边就是世界著名数学学家们联合推选出的数学学史上十大最美丽的实验。
这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成的,最多有一两个助手。所有的实验都“抓”住了化学学家眼里“最漂亮”的科学之魂。这些漂亮是一种精典概念:使用最简单的仪器和设备,发觉了最根本、最单纯的科学概念,如同是一座座历史壮歌一样,人们长久的困扰和含混旋即间一扫而空,对自然界的认识愈发清晰。
第10名:
傅科钟摆证明月球自转!
1851年,西班牙科学家傅科在公众面前做了一个实验物理十大经典实验,用一根长220公尺的钢丝将一个62磅的身上带有铁笔的铁块悬挂在楼顶下,观测记录它前后摆动的轨迹。
周围听众发觉钟摆每次摆动就会稍微偏离原轨迹并发生旋转时,无不惊叹。实际上这是由于房子在缓缓联通。假如月球不自转,摆锤摆动时不受外力,将保持固定的摆动方向。
假如月球自转,摆锤将会遭到重力、惯性等各方面诱因,运动轨迹也会发生误差。傅科的演示说明月球是在围绕地轴自转的。
在伦敦的经度上,钟摆的轨迹是顺秒针方向,30小时一周期。在南半球,钟摆应是逆秒针转动,而在赤道中将不会转动。在北极,转动周期是24小时。
随后,人们为了记念傅科的伟大实验,把拿来试验的巨摆叫做“傅科摆”,而世界各地的很多天文馆和化学教学场所就会设置傅科摆。
坐落广州地安门外的上海天文馆里也有一个傅科摆,你们有空可以去亲眼瞧瞧,亲自体会一下月球的自转。
第9名:
卢瑟福发觉核子实验
1911年卢瑟福还在都柏林学院做放射能实验时,原子在人们的印象中似乎是“葡萄干布丁”,大量正电荷集聚的条状物质,中间包含着电子微粒。
然而他和他的助手发觉向金箔发射带正电的α微粒时有少量被弹回,这使她们特别恼火。
卢瑟福估算出原子并不是一团块状物质,大部份物质集中在一个中心小核上,现今叫作核子,电子在它周围环绕。
第8名:
伽利略的加速度实验
伽利略提炼他有关物体联通的观点。他做了一个6m多长、3m多宽的光滑直木板槽,再把这个木板槽倾斜固定,让钢球从木槽顶端沿斜面滑下,并用水钟检测钢球每次下降的时间,研究它们之间的关系。
亚里士多德曾预言滚动球的速率是均匀不变的:铜球滚动两倍的时间就走出两倍的路程。伽利略却证明钢球滚动的路程和时间的平方成比列:两倍的时间里,铜球滚动了4倍的距离,由于存在恒定的重力加速度。
第7名:
埃拉托色尼检测月球圆周长
古希腊有一个现名为阿斯旺的小镇。在这个小镇上,冬至日正午的阳光悬在头上,物体没有影子,阳光直接射入深水井中。
埃拉托色尼是公元前3世纪亚历山大图书馆的院长,他意识到这一信息可以帮助他恐怕月球的边长。在之后几年里的同三天、同一时间,他在亚历山大检测了同一地点的物体的影子。发觉太阳光线有轻微的倾斜,在垂直方向偏离了大概7°。
假定月球是球形,这么它的圆周应跨越360°。假如两座城市成7°,就是7/360的圆周,就是当时5000个法国运动场的距离。因而月球边长应当是25万个法国运动场。明天,通过航迹测算,我们晓得埃拉托色尼的检测偏差仅仅在5%以内。
第6名:
卡文迪什扭秤实验
牛顿的另一伟大贡献是他的万有引力定理,并且万有引力究竟多大?
