我們知道，物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，新的物理現(xiàn)象通常在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，另一方面，只有能夠給出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)日將在5月18日舉辦，相關(guān)內(nèi)容也在緊鑼密鼓籌備中！在活動(dòng)中大家將有機(jī)會(huì)觀看驚心動(dòng)魄的實(shí)驗(yàn)秀，還可以參與各種有趣的互動(dòng)實(shí)驗(yàn)，肯定是一場(chǎng)精彩絕倫的科學(xué)盛宴?。ㄒ徽麄€(gè)期待住了

在公眾科學(xué)日到來(lái)之前，讓我們先了解物理學(xué)發(fā)展歷程中較為重要的十個(gè)實(shí)驗(yàn)吧。

01

伽利略的加速度測(cè)定實(shí)驗(yàn)

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(shí)性還存在爭(zhēng)議。

但是伽利略對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)的研究則毫無(wú)疑問(wèn)在物理學(xué)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(diǎn)，通過(guò)研究斜面上物體下落的規(guī)律來(lái)外推物體豎直下落的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最重要的是，他首先意識(shí)到時(shí)間可以作為一個(gè)參數(shù)引入公式中。一旦他將時(shí)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(shí)間內(nèi)走過(guò)的距離，正比于時(shí)間的平方，也就是著名的勻加速直線運(yùn)動(dòng)位移-時(shí)間關(guān)系。

02

牛頓棱鏡分光實(shí)驗(yàn)

圖源Wikipedia

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

當(dāng)時(shí)，大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為白光是一種單一顏色的光。這一發(fā)現(xiàn)則糾正了當(dāng)時(shí)科學(xué)家的這個(gè)固有觀念，讓后世的人們認(rèn)識(shí)到，白光其實(shí)是由各種不同顏色的光混合形成的。

如今我們已經(jīng)知道，同種介質(zhì)中不同顏色的光的折射率不同，在棱鏡表面發(fā)生折射時(shí)發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，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(shí)驗(yàn)

圖源Wikipedia

卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)是由英國(guó)物理學(xué)家亨利·卡文迪許于1797年至1798年進(jìn)行的一項(xiàng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)量萬(wàn)有引力常數(shù)。

卡文迪許的實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)扭秤，該扭秤由一根長(zhǎng)桿水平懸掛在一根絲上，兩端各掛一個(gè)鉛球(甲球)。另外兩個(gè)鉛球(乙球)單獨(dú)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(zhuǎn)。平衡時(shí)，扭秤的力矩和鉛球之間的萬(wàn)有引力平衡，根據(jù)扭秤的偏轉(zhuǎn)角度卡文迪許可以得到鉛球之間的萬(wàn)有引力，進(jìn)一步可以得到引力常數(shù)。

04

法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

圖源Wikipedia

法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)，提供了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的可能性，并且為后來(lái)的電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ)。

他用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流在一根導(dǎo)線中開始流動(dòng)時(shí)，鐵芯另一側(cè)的線圈中會(huì)產(chǎn)生電流。他觀察到，當(dāng)他將左側(cè)電線連接到電池或斷開電池連接時(shí)，電流計(jì)的指針測(cè)量到了右側(cè)導(dǎo)線上的瞬態(tài)電流。?這種感應(yīng)電流是由于連接和斷開電池時(shí)發(fā)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化引起磁通量變化。此外，他還觀察到當(dāng)他快速地將條形磁鐵插入線圈或離開線圈時(shí)，電流計(jì)顯示瞬態(tài)電流的產(chǎn)生。

05

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

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

而托馬斯·楊的實(shí)驗(yàn)為波動(dòng)學(xué)說(shuō)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。托馬斯·楊使太陽(yáng)光通過(guò)一個(gè)小孔，并用狹縫將細(xì)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(dòng)理論認(rèn)為，當(dāng)兩列光波相遇時(shí)，來(lái)自兩列波的振動(dòng)在空間的每個(gè)點(diǎn)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(huì)相互增強(qiáng)，從而產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉和更高的光強(qiáng)。相反，如果一個(gè)波的波峰與另一波的波谷對(duì)齊（相位相差π的奇數(shù)倍），它們就會(huì)相互抵消，導(dǎo)致相消干涉和較低的光強(qiáng)。

06

密立根油滴實(shí)驗(yàn)

圖源Wikipedia

密立根通過(guò)如圖的實(shí)驗(yàn)裝置成功測(cè)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?cè)陔妶?chǎng)中的行為。

在實(shí)驗(yàn)中，油滴被噴入一個(gè)封閉容器，通過(guò)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(gè)均勻的電場(chǎng)。板間的油滴受到電場(chǎng)力的作用，向上或向下運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)調(diào)整電場(chǎng)的強(qiáng)度，可以達(dá)到電場(chǎng)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(guò)分析平衡狀態(tài)下油滴的重力和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，可以得到元電荷的大小。

07

焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)

圖源Wikipedia

物理學(xué)家焦耳曾設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量熱功當(dāng)量。他在裝水的瓶子里安裝槳葉，一重物下降帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，攪動(dòng)瓶中的水，水受到攪動(dòng)溫度升高，測(cè)量水的溫度升高量，可以計(jì)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(guān)系，就得到了熱功當(dāng)量。焦耳的實(shí)驗(yàn)定量地確認(rèn)了熱和功的等價(jià)關(guān)系，為“熱動(dòng)說(shuō)”提供了強(qiáng)有力的支持。

