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《薛定谔的猫:改变物理学的50个实验》 哈特·戴维斯著 阳曦译
Schrodinger's cat Groundbreaking Experiments in science
@qiusir:查了下,Adam Hart-Davis写过薛定谔的猫、巴普洛夫的狗和斐波那契的兔子...知乎上有人整理了更多,芝诺的乌龟,[?]
前言
物理可能是最古老的科学。天文学总是走在科学的最前沿...1600年左右,望远镜让天文学迈上了新的台阶,但天文学家不做实验。
1543年,哥白尼提出石破惊天的日心说,67年后,观察到木星卫星的伽利略义无反顾地加入了拥护他的阵营。伽利略做了一系列突破性的实验,他之后的罗伯特·波义尔和艾萨克·牛顿为化学和物理学奠定了坚实的基础。在这个时期,欧洲是物理学研究的中心,德国更是天才云集的重镇,不过美国人很快赶上,独占鳌头,这样的局面一直延续到了今天。

一、早期实验:公元前430-1307
古代的中国人是伟大的发明家...1054年,他们就曾观测到超新星爆炸。相比之下,古希腊人对通用科学更感兴趣,亚里士多德侧重于理论研究,但恩培多克勒、阿基米德和埃拉托斯特尼却做过一些简单优雅的实验。不过,要说最早的真正的科学家,恐怕还得数11世纪的阿拉伯人海什木。
1、约公元前430 空气算是“物质”吗?——恩培多克勒
泰勒斯认为水是万物之母。公元前5世纪希腊哲学家恩培多克勒宣称,一切物质都来自四种基本元素(根)的组合,它们分别是土、气、火和水。爱将它们结合在一起,但总有纷扰会将它们拆开,这才有了万物的变化和流转。
“淹没的水钟”,陶壶的底部有一个孔,水可以从里面流出来,堵上壶底的小孔,倒扣过来按入水里,完全淹没。等把陶壶从水里拿出来的时候,内底完全是干的,所以一定有什么东西把水挡在了外面。那么空气自然是一种物质,并非“什么都不是”。(当透明的玻璃或塑料发明出来后,这个实验就更明显了,说明科技进步后的一些探究更容易了,容易到成为新的常识,当然科技会让探究更深入...)
恩培多克勒相信自己能够永生不朽,直接跳进了冒着烟的火山口...
2、约公元前240 浴盆里的水为什么会溢出来?——阿基米德
公元前287年左右,阿基米德出生在西西里岛的叙拉古,他最引以为傲的成就就是证明了一个球刚好能放进一个圆柱体,两者的表面积和体积之比都是2/3,并要求后人刻在墓碑上。137年后,罗马演说家西塞罗正好发现了了这块墓碑...
(“教育的目的是让学生们摆脱现实的奴役,而现在的年轻人正意图做着相反的努力——为了适应现实而改变自己。”西塞罗)
暴君希伦二世的王冠...
(The most exciting phrase to hear in science, the one that heralds new discoveries, is not 'Eureka!' but 'That's funny...' - Isaac Asimov)
3、约公元前230 如何测量地球?——埃拉托斯特尼
古希腊人知道地球是圆的,港口出发的船舶总会慢慢消失在海天交界的地方,他们发现月食是因为月球被地球的影子遮住。大约公元前240年,埃拉托斯特尼被任命为亚历山大大图书馆馆长...
塞尼城(阿斯旺)的盛夏的中午,一口深井的井底能看到太阳投下的倒影,意味着阳光的角度正好和井口垂直,他回到亚历山大,测得插入地下的棍子和影子定点的角度,估算的地球周长和今天测量的结果相差无几...他还阿基米德过从甚密,阿基米德曾离开西西里远赴埃及拜访过埃拉托斯特尼...
4、1021年 光是怎样传播的?——海什木
阿拉伯学者海什木是最早进行系统性实验的科学家之一,公元965年出生在伊拉克的巴士拉。毛遂自荐整治尼罗河泛滥失误怕被暴君哈里发砍头装疯被囚禁...