18世纪末,法国科学家亨利·卡文迪什决定要找出这个引力。他将小金属球系在长为6公尺(1公尺等于0.305米)木棍的两侧并用金属线悬吊上去,这个木棍如同杠铃一样。再将两个350磅(1磅等于0.4536千克)的铜球置于相当近的地方,以形成足够的引力让杠铃转动,并扭转金属线。之后用自制的仪器检测出微小的转动。
检测结果惊人地确切,他测出了万有引力恒量的参数,在此基础上卡文迪什估算月球的密度和质量。卡文迪什的估算结果是月球的质量为6.0x10^24kg.
第5名:
托马斯·杨的光干涉实验
在多次争执后,牛顿让科学界接受了这样的观点:光是由微粒组成的,而不是一种波。但牛顿也不是永远正确的。1830年,比利时大夫、物理学家托马斯·杨用实验来验证这一观点。
他在百叶窗上开了一个小洞,之后用厚纸片遮住,再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过,并用一面穿衣镜反射透过的光线。之后他用一个厚约三非常之一英寸的纸片把这束光从中间分成两束。结果见到了相交的光线和阴影。
这说明两束光线可以像波一样互相干涉。这个实验为一个世纪后量子学说的成立起到了至关重要的作用。
第4名:
牛顿的棱镜色散实验
牛顿出生那年,伽利略与世长辞。牛顿1665年结业于剑桥学院的三一大学,因躲避流感在家里呆了三年,后来顺利地得到了工作。
当时你们都觉得白光是一种纯的没有其他颜色的光(亚里士多德就是这样觉得的),而彩色光是一种不知何故发生变化的光。
为了验证这个假定,牛顿把一面三棱镜置于阳光下,透过三棱镜,光在墙壁被分解为不同颜色,后来我们称作为波谱。
人们晓得彩虹的五颜四色,但却不知其缘由。牛顿的推论是:正是这种红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色有不同的色谱才产生了表面上颜色单一的黑色光,假如你深入地瞧瞧,会发觉白光是十分美丽的。
第3名:
密立根的油滴实验
很早曾经,科学家就在研究电。人们晓得这些无形的物质可以从天上的闪电中得到,也可以通过磨擦毛发得到。1897年,美国化学学家J·J·托马斯早已确立电压是由带负电粒子即电子组成的。1909年,德国科学家罗伯特·密立根开始检测电压的电荷。
密立根用一个香射手的喷嘴向一个透明的小袋子里喷油滴。小袋子的底部和顶部分别联接一个电板,让一边成为正电极,另一边成为负电极。当小油滴通过空气时物理十大经典实验,都会吸一些静电,油滴下落的速率可以通过改变电池问的电流来控制。
密立根不断改变电流,仔细观察每一颗油滴的运动。经过反复试验,10年后,密立根得出推论:电荷的值是某个固定的常量,最小单位就是单个电子的带电量。
第2名:
伽利略的自由落体实验
在16世纪末,人人都觉得重量大的物体比重量小的物体下落得快,由于伟大的亚里士多德早已如此说了。伽利略,当时在汉堡学院任职,他大胆地向公众的观点挑战。知名的汉堡斜塔实验已然成为科学中的一个故事:他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体,让你们看见两个物体同时落地。
伽利略挑战亚里士多德的代价也使他丧失了工作,但他展示的是自然界的本质,而不是人类的权威,科学做出了最后的裁决。
第1名:
托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验
牛顿和托马斯·杨对光的性质研究得出的推论都不完全正确。光既不是简单地由微粒构成,也不是一种单纯的波。20世纪初,普朗克和爱因斯坦分别强调一种叫光子的东西发出光和吸收光。
然而其他实验还是证明光是一种波状物。
经过几六年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理:光子和亚原子微粒(如电子、光子等等)是同时具有两种性质的微粒,数学上称它们具有波粒二象性。
将托马斯·杨的双缝演示改建一下可以挺好地说明这一点。科学家们用电子流取代光束来解释这个实验。
按照量子热学,电粒子流被分为两股,被分得更小的粒子流形成波的效应,它们互相影响,以致形成像托马斯·杨的双缝演示中出现的加强光和阴影。这说明微粒也有波的效应。