32个改变世界的物理实验

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物理实验已经不可撤销地改变了世界，改变了我们的现实，使我们能够巨大的技术飞跃。从远古时代到现在，以下是有史以来一些最伟大的物理实验。

能源保护

节能 - 不能创造或破坏能量的想法，只有转化 - 是物理学最重要的定律之一。詹姆斯·普雷斯科特（James Prescott Joule）证明了这一规则热力学第一法当他用水装满一个大容器并在其中固定桨轮时。车轮被轴将其固定在适当的位置，并在其周围有一根绳子，然后在皮带轮上循环并固定在重量上，当掉落时，它会导致车轮旋转。通过用轮子晃动水，焦耳证明了车轮运动中水获得的热能等于减轻重量而损失的势能。

电子电荷的测量

作为电荷的基本载体，电子的电力量最小。但是这些颗粒确实很小，质量比已经微调的质子小1,838倍。

那么，您怎么能衡量这么小的东西的费用呢？物理学家罗伯特·米利肯（Robert Millikan）的回答是，将电动的油滴滴在电容器的板上，并调整电容器的电压，直到发出的电场发射的电场对某些平衡的重力产生了力，从而使它们悬挂在空中。重复不同电压的实验表明，无论滴剂的大小如何，其携带的总电荷都是基本数的倍数。 Millikan发现了电子的基本费用。

“金箔实验”揭示了原子的结构

一旦被认为是不可分割的，该原子在19世纪末和20世纪初通过一系列实验逐渐被划分并分裂。其中包括JJ Thomson 1897年对电子和詹姆斯·查德威克（James Chadwick）1932年对中子的识别的发现。但是，这些实验中最著名的也许是汉斯·盖格（Hans Geiger）和欧内斯特·马斯登（Ernest Marsden）的“金箔实验。”在欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）的指挥下，学生在一块薄薄的金箔上发射了带正电荷的阿尔法颗粒。令他们惊讶的是，颗粒经过，揭示了原子，该原子由一个带正电荷的核组成，该核由它们的轨道电子隔开，由大量的空空间隔开。

核链反应

到20世纪中叶，科学家已经意识到原子的基本结构，根据爱因斯坦的说法，物质和能量是同一事物的不同形式。这为恩里科·费米（Enrico Fermi）战时工作奠定了基础，后者在1942年证明了这一点原子可以分开以释放大量的能量。

费米（Fermi裂变反应。费米（Fermi）在不稳定的同位素铀235上发射了中子，导致其在不断增长的链反应中裂开并释放更多的中子。该实验为开发核反应堆铺平了道路，并被J. Robert Oppenheimer和曼哈顿项目建造第一枚原子弹。

波粒偶性

（图片来源：Pieter Kuiper，公共领域，通过Wikimedia Commons）

最著名的实验之一物理也是一种以令人不安的简单性来说明量子世界的奇异性。该实验由两个缝隙组成，电子将通过它们传播以在屏幕上创建干扰模式，例如波浪。当科学家将探测器放置在屏幕附近时，他们被惊呆了，发现其存在导致电子将其行为转换为粒子的作用。

最初由托马斯·杨（Thomas Young）表现出光的波性质，后来在20世纪被物理学家使用了该实验，以表明所有颗粒，包括光子，同时是波浪和颗粒 - 直接测量它们时它们的作用更像粒子。

将白光分成颜色

白光是彩虹的所有颜色的混合物，但是在1672年之前，光的综合性质是完全未知的。艾萨克·牛顿（Isaac Newton）通过使用不同量的不同波长或颜色的棱镜来确定这一点，将白光分解为复合颜色。结果是科学史上最著名的实验之一，并发现了牛顿的其他贡献，诞生了现代的光学领域。

发现重力

据说，在整个科学中最广泛重复的故事中，牛顿在考虑到苹果树的阴影下的重力理论。根据传说，当一个苹果摔倒并撞到头上时，他据说大喊“尤里卡！”当他意识到使苹果滚动到地球的同一支力量也使月球围绕着我们的星球和地球绕着太阳盘旋。当然，这种力量将被称为重力。