欧几里得(前330年)、托勒密(公元90年)等人曾提出,要看见某件物品是因为我们的眼睛会向外射出一束光,亚里士多德(公元前384年)则认为物体的影子会直接投射到我们的眼睛里。海什木说,“如果一束光照亮了一件有颜色的物品,那么所有的颜色和光一定都来自最初的光源。”海什木猜测光可能是沿直线传播的,他设计了暗箱,实际上就是一个小黑屋,其中一侧的遮光板有个小孔,对面是一堵白墙。墙上的图像是颠倒的,活动的,而且还有颜色。(我就不查墨子和小孔成像的关系等了,要找来王小波的《红拂夜奔》来读读)(我们的古代人那么厉害,怎么后来没有出什么大科学家,如果不是一开始的厉害就是方向错了,那么,或者说当初的所谓的厉害,不过是一个木乃伊被化妆成豆蔻少女了呢)
5、1307年 彩虹的颜色从哪儿来?——狄奥多里克
德国人狄奥多里克大约出生在1250年之前的某个时间...提出了一套原创的颜色理论,四种主色,红和黄是清晰的,蓝和绿是模糊的。
狄奥多里克将一个很大的圆玻璃烧瓶装满水来模仿雨滴,然后透过烧瓶观察太阳。抬头和低头的时候,烧瓶内部出现了同样的色带,但两次的顺序是颠倒过来的。颜色是客观存在的物理现象,而不是仅仅存在于观察者眼睛里的主观幻影。
事实上,以太阳和你的头顶为两个定位点,绘制一条延伸至地面的直线,彩虹与这条线的夹角永远是42°,因此,太阳在地平线上的时候,彩虹与地面之间的夹角达到最大值42°...而且彩虹永远都是弧形的,只有在飞机上火山顶上观察时,你才有可能看见完整的圆形彩虹。(一直没去构造这个模型:()

二、启蒙时代:1308-1760
漫长的黑暗年代里,“为什么会出现这种现象?”“因为这是上帝的意志。”17世纪20年代,英国哲学家弗朗西斯·培根撰写了一系列著作,鼓励人们善用自身经验,通过实验来研究科学。在此之前,诺曼和伽利略已经举起了实验的大旗,不少人紧随其后,1687年牛顿出版《自然哲学的数学原理》
6、1581年 磁北极在哪里?——诺曼
在海上漂泊了近二十年后,罗伯特·诺曼在英国伦敦附近定居下来,成了一名设备制造商。他很了解磁偏角---罗盘的指针并不总是指向正北方---不过很快他又发现,除了水平偏角外,螺片指针还会往下沉。
小心切削穿着铁丝的软木塞,让它刚好悬浮在水中,然后再把铁丝用天然磁石磁化后再放到水中,“铁丝绕自己的中心旋转,与此同时,也出现了前面描述过的下倾...”
直到几年后,威廉·吉尔伯特才发现地球本身就是一块巨型磁铁。
7、1587年 大球和小球:谁坠落的速度更快?——伽利略
“自然哲学是用数学语言写成的,它的特征可以表达为三角形、圆形和其他几何图形。”
1581年伽利略注意到了单摆的等时性,1642年去世,关于座钟的设计仍然停留在纸面上,15年后,荷兰博学家克里斯蒂安·惠更斯才制造出了世界上第一座摆钟。
1589年伽利略开始思考亚里士多德的叙说,传说他爬上比萨斜塔的塔顶...
据我们所知,伽利略在一根木梁上挖了一道槽,然后打磨光滑,还在内表面蒙上了一层羊皮纸...利用这个倾斜的平面,伽利略实际上减缓了铜球坠落的速度,因此他可以方便地观察测量相关数值。开始靠自己的脉搏来计时,后来也用过水钟,最后想到用声音,在沟槽旁边安装了一排小铃铛,球滚过去的时候回发出清脆的声音...最后发现,如果相邻的铃铛之间的间隔分别为1、3、5、7、9个单位,那么铃铛被碰响的时间就差不多是均匀的,也就是说这些铃铛距离起点分别是1、4、9、16、和25个单位...