后世更精確的實(shí)驗(yàn)給出1卡路里的熱相當(dāng)于4.18焦耳的功，大家可能注意到了，這個(gè)數(shù)值為什么和水的比熱容那么像？沒(méi)錯(cuò)，實(shí)際上，熱功當(dāng)量這個(gè)物理量就是水的比熱容。

08

弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)

圖源[2]

弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證玻爾原子模型中的能級(jí)理論。

在弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中，氣態(tài)汞被放置在真空管中，管內(nèi)包含兩個(gè)電極。一個(gè)電極被加熱以產(chǎn)生熱電子，并被電場(chǎng)加速。這些電子通過(guò)一個(gè)正電壓區(qū)域，然后進(jìn)入另一個(gè)電極。在這個(gè)過(guò)程中，電子與汞原子碰撞，將能量傳遞給汞原子。

通過(guò)測(cè)量在不同電壓(對(duì)應(yīng)電子初始動(dòng)能)下電子產(chǎn)生的電流(對(duì)應(yīng)電子與汞原子碰撞后的動(dòng)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(shí)的電壓值正好與玻爾模型中預(yù)測(cè)的汞原子能級(jí)之間的能量差相匹配。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了玻爾原子模型中的能級(jí)理論，為量子力學(xué)的建立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

09

吳健雄宇稱不守恒實(shí)驗(yàn)

吳健雄的實(shí)驗(yàn)證明了弱相互作用的宇稱不守恒。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，宇稱就是描述物理系統(tǒng)在進(jìn)行空間鏡像翻轉(zhuǎn)時(shí)是否保持不變的性質(zhì)。如果物理系統(tǒng)在鏡像翻轉(zhuǎn)后保持不變，那么我們稱宇稱守恒。

吳健雄的實(shí)驗(yàn)考察的是自旋朝同一個(gè)方向排列的Co原子(核)，Co會(huì)發(fā)生衰變，放出電子。如果對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行鏡像操作，那么放出的電子的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)相對(duì)于鏡面發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而核自旋方向會(huì)保持不變。

如果宇稱是守恒的，那么鏡像操作前后系統(tǒng)應(yīng)保持不變，那么相對(duì)于Co核自旋的方向朝前發(fā)出的電子數(shù)應(yīng)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(gè)結(jié)果震動(dòng)了物理學(xué)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(cè)

圖源Pixabay

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

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

于是引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體γ射線暴的聯(lián)合觀測(cè)引起廣泛的興趣。

2017 年 8 月 17 日，LIGO 和Virgo 探測(cè)器觀測(cè)到了雙中子星并合產(chǎn)生的引力波（后來(lái)指定為 GW170817）。費(fèi)米衛(wèi)星獨(dú)立探測(cè)到γ射線暴（GRB 170817A），相對(duì)于合并時(shí)間有大約 1.7 秒的時(shí)間延遲。

這是第一次觀測(cè)到來(lái)自同一物理過(guò)程的引力波和γ射線暴，開啟了多信使天文學(xué)的時(shí)代，人們觀測(cè)宇宙的手段不只有電磁波，還包括了引力波。此外這次觀測(cè)也為探究中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了新的線索。

為了確認(rèn)引力波和γ射線暴來(lái)自同一來(lái)源，這次觀測(cè)幾乎動(dòng)用了全球的觀測(cè)設(shè)備。上面的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)大師智慧的展現(xiàn)，而這次觀測(cè)是全球科研人員合作的成果。

11

不容錯(cuò)過(guò)的科學(xué)之旅

如果你沒(méi)有親眼見(jiàn)證上面的實(shí)驗(yàn)

如果你也沒(méi)有親手嘗試過(guò)重復(fù)這些實(shí)驗(yàn)

如果你也想體驗(yàn)一下物理學(xué)家的科研之旅

現(xiàn)在機(jī)會(huì)來(lái)啦

中國(guó)科學(xué)院物理研究所公眾科學(xué)日將于今年5月18日舉辦！

中國(guó)科學(xué)院物理研究所公眾科學(xué)日是一年一度的大型公益性科普活動(dòng)，面向社會(huì)公眾開放，組織開展包括國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放、科普?qǐng)?bào)告、趣味科學(xué)內(nèi)容展示等形式多樣、內(nèi)容豐富的科學(xué)文化傳播與交流活動(dòng)。院士大咖講座、實(shí)驗(yàn)室巡視、有趣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)有盡有。

公眾科學(xué)日究竟有什么？點(diǎn)擊下面的視頻，我們一起來(lái)看看往年的盛況吧！

這里不僅有酷炫的大型實(shí)驗(yàn)秀

還有豐富多彩的互動(dòng)小實(shí)驗(yàn)

你不僅可以聆聽(tīng)科學(xué)家的精彩講座

還有機(jī)會(huì)親自走進(jìn)最前沿的實(shí)驗(yàn)室，近距離感受科學(xué)研究的魅力

如果你想新手體驗(yàn)精彩的互動(dòng)實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)證科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，如果你想了解當(dāng)代科學(xué)前沿問(wèn)題，接近科學(xué)探索的最前線

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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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