但是，这个故事略微点缀。根据牛顿自己的说法，苹果没有让他震惊，在发现时他说的话或他说什么，没有记录。尽管如此，这一实现导致牛顿于1687年发展了他的重力理论，爱因斯坦在228年后的一般相对论理论进行了更新。

黑体辐射

到20世纪初，许多物理学家（具有解释重力，力学，热力学和电磁场行为的高级理论）充满信心，他们相信他们已经征服了绝大多数领域。但是仍然存在一个令人不安的怀疑根源：理论预测了一个“黑体”的存在 - 一个能够吸收然后恢复所有事件辐射的对象。问题是物理学家找不到它。

实际上，来自黑色身体的近似值的实验数据（一个带有一个孔的盒子，其内壁是黑色的盒子）表明，黑色机构从黑体中发出的能量明显少于古典理论，这使科学家们相信，尤其是在较短的波长下。实验和理论之间的矛盾被称为“紫外线灾难”。

这一发现促使Max Planck提出，黑体发出的能量不是连续的，而是分为离散的整数块，称为Quanta。他的激进提议催化了量子力学，其奇异的规则对生活在宏观世界中的观察者完全没有直觉。

爱因斯坦和日食

1915年出版后，爱因斯坦的一般理论相对论简而言之，这是一种理论。然后，在1919年，天文学家亚瑟·埃丁顿爵士（Arthur Eddington）爵士使用该年的总数设计并完成了令人惊叹的证据日食。

爱因斯坦理论的关键是，强大的引力力量扭曲了空间，因此，光线以及光所遵循的道路。因此，随着月亮的阴影在太阳前面，爱丁顿从几内亚湾的普林西普岛上的有利位置记录了附近的星星的位置。通过将这些位置与他晚上在没有天空中没有阳光的情况下录制的那些位置进行比较，爱丁顿观察到，它们因太阳的重力而被略微移动，从而完成了他令人惊叹的爱因斯坦理论的证明。

希格斯玻色子

1964年，彼得·希格斯（Peter Higgs希格斯玻色子。

为了搜索玻色子，成千上万的粒子物理学家计划，构造和射击大型强子对撞机。 2012年，经过数万亿美元的碰撞，将两个质子以近光粉碎在一起后，物理学家终于斑玻色子的讲述签名。

称重世界

尽管他可能以发现氢的发现而闻名，但18世纪的物理学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）最聪明的实验准确地估计了我们整个星球的重量。 Cavendish使用一种称为扭转平衡的特殊设备（两根杆，一对较小和一对较大的铅球），测量了质量之间的引力吸引力微量的力。然后，通过测量一个小球的重量，他测量了它与地球之间的重力，为他提供了一个简单的公式来计算我们的行星的密度，因此（因此，它的重量）至今仍是准确的。

质量保护

就像能量一样，我们的宇宙中的物质是有限的，不能创建或破坏，只能重新排列。 1789年，为了得出这个令人惊讶的结论，法国化学家安托万·拉沃西耶（Antoine Lavoisier）在密封的玻璃罐中放了一支燃烧的蜡烛。蜡烛燃烧并融化成蜡的水坑后，Lavoisier称重了罐子及其内容物，发现它没有改变

比萨实验的倾斜塔

希腊哲学家亚里斯多德认为，物体以不同的速度降低，因为对它们的作用对较重的物体来说更强大 - 这一说法持续了一千年。

然后出现了意大利多层伽利略·加利利（Galileo Galilei），他通过表明两个具有不同质量的物体的速度完全相同的对象来纠正亚里士多德的虚假主张。一些人声称伽利略的著名实验是通过从比萨倾斜塔上掉下两个球来进行的，但另一些人则说，这个故事的这一部分是伪经。尽管如此，该实验也许是阿波罗15宇航员戴维·斯科特（David Scott）最著名的，他在月球上放下羽毛和锤子时，表明没有空气，这两个物体以相同的速度下降。