用伽利略自己的话来说,“从静止开始运动的物体在相等的时间段内获得的速度增量相同。”(爱因斯坦说伽利略最伟大的贡献是提出a的概念...)尽管伽利略的数学知识不足以让他推导出自由落体的运动公式,不过这位意大利科学家的确证明了大球和小球沿着斜坡向下滚动的速度完全相同,亚里士多德的理论实际上是错误的。(公元前384-公元1589,接近两千年来...)
8、1648年 山顶上的空气更稀薄吗?——帕斯卡
伽利略在去世(1642年)前不久听到水泵制造商说起,他们的水泵最多只能把水抽到大约9米的高度,伽利略对这个问题很感兴趣,去世之前还跟随侍在身边的学生托里拆利谈起过这件事。
托里拆利真空,但相信他的人寥寥无几,因为亚里士多德说过,“自然界讨厌真空”,所有真空完全就不可能存在。托里拆利还注意到水银柱随着天气的变化而变化,没有来得及发明气压计,1647年就去世了。(伽利略的随侍学生...)
法国的帕斯卡小时候就是赫赫有名的神童...他对托里拆利的工作很感兴趣...很想知道是什么力量让玻璃管内的液体始终维持在一定的高度,会是大气的重量吗?如果真是这样,山顶的大气压力应该比平地上小。帕斯卡说服了自己的连襟帮他完成实验,1648年测量得山顶的气压的确比山脚下更低。
帕斯卡还证明了杯底压强和高度正比,细管中注水会让底部的木桶压裂,指出密闭容器内的各处的压强始终相等,我们称之为帕斯卡原理。
9、1660年 轮胎为什么要充气?——波义耳
罗伯特·波义耳出生在爱尔兰,跟随一位法国导师游历欧洲,决心成为一名科学家,加入伦敦自然知识促进会,后来是今天的皇家学会。
马德堡市市长奥托·冯·格里克1654年制造出了一个气泵,希望借此展示真空的力量。1657年抽空了两个直径12英寸(30厘米)的铜半球,两组马都没有办法拉开。波义耳听说了克里克的实验,雇用了罗伯特·胡克的气泵,做了一系列的实验,1660年出版了《力学新实验:关于空气弹性及其效应的物理》
波义耳和胡克用气泵抽空了一个很大的钟形玻璃罐,气压可达不到正常气压的十分之一,两位科学家得出了下面的结果:
·燃烧的蜡烛会熄灭,说明火焰燃烧需要空气。
·外部观察者无法听见真空罐里面的铃铛发出的声音,所以声音需要空气才能传播。
·烧红的铁在真空中会继续发光,所以光的传播不需要空气。
·真空罐里的鸟和猫都死了,因此空气是生命的必需品。

波义耳的J形管实验,压力大体积小...(等温过程的波义耳定律,记得我读书时是波义耳马略特定律来着)
气压计的发明者是波义耳和胡克,而不是托里拆利,虽然他的确为两位指明了方向。
10、1672年 “白色”是一种颜色吗?——牛顿
1672年牛顿给皇家学会的信详细阐述了自己的棱镜实验。“我制造了一间暗室,然后在窗户的遮光板上凿了一个小洞,让一束阳光透过小洞照进暗室。接下来,我把棱镜放在光束中,将阳光折射到对面的墙上。”出生在1642年平安夜(更多是1643年1月4日)的牛顿宣布在光谱中观察到了7种颜色,大部分人觉得蓝色就是光谱的尽头,但下方还有细微的差异。或许牛顿的眼睛特别敏锐,或许他早就认定了颜色应该有七种,因为7在他心目中拥有神秘的重要地位。(如约前500年的毕达哥拉斯认定音律的和谐?)
“阳光由不同折射角度的光组成,根据折射角度的不同,这些光线在墙上投影形成色带。”“基于同样额原理,我们可以解释坠落的雨滴里为什么会出现彩虹。”
11、1676年 光速是有限的吗?——罗默
1672年丹麦科学家奥勒·罗默应邀离开哥本哈根前往巴黎,成了法国皇家数学家,还有一个任务是教导路易十四的儿子。卡西尼发现了土星环上的缺口...
1610年伽利略发现了木星最大的四颗卫星...
