我們知道，物理學是一門實驗科學，新的物理現(xiàn)象通常在實驗中發(fā)現(xiàn)，另一方面，只有能夠給出實驗驗證方法的物理理論才是可信的。

小編打探到今年的公眾科學日將在5月18日舉辦，相關內容也在緊鑼密鼓籌備中！在活動中大家將有機會觀看驚心動魄的實驗秀，還可以參與各種有趣的互動實驗，肯定是一場精彩絕倫的科學盛宴?。ㄒ徽麄€期待住了

在公眾科學日到來之前，讓我們先了解物理學發(fā)展歷程中較為重要的十個實驗吧。

01

伽利略的加速度測定實驗

盡管大家可能更熟悉伽利略站在比薩斜塔上扔球，但此事的真實性還存在爭議。

但是伽利略對于自由落體運動的研究則毫無疑問在物理學界留下了濃墨重彩的一筆。

他利用斜面上物體下落得更慢的特點，通過研究斜面上物體下落的規(guī)律來外推物體豎直下落的運動規(guī)律。最重要的是，他首先意識到時間可以作為一個參數(shù)引入公式中。一旦他將時間引入公式，立刻就發(fā)現(xiàn)，從靜止開始自由下落的物體在任意時間內走過的距離，正比于時間的平方，也就是著名的勻加速直線運動位移-時間關系。

02

牛頓棱鏡分光實驗

圖源Wikipedia

1666年，牛頓曾經將一束陽光照射在棱鏡上，然后他發(fā)現(xiàn)，從棱鏡中出來的光分成了各種不同的顏色。

當時，大多數(shù)科學家都認為白光是一種單一顏色的光。這一發(fā)現(xiàn)則糾正了當時科學家的這個固有觀念，讓后世的人們認識到，白光其實是由各種不同顏色的光混合形成的。

如今我們已經知道，同種介質中不同顏色的光的折射率不同，在棱鏡表面發(fā)生折射時發(fā)生不同程度的偏轉，因此沿著不同的方向離開棱鏡，這就是光的色散。

03

卡文迪許扭秤實驗

圖源Wikipedia

卡文迪許扭秤實驗是由英國物理學家亨利·卡文迪許于1797年至1798年進行的一項經典實驗。這個實驗旨在測量萬有引力常數(shù)。

卡文迪許的實驗裝置是一個扭秤，該扭秤由一根長桿水平懸掛在一根絲上，兩端各掛一個鉛球(甲球)。另外兩個鉛球(乙球)單獨懸掛，放置在扭秤兩端鉛球附近。甲球和乙球之間相互吸引，使扭秤旋轉。平衡時，扭秤的力矩和鉛球之間的萬有引力平衡，根據(jù)扭秤的偏轉角度卡文迪許可以得到鉛球之間的萬有引力，進一步可以得到引力常數(shù)。

04

法拉第電磁感應實驗

圖源Wikipedia

法拉第電磁感應實驗驗證了變化的磁場可以產生電場，提供了將機械能轉化為電能的可能性，并且為后來的電磁場理論奠定了基礎。

他用如圖所示的實驗裝置發(fā)現(xiàn)，當電流在一根導線中開始流動時，鐵芯另一側的線圈中會產生電流。他觀察到，當他將左側電線連接到電池或斷開電池連接時，電流計的指針測量到了右側導線上的瞬態(tài)電流。?這種感應電流是由于連接和斷開電池時發(fā)生的磁感應強度變化引起磁通量變化。此外，他還觀察到當他快速地將條形磁鐵插入線圈或離開線圈時，電流計顯示瞬態(tài)電流的產生。

05

楊氏雙縫干涉實驗

在17到18世紀之間，許多科學家基于實驗觀察提出了光的波動理論，包括羅伯特·胡克、惠更斯和歐拉。然而，牛頓堅定地拒絕光的波動理論，并發(fā)展了他的光粒子理論，認為光以微小粒子的形式從發(fā)光體中發(fā)射出來。

而托馬斯·楊的實驗為波動學說提供了強有力的證據(jù)。托馬斯·楊使太陽光通過一個小孔，并用狹縫將細光束分成兩半。而在后面的觀察屏上他看到了兩束光重合形成彩色的條紋。

光的波動理論認為，當兩列光波相遇時，來自兩列波的振動在空間的每個點處疊加在一起。如果波峰重合(相位相差π的偶數(shù)倍)，它們就會相互增強，從而產生相長干涉和更高的光強。相反，如果一個波的波峰與另一波的波谷對齊（相位相差π的奇數(shù)倍），它們就會相互抵消，導致相消干涉和較低的光強。

06

密立根油滴實驗

圖源Wikipedia

密立根通過如圖的實驗裝置成功測定了元電荷，也就是電子所帶的電荷量。他向真空室中噴射微小的油滴，并觀察它們在電場中的行為。

在實驗中，油滴被噴入一個封閉容器，通過與噴管摩擦油滴帶上電荷。之后油滴落入兩塊平行金屬板間，金屬板上施加電壓，形成一個均勻的電場。板間的油滴受到電場力的作用，向上或向下運動。

通過調整電場的強度，可以達到電場力和重力相互平衡的狀態(tài)，這樣的油滴懸停在平行板之間。通過分析平衡狀態(tài)下油滴的重力和電場強度之間的關系，可以得到元電荷的大小。