引力波的检测

如果重力为爱因斯坦预测的时空扭曲，那么两个极密集的物体的碰撞，例如中子星或黑洞，还应在空间中产生可检测的冲击波，从而揭示出光线看不见的物理。问题在于，这些引力波很小，通常是质子或中子几千分之一的大小，因此检测它们需要非常敏感的实验。

输入LIGO，即激光干涉仪重力波观测站。 L形检测器具有两个2.5英里长（4 km）的臂，其中包含两个相同的激光束。当引力波在我们的宇宙海岸圈圈时，一只手臂中的激光被压缩并扩展，并提醒科学家对波浪的存在。在2015年，Ligo完成了任务，使首先直接检测引力波并为宇宙打开一个全新的窗口。

破坏地中心主义

地球绕太阳绕的想法可以追溯到公元前五世纪，再到希腊哲学家hicetas和Philolaus。尽管如此，克劳迪乌斯·托勒密（Claudius Ptolemy）的信念是，地球是宇宙的中心，后来扎根并统治了一千年的科学思想。

然后是尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus），他提出地球确实围绕太阳而不是相反。伽利略后来为此提供了具体证据，伽利略在1610年通过望远镜凝视着观察金星穿过不同阶段的星球，这也证明了这也绕了太阳。伽利略的发现并没有赢得他与天主教会的任何朋友，这使他为他的非正统提议而异端。

福柯的摆

著名的摆在法国物理学家让·贝尔纳德·福柯（JeanBernardLéonFoucault）于1851年首次使用，由一个装有沙子的黄铜鲍勃（Bob）组成，并由天花板上的电缆悬挂。当它来回摆动时，随着时间的流逝，通过沙子追踪的线的角度变化了 - 明确的证据表明，一些未知的旋转导致其移动。这种旋转是地球上轴的旋转。

电子的发现

在19世纪，物理学家发现，通过在玻璃管内部创建真空并通过其发电，它们可以使管子散发出荧光灯。但是，尚不清楚造成这种效果的原因是所谓的阴极射线。

然后，在1897年，物理学家JJ Thomson发现，通过将磁场应用于管子内的光线，他可以控制它们行进的方向。这一启示表明，汤姆森（Thomson）的电荷来自小颗粒，比氢原子小1,000倍。终于找到了微小的电子。

小行星的挠度

在2022年，NASA科学家故意将1,210磅重的（550公斤），3.14亿美元的双小行星重定向测试（DART）航天器撞到了天文学的“公牛”中，击中了小行星二摩托与中心仅56英尺（17米）的小行星。该测试的设计目的是查看沿着计划的轨迹推动的小航天器是否可以给出足够的交货时间，将小行星从潜在的灾难性影响中重定向到地球。

飞镖取得了成功。该探测器的最初目标是将二氧化合物围绕其较大的伙伴（2,560英尺宽（780 m）的小行星Didymos）更改为至少73秒，但该航天器实际上改变了Dimorphos'轨道的惊人32分钟。 NASA称这场碰撞是为了进行行星防御的流域时刻，这是人类第一次证明能够转移世界末日的人，而没有布鲁斯·威利斯（Bruce Willis）的任何帮助。

法拉第归纳

1831年，迈克尔·法拉迪（Michael Faraday）是一个在英格兰农村农村出生的铁匠的自学成才的儿子，他提出了电磁诱导法。该定律是法拉第的三个实验的结果，其中最著名的是磁铁在线圈内部通过将电线包裹在纸缸上制成的线圈。当磁铁在气缸内移动时，它通过线圈诱导了电流 - 证明电场和磁场是密不可分的，并为发电机和设备铺平了道路。

测量光速

光是我们宇宙中最快的东西，这使得测量其速度成为独特的挑战。 1676年，丹麦天文学家奥利·罗默（Ole Roemer）在研究木星最内向的月亮IO时，偶然估计了Light的传播。通过计时木星的IO日食，罗默希望找到月球的轨道时期。