天文学家惊奇地发现,地球与木星之间距离最近时,我们看到木卫一的时间比木星刚刚出现在在视野中的时间早了11分钟;换句话说,木星分别位于近地点和远地点时,木卫一离开木星阴影的时间有11分钟的差别(原翻译是误差)。唯一可能的解释是,光需要11分钟的时间才能跑过这段距离。这是人类第一次测量光速。
罗默得到了牛顿和哈雷的赞同和支持,后来回到哥本哈根,成了皇家天文台台长。
12、1687年 “苹果砸头”的故事是真的吗?——牛顿
哈雷是牛顿为数不多的朋友...醉心历史、热爱考古的斯蒂勒里也是牛顿的朋友,他骄傲地记录1726年的一场对话:“我前去拜访艾萨克·牛顿爵士...并和他待了一整天。那天天气很好,晚饭后我们来到花园里,坐在苹果树下喝茶。牛顿告诉我,他之所以会想到引力的概念,最初的灵感来自树上掉落的苹果。苹果为什么总会垂直掉到地上,而不是向上飞,向左向右于东,或者沿斜线落地呢?”
1727年,牛顿的助手康杜特在他撰写的牛顿传记中同样提到了这件事:“1666年,牛顿再次离开剑桥,回到林肯郡的母亲家里。有一天,他满怀心事地在花园里散步,看到苹果后突然想到,引力不仅仅作用于地面上的这一点空间,它的延伸范围比我们通常以为的要远得多。”
所以牛顿至少给两个人讲过苹果的故事,不过这个时候距离事件已经有60年了,也许这个故事只是他自己随便编写的。(考虑到牛顿有多次以别人的名字写文章攻击莱布尼茨的前科,一般认为这是个杜撰的梗,想到一个新开的饭店会和乌鸦救主扯上关系。)
1674年,胡克就曾提出引力的概念,也几乎完成了相关的数学计算。牛顿不肯承认胡克能在任何事情上胜过自己,也许正是出于这个原因,他才编造额发生在多年前的苹果的故事,来证明自己在1666年想到万有引力的概念,比胡克早得多。(这个分析挺好)
13、1760年 冰是......热的?——布莱克
苏格兰裔的约瑟夫·布莱克生于法国南部,18世纪50年代初,仍在攻读博士学位的布莱克首次分离出纯净的气体,他得到的是二氧化碳,当时被人们称之为“凝固的空气”。
冰变成水需要吸收大量的热,直到冰完全融化以后,它的温度才会开始上升。布莱克区分能用温度计测量的显热和冰雪融化额外吸收的“潜热”,隐藏的热。并启发了他的朋友詹姆斯·瓦特发明了分离式冷凝器,由此大幅提高了蒸汽机的效率。

三、更广阔的领域:1761—1850
14、1774年 你能称出这个世界的质量吗?——马斯基林
牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中曾提到,单摆总会指向地心,不过要是附近有山,那么山峰质量产生的引力会让单摆产生微微的倾斜。八年后,皇家天文学家内维尔·马斯基林意识到,如果能够测量山的引力效应那么或许可以利用这种方法算出地球的质量。
15、1798年 你能(不借助山峰)称出这个世界的质量吗?——卡文迪许
约翰·米切尔原本是剑桥大学的地质学教授,1784年,在写给皇家学会的信里首次提出了黑洞的假设,还设计制造了一台测量地球质量的设备,但从未真正亲自动手测过,他把设备留给了他的朋友卡文迪许---有史以来最富裕的学者,也许是富人中最有学问的那一个。
1766年,卡文迪许成功分离了氢---这是人类有史以来得到的第二种纯净气体,氢气爆炸的唯一产物是水,由此猜测水的化学式,把这个结果告诉了瓦特,1783年,詹姆斯·瓦特发表了这项成果。
卡文迪许的实验用铅球取代了山作为引力的来源。卡文迪许知道小球的重量---也就是地球对小球的引力。如果能够测量大球对小球的引力,那么就能计算出地球质量与大球的质量比。(当时更吸引人的未必是G这个引力常数,而是地球究竟是多重。)
16、1799年 电池是如何发明的?——伏特
1780年,意大利科学家路易吉·伽伐尼提出动物是由电驱动的,亚历山德多·伏特对抽搐的青蛙腿很感兴趣...1799年伏特鼓捣出了电池的雏形。伏特的实验或许是科学史上最为重大的发现。
17、1803年 光会互相干涉吗?——托马斯·杨
有两个席位差别的音节同时奏响,你就能听见明显的节拍,因为声波会产生干涉。
没有任何证据表明杨曾经做过这个实验。
1961年,科学家发现电子也有同样的特性。
18、1820年 磁能产生电吗?——奥斯特和法拉第
1820年4月21日,哥本哈根大学的物理教授汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(安徒生也是汉斯...)正准备给学生上课,合上电池开关通电的时候,他发现桌上的罗盘指针轻轻动了一下。然后断开电流,罗盘指针又动了一下...这个发现并非完全偶然,因为他当时正在研究电与磁之间的关系。
法国科学院的安培听说了奥斯特的工作,于是立即行动起来,安培发现平行导线电流方向相同,这两条导线会相互排斥...奥斯特的发现也传到了伦敦的皇家研究所,戴维等试图利用这一原理制造电动机但没有成功,助手法拉第也开始思考电与磁之间的关系。1821年法拉第制造了一个玩具电动机。电动机的成功让法拉第兴奋不已,没有知会戴维的情况下直接就把这个结果发表出去额...