07

焦耳熱功當量實驗

圖源Wikipedia

物理學家焦耳曾設計了如圖所示的實驗來測量熱功當量。他在裝水的瓶子里安裝槳葉，一重物下降帶動槳葉旋轉，攪動瓶中的水，水受到攪動溫度升高，測量水的溫度升高量，可以計算出水升溫所需的熱，比較重物下落的功和水升溫所需的熱之間的關系，就得到了熱功當量。焦耳的實驗定量地確認了熱和功的等價關系，為“熱動說”提供了強有力的支持。

后世更精確的實驗給出1卡路里的熱相當于4.18焦耳的功，大家可能注意到了，這個數(shù)值為什么和水的比熱容那么像？沒錯，實際上，熱功當量這個物理量就是水的比熱容。

08

弗蘭克-赫茲實驗

圖源[2]

弗蘭克-赫茲實驗旨在驗證玻爾原子模型中的能級理論。

在弗蘭克-赫茲實驗中，氣態(tài)汞被放置在真空管中，管內包含兩個電極。一個電極被加熱以產生熱電子，并被電場加速。這些電子通過一個正電壓區(qū)域，然后進入另一個電極。在這個過程中，電子與汞原子碰撞，將能量傳遞給汞原子。

通過測量在不同電壓(對應電子初始動能)下電子產生的電流(對應電子與汞原子碰撞后的動能)的分布，弗蘭克和赫茲觀察到：在某些電壓下，電流突然減小，這表明電子在與汞原子碰撞后失去的能量是分立的。這些出現(xiàn)電流突變時的電壓值正好與玻爾模型中預測的汞原子能級之間的能量差相匹配。

這個實驗的結果證實了玻爾原子模型中的能級理論，為量子力學的建立和發(fā)展奠定了基礎。

09

吳健雄宇稱不守恒實驗

吳健雄的實驗證明了弱相互作用的宇稱不守恒。簡單來說，宇稱就是描述物理系統(tǒng)在進行空間鏡像翻轉時是否保持不變的性質。如果物理系統(tǒng)在鏡像翻轉后保持不變，那么我們稱宇稱守恒。

吳健雄的實驗考察的是自旋朝同一個方向排列的Co原子(核)，Co會發(fā)生衰變，放出電子。如果對這個系統(tǒng)進行鏡像操作，那么放出的電子的運動方向會相對于鏡面發(fā)生翻轉，而核自旋方向會保持不變。

如果宇稱是守恒的，那么鏡像操作前后系統(tǒng)應保持不變，那么相對于Co核自旋的方向朝前發(fā)出的電子數(shù)應該等于朝后發(fā)出的電子數(shù)。

但是，朝前發(fā)出的電子數(shù)不等于朝后發(fā)出的電子數(shù)。所以宇稱不守恒。這個結果震動了物理學界，也揭示了深刻的自然規(guī)律。

10

引力波和γ射線暴聯(lián)合觀測

圖源Pixabay

廣義相對論預言了引力波的存在，2015年LIGO直接觀測到了雙黑洞并合產生的引力波。此外理論預言雙中子星并合也可以發(fā)出相對容易探測的引力波。

另一方面，上世紀60年代中期人們發(fā)現(xiàn)了宇宙中的γ射線暴，但是其產生機制尚不明確。有理論指出雙中子星并合可以產生γ射線暴。

于是引力波及其電磁對應體γ射線暴的聯(lián)合觀測引起廣泛的興趣。

2017 年 8 月 17 日，LIGO 和Virgo 探測器觀測到了雙中子星并合產生的引力波（后來指定為 GW170817）。費米衛(wèi)星獨立探測到γ射線暴（GRB 170817A），相對于合并時間有大約 1.7 秒的時間延遲。

這是第一次觀測到來自同一物理過程的引力波和γ射線暴，開啟了多信使天文學的時代，人們觀測宇宙的手段不只有電磁波，還包括了引力波。此外這次觀測也為探究中子星的內部結構提供了新的線索。

為了確認引力波和γ射線暴來自同一來源，這次觀測幾乎動用了全球的觀測設備。上面的幾個實驗是物理學大師智慧的展現(xiàn)，而這次觀測是全球科研人員合作的成果。

11

不容錯過的科學之旅

如果你沒有親眼見證上面的實驗

如果你也沒有親手嘗試過重復這些實驗

如果你也想體驗一下物理學家的科研之旅

現(xiàn)在機會來啦

中國科學院物理研究所公眾科學日將于今年5月18日舉辦！

中國科學院物理研究所公眾科學日是一年一度的大型公益性科普活動，面向社會公眾開放，組織開展包括國家重點實驗室開放、科普報告、趣味科學內容展示等形式多樣、內容豐富的科學文化傳播與交流活動。院士大咖講座、實驗室巡視、有趣的科學實驗應有盡有。

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參考資料

[1] COOPERSMITH J. Energy, the subtle concept: The discovery of feynman’s blocks from leibniz to einstein[M]. Oxford University Press, 2015.

[2] DEMTR?DER W. Graduate texts in physics: Atoms, molecules and photons : an introduction to atomic-, molecular-, and quantum-physics[M]. 2ed. ed. Springer,2010.

[3]Martin, Brian R., and Graham Shaw. Nuclear and particle physics: an introduction. John Wiley & Sons, 2011.

[4]Wen, Jiaxing, et al. "GRID: a student project to monitor the transient gamma-ray sky in the multi-messenger astronomy era." Experimental Astronomy 48 (2019): 77-95.

[5]Abbott, Benjamin P. "Multi-messenger observations of a binary neutron star merger." (2017).

編輯：利有攸往

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