他注意到的是，随着地球的轨道更靠近木星，连续的日志之间的时间间隔变得更短。罗默（Roemer）的关键见解是，这是由于光速有限，他根据地球轨道大致计算了这一点。其他方法后来完善了对光的速度的测量，最终达到其当前值2.98×10^8米（每秒约186,282英里）。

调解“发光以太”

大多数波浪，例如声波和水波，都需要介质才能通过。在19世纪，物理学家也认为相同的规则也适用于光线，电磁波穿过无处不在的介质被称为“发光醚”。

阿尔伯特·米歇尔森（Albert Michelson）和爱德华·W·莫利（Edward W.他们设置了一个干涉仪实验，该实验使用镜子沿两个相对的方向拆分光束，然后用远方的镜子向后弹回。如果光束在不同的时间返回，则醚是真实的。

但是其干涉仪内部的光束没有变化。米歇尔森（Michelson）和莫利（Morley）得出结论，他们的实验失败了，并转向了其他项目。但是，爱因斯坦在他的特殊相对论理论中使用了最终反驳的以太理论的结果，以正确地说明，即使其来源正在移动，光线通过固定介质的速度也不会改变。

发现放射性

1897年，玛丽·库里（Marie Curie）在与丈夫皮埃尔（Pierre）一起工作时，开始调查一种奇怪的新型辐射的来源。玛丽·库里（Marie Curie）发现，这些元素发出的辐射不取决于任何其他因素，例如它们的温度或分子结构，而是纯粹基于其数量而改变。在磨碎一种更具放射性的物质（称为PitchBlende）的同时，她还发现它由她称为镭和polonium的两个元素组成。

居里的作品揭示了放射性的性质，这是原子的真正随机特性，它来自其内部结构。居里赢了诺贝尔奖（两次）为了发现她的发现 - 使她成为第一个这样做的女人 - 后来训练了医生使用X射线来对骨折的骨头和子弹伤物形象。她于1934年因辐射暴露引起的疾病而死亡。

扩展宇宙

在使用加利福尼亚的100英寸妓女望远镜研究1929年遥远星系的光线时，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）进行了令人惊讶的观察：遥远星系的光似乎转向了光谱的红色端 - 这表明它们是从地球上恢复的。一个星系越远，它移开的速度就越快。

哈勃的观察成为了关键的证据大爆炸理论我们的宇宙。对于星系衰退的精确度量，称为哈勃常数，至今仍困扰科学家。

简而言之，宇宙确实在扩大，但取决于宇宙学家的看法，它以不同的速度这样做。过去，测量膨胀率的两个最佳实验是欧洲航天局的普朗克卫星和哈勃太空望远镜。这两个观测值（每种观测值都使用不同的方法来测量膨胀率）得出了不同的结果。这些相互矛盾的测量导致了某些人所说的“宇宙危机”这可以揭示新的物理学，甚至取代宇宙学的标准模型。

核融合点火

2022年，加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的国家点火设施（NIF）的科学家使用了世界上最强大的激光来实现物理学家在近一个世纪中一直梦想着的东西：核融合点火燃料弹丸。

该示威是第一次从核反应堆火热核心中流出的能量超过了激光的能量，并且一直在召集融合科学家的呼吁，即近距离且清洁能力的遥远目标实际上是可以实现的。

然而，科学家警告了来自等离子体的能量仅超过激光器的能量，而不超过整个反应器的能量。此外，NIF反应器使用的激光填充方法（用于测试炸弹发育的热核爆炸）将很难扩大。

地球周长的测量

大约公元前500年，大多数古希腊人都认为世界是圆形的 - 援引亚里士多德提供的证据，并在毕达哥拉斯的建议下指导，他认为球体是我们星球上最令人愉悦的形状。

然后，大约公元前245年，Cyrene的Eratosthenes想到了一种直接进行测量的方法。 Eratosthenes雇用了一支由同等长度的台阶行走来衡量距离的专业测量师团队，从Syene到Alexandria。他们发现两个城市之间的距离大约为5,000个体育场。