1829年戴维去世以后,法拉第终于可以自由地研究电和磁了,很快就发现了另一件事(1831年):磁铁可以诱使线圈产生电流...
法拉第几乎没有上过学,也没有接受过任何数学训练,但是,他用场线描绘了电磁场的形状。(接受了数学的训练或许就不会有这样的创造了)
1845年,法拉第通过实验证明,强磁场能够扭转偏振光的传播平面,后来还发现了某些物质对磁场产生了微弱的斥力...
19、1842年 声音能拉伸吗?——多普勒
1842年,38岁的多普勒发表了他一生中最重要的论文---《论天体中双星和其他一些星体的彩色光》,提出光以波的形式传播,光的颜色取决于波的频率。还表示,如果光源和观察者发生了相对运动,那么波的频率也会随之变化。
1848年,斐索发现,多普勒效应同样适用于电磁波。1929年,艾德文·哈勃利用多普勒效应---星系的红移---证明了宇宙在不断地膨胀。
20、1843年 让水变热需要多少能量?——焦耳
1841年出生在英格兰北部的焦耳发现载流体产生的热与电流强度的平方和导体的电阻乘积成正比。
在一次实验中,焦耳设计的配重行程长达11米,反复拉起又放下,重复了144次,但罐子里的水温只升高了区区几度。
1843年,焦耳在英国科学促进会上宣布自己的结论,但迎接他的却是岩石般的沉默,没有哪家主流期刊愿意发表他的研究成果。法拉第倒是对焦耳的理论有些兴趣,深受震撼,不过依然将信将疑。威廉·汤姆生也心存怀疑,不过后来和焦耳见了一面逐渐接受了。
焦耳曾说,“物质中蕴含的能量来自上帝的恩赐,所以人类当然无法创造或毁灭它。”出于某些很不科学的原因,焦耳首先提出了能量守恒的概念。
21、1850年 光在水里会变快吗?——斐索与傅科
1676年罗默就曾测量过光速;1729年布拉德雷又利用“光行差”的天文学方法重新测量了光速。1849年,斐索在巴黎的父母家里设计了一个巧妙的实验来直接测量光速,一百个齿轮的圆形遮板...
与此同时,傅科也放弃了医学课程,因为和年轻的查尔斯·达尔文一样,发现自己晕血。1850年,傅科和斐索又设计了一套更巧妙的系统来测量光速...傅科又改进了实验,在光路上插入一根装满水的管子,结果发现光返回花费的时间变长了。
牛顿曾经预言说,光在水中的传播速度应该比空气中更快,因为稠密的介质会拉动光粒子...但实际上通过实验我们发现,水中的光速比空气中的慢了25%左右。这个观测结果“敲下了李子说的最后一根棺材钉”---托马斯·杨的理论终于得到了证实。
1864年,斐索提出“我们应该利用光波的长度来确定标准的长度单位。”(299792458)
傅科摆的振动平面相对于恒星是固定的,因为地球不停地自转,所以我们才会看到单摆的振荡平面出现旋转。

四、光、射线和原子:1851—1914
物理学和技术常常密不可分。新理论会创造出新技术,而新的技术又为物理学提供了新的实验途径和研究方法。
22、1887年 什么是以太?——迈克尔逊与莫雷
世界上最著名的“失败”实验(这一部分伽莫夫给出的描述更清晰[?])
23、1895年 X射线是怎样被发现的?——伦琴和贝克勒尔
激动万分的伦琴在实验室里待了整整一个周末。两周后伦琴拍下了第一张X射线照片,“我看见了自己的死亡。”
伦琴并没有为X射线申请专利,因为他希望每个人都能从中受益。(他本人拒绝伦琴射线这个名字)
受到德国伦琴《论一种新的射线》论文的启发,法国科学家贝克勒尔1896年发现了放射性...
24、1897年 原子里面有什么?——汤姆生
1897年来自曼彻斯特的约瑟夫·约翰·汤姆生发现,原子可能是由更小的粒子组成。1904年提出西瓜模型(枣糕模型、梅子布丁模型)
汤姆生的父亲希望他成为一名工程师,但家里没有筹到足够的钱送他去当学徒,所以汤姆生就去剑桥学了科学,最后成了一名物理学家。28岁被任命为实验物理卡文迪许教授。
25、1898年 镭是怎样被发现的?——居里与居里夫人
俄国的统治者和撤销了波兰学校里的实验教学课程。(这里自己取消)玛丽的父亲是一位物理教师,他把大部分实验设备搬回家,所以他最小的女儿不至于完全得不到教育。
皮埃尔和他的兄弟发明了一种可以测量电荷的灵敏设备---静电计。(验电器?)
1898年居里夫妇发现了放射性极强的镭,直到12年后玛丽才分离出纯净的镭,几年后,镭的化合物在欧内斯特·卢瑟福的研究中发挥了关键的作用。
1903年,玛丽在获得博士学会后前往英国伦敦访问,但皇家研究所不允许女性发表演讲,所以皮埃尔被迫上台替她发表演说,当听众提问时,他就低头问玛丽,然后再大声转告观众。
最初的诺贝尔委员会只打算表彰皮埃尔和贝克勒尔,但前者据理力争才把玛丽的名字加进名单...
26、1899年 能量能在空间中传播吗?——特斯拉
塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉出生在今天的克罗地亚境内,在学校的时候就是个数学神童。为了逃离经常出现在脑子里的幻象,特斯拉离开了自己的家...年轻的特斯拉很快染上了赌瘾,连续有好几次考试不及格,于是再次逃离学校,同时也和家人断绝了所有联系。特斯拉高大英俊,瘦得惊人。1884年加入托马斯·爱迪生麾下,因为爱迪生不肯兑现曾答应过的奖金愤而辞职。1888年与乔治·威斯汀豪斯签订了一份回报丰厚的合同。1891年完成了特斯拉线圈,一种共振变压电路。
特斯拉还研究过“利用电能对学生进行潜意识浸润教育,让笨孩子变得聪明起来”的项目。(特斯拉不会是杨永信的鼻祖吧)
27、1905年 光速是恒定的吗?——爱因斯坦
爱因斯坦出生在德国,随父母移居到意大利,爱因斯坦去了瑞士上学,(相比德国的学校)“学校里洋溢着自由的气氛,老师们诚挚认真,兢兢业业,这给我留下了难以磨灭的印象。”

...这个悖论早在我16岁时就出现在我的脑海里,如果我以光速追逐一束光,那么在我眼里,这束光应该是一个静止的电磁场,虽然它仍在空间中振荡。但是,无论是依据现有实验还是根据麦克斯韦方程组进行推算,这样的情景似乎不可能存在。

1905年被称为爱因斯坦的奇迹年,除了狭义相对论,探讨了光电效应,这为他赢得了诺贝尔奖,研究了布朗运动,还研究了能量和质量的关系,为后来的质能方程奠定了基础。
1908年,爱因斯坦曾经的老师闵可夫斯基重新阐述了狭义相对论,加入了时间这一维度...