然后，埃拉托森（Eratosthenes）参观了Syene的一口井，据报道有一个有趣的财产：每年夏至中午，太阳照亮了井的底部，而没有施放任何阴影。在冬至期间，埃拉托森（Eratosthenes）去了亚历山大（Alexandria），将一根杆子塞在地面上，并测量了一个完整圆圈的阴影约为五十五。将其与他在两个城市之间的距离之间进行的测量，他确定地球的周长约为250,000个体育场，即24,497英里（39,424公里）。现在，众所周知，地球可以在赤道周围尺寸为24,901英里（40,074公里），使古希腊人的测量值非常准确。

发现黑洞

爱因斯坦的一般相对论理论的接受导致了关于我们宇宙和现实本质的一些令人震惊的预测。 1915年，卡尔·施瓦茨（Karl Schwarzschild）对爱因斯坦（Einstein）田间方程的解决方案预测，质量可能会被压缩到如此小的半径中，以至于它会塌陷成引力奇异性，甚至没有光线也无法逃脱 - 黑洞。

Schwarzschild的解决方案一直猜测，直到1971年，Paul Murdin和Louise Webster使用NASA的Uhuru X射线探险家卫星卫星来识别他们正确争辩的Cygnus中明亮的X射线源是黑洞。

更确定的证据是在2015年，当时Ligo实验检测到来自两个碰撞宇宙怪物的引力波。然后，在2019年，活动地平线望远镜捕获了第一个图像在Galaxy M87中心的超大质量黑洞周围的过热物质的积聚盘。

发现X射线

在测试阴极射线产生的辐射是否可以在1895年通过玻璃逃脱时，德国物理学家WilhelmConradRöntgen看到辐射不仅可以这样做，而且还可以通过非常厚的物体拉链，在铅屏上留下阴影。他很快意识到这些射线的医疗潜力（后来称为X射线）用于成像骨骼和器官。他的观察结果诞生了放射学领域，使医生能够安全，无创扫描肿瘤，骨骼骨折和器官衰竭。

铃铛测试

1964年，物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）提出了一项测试，以证明量子纠缠- 量子理论要求，爱因斯坦反对“远距离怪异作用”的两个远距离粒子之间的怪异瞬时连接。

自贝尔首次提出以来，该测试已经采取了许多实验表格，但是发现仍然相同：尽管我们的直觉告诉我们，但宇宙中一个部分中发生的事情会立即影响另一个区域中的对象，但每个区域中的对象都纠缠在一起。

检测夸克

1968年，在斯坦福线性加速器中心进行的实验发现，电子及其Lepton Cousins，Muons，以独特的方式从质子散射，只能通过由较小的组成的质子来解释。这些发现与物理学家穆雷·盖尔·曼（Murray Gell-Mann）的预测相吻合，后者在詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的《芬妮根唤醒》（Finnegans Wake）的一条线上称其为“夸克”。

阿基米德（Archimedes）从他的浴缸中裸体飞跃

阿基米德（Archimedes）在公元前第一世纪首次录制，阿基米德（Vitruvius）的浮力发现是科学中最著名的故事之一。阿基米德（Archimedes）发现的提示来自锡拉丘兹（Syracuse）的希隆国王（King Hieron），他怀疑铁匠为他制作的纯金皇冠实际上含有银。为了获得答案，希隆邀请了阿基米德的帮助。

这个问题使阿基米德斯（Archimedes）陷入困境，但不久之后，随着故事的发展，他用水装满了一个浴缸，并注意到当他进去时的水溢出。这使他意识到，由于他的身体流离失所的水与他的体重相等，因为金的体重比银色重，他发现了一种判断皇冠真实性的方法。 “尤里卡！” （“我知道了！”）据说阿基米德哭了起来，从他的浴缸跳下来宣布他的发现向国王。