28、1908—1913年 世界为何大部分是空的?——卢瑟福等人
基于在加拿大麦吉尔大学所做的放射性衰变研究,卢瑟福获得1908年的诺贝尔奖,命名了αβγ...
你对着一张面巾纸射出一枚近四十厘米的炮弹,结果炮弹居然被反弹回来打中了你。
29、1911年 金属在绝对零度下会表现出什么特性?——昂内斯
焦耳提出热功当量方程后,开尔文男爵根据热力学原理得出绝对零度为-273.15℃
开尔文认为在低温下金属的电阻会大幅上升,但昂内斯却不同意这一看法。1911年将一根固体水银导线放入4.2K的液氮中,发现水银的电阻竟然降到了零。他兴高采烈地在笔记本上(他的笔记直到一百年后才被破译出来)写道:水银进入了一种新的状态,这种非凡的导电性或许可以称之为“超导状态”。
30、1911年 把头探进云里就能获得诺贝尔奖?——威尔逊
苏格兰农民的儿子威尔逊原本打算学医,可是在剑桥上学的时候迷上了物理,特别是气象学。1911年威尔逊重新开始琢磨云室,1923年完善了云室...云室让科学家发现了正电子。卢瑟福表示,“云室是科学史上最新颖、最精彩的设备。”1927年威尔逊获得诺贝尔奖,表彰他找到了“通过水蒸气的凝结来显示带电粒子运动轨迹的方法”,虽然他发明这种设备完全是出于另一个风马牛不相及的原因。
“1894年我在本尼维斯山待的那两个星期中观察到的现象引领了我毕生的科研工作。”
31、1913年 如何测量粒子携带的电荷?——密立根与弗莱彻
1910年密立根成了芝加哥大学的教授,不过在此之前就已经开始自己的油滴实验,在研究生弗莱彻的帮助下,设计了原理很简单的实验装置。他俩达成协议,密立根独享这篇论文的所有权益,而研究生弗莱彻是另外一篇相关论文的唯一作者。如此弗莱彻获得了博士学位,而密立根获得了1923年的诺贝尔奖...
密立根不相信爱因斯坦1905年提出来的光电效应,做了很多实验试图证明爱因斯坦错了。但结果适得其反,“我花了十年时间试图推翻爱因斯坦在1905年提出的等式,结果却事与愿违。到了1915年,我不得不承认,爱因斯坦的理论是对的,尽管它看起来很不合理。”
1811年,意大利的阿伏伽德罗提出,在给定的温度和压强下,任何气体的体积都与它包含的粒子数量成正比。
32、1914年 量子力学比我们想象的还要古怪吗?——弗兰克与赫兹
漂浮的水银原子对飞行的电子产生什么影响?网栅电压不断升高,到达阳极的电流也稳定增长,知道电压升高到4.9V电流突然降到接近零的程度,然后继续增加网栅的电压,电流重新开始增大,知道电压增加到2×4.9V,电流再次出现断崖式下降...显然电子似乎只会失去4.9eV的能量,不多也不少,而这正好符合水银原子在254nm上的一条谱线。
一旦网栅电压达到4.9V,大部分电子会带着足够的能量冲击水银原子,激发原子内部的电子。与此同时,原来的电子就会失去能量。电压达到2×4.9V时,每个电子几乎都会连续撞击并激发两个水银原子,然后失去能量无法继续运动...
弗兰克就这些实验结果发表了一次演讲,据说爱因斯坦在听完演讲或评论说:“这太可爱了,简直催人泪下。”

五、物质深处:1915—1939
有一位比利时的神父提出,原始的宇宙是从一只蛋开始的。
33、1915年 引力与加速度有关吗?——爱因斯坦
引力的作用效果和加速度一模一样。
34、1919年 你能把铅变成金子吗?——卢瑟福
1920年卢瑟福确定了氢原子核的确是所有原子核的基本组成部分,将它命名为质子。(希腊文是第一的意思)还与波尔的合作中提出,大部分原子核里应该还存在一种电中性粒子,卢瑟福提出,这种粒子也许应该叫中子。(核物理之父啊)
35、1919年 爱因斯坦的理论能被证实吗?——爱丁顿等人
(霍金提到:爱因斯坦光线偏折的预言不可能在1915年立即得到验证。直到1919年,一个英国的探险队从西非观测日食,证明光线确实像理论所预言的那样被太阳偏折。这次英国人证明德国人的理论被欢呼为战后两国和好的伟大行动。更具讽刺意味的是,后来人们检查这次探险所拍的照片,发现其误差和企图测量的效应同样大。他们的测量纯属运气。)
36、1922年 粒子会旋转吗?——施特恩与格拉赫
施特恩与格拉赫共同设计了一个实验,格拉赫在法兰克福大学开始了自己的实验,将一束银原子摄入不均匀磁场,原本的宽条带从中间一分为二,银原子核应该自旋?自旋的其实是电子,最外层有一个孤立的电子...
诺贝尔奖只颁给了施特恩,格拉赫与这份荣誉失之交臂是因为他后来为纳粹领导下的德国效力...
37、1923—1927年 粒子会波动吗?——戴维森与革末
1924年第7代德布罗意公爵提出了电子具有波动性。1923年康普顿X射线散射实验。
在特定的电压下,镍晶体会朝几个特定的方向精确地反射电子束,和X射线一模一样。换句话说,他们发现电子在这个实验中表现的和射线完全相同,这意味着电子具有波动性。
康普顿发现了光波具有质量,而戴维和革末发现电子具有波长。
38、1927年 一切都是不确定的?——海森堡
1924年,海森堡去哥本哈根协助波尔工作,1927年在哥本哈根构建量子力学的数学基础时提出了著名的不确定原理。
我们能观察到的只是电子在不同轨道上跃迁释放或吸收的光。
如果海森堡想精确地测量电子的位置,就必须使用能量更高的γ射线,于是电子受到的力也会更大。电子的位置的测量越精确,那么电子的运动速度和方向受到的干扰就越大。
不确定原理听起来似乎无足轻重,但哪怕是从最保守的角度来说,它也改变了整个物理学的面貌。
39、1927—1929年 宇宙为什么会膨胀?——弗里德曼
1922年俄罗斯彼尔姆国立大学教授亚历山大·弗里德曼在德国发表了一篇复杂的论文,提出宇宙可能在不断膨胀。比利时的天主教神父勒梅特也独立得出了类似的结论。爱因斯坦表示,“你的计算是对的,但物理方面却错得离谱。”
勒梅特提出,宇宙是从一个点开始膨胀的,然后谈到“创世时刻的宇宙蛋爆炸”,不相信宇宙膨胀的英国天体物理学家霍伊尔不屑一顾地将勒梅特的观点称为big bang,这个名字流传至今。(有点像泊松亮斑)
爱因斯坦逐渐开始认同勒梅特的理论,“这是我所听过的关于宇宙起源最美、最完善的解释。”
1929年,哈勃观察到了46个遥远星系的红移...
40、1932年 反物质真的存在吗?——安德森
有些人认为狄拉克是牛顿之后最伟大的理论物理学家,1928年推导方程为了描述带负电的电子,但它同样适用于带正电的电子。所有粒子都拥有自己的反粒子。
加州理工学院的安德森开始利用改进后的云室研究宇宙射线,1932年利用垂直的威尔逊云室拍摄宇宙射线轨迹时发现了一条古怪的痕迹,它只可能来自某种质量与自由电子相当的正电的粒子。
宇宙射线从照片下方进入云室,随后在强磁场作用下向左偏转,这证明带正电,然后粒子穿过铅板计入云室上半部分,能量略有损失,所以偏转的更厉害了。穿透铅板后这个粒子又穿过了5厘米厚的空气,这说明它的而体积很小---质子绝不可能飞行这么远的距离。

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41、1933年 引力如何构建银河系?——兹威基
出生在保加利亚的兹威基是有史以来最伟大的天体物理学家之一,父亲是瑞士人,母亲来自捷克。1925年移民到了美国,来到加州理工学院和密立根一起工作。
只要谈到中子星、暗物质、引力透镜之类的话题,“早在20世纪30年代,兹威基就注意到了这些问题,但当时谁也不相信他的话...
42、1935年 薛定谔的猫是死还是活?——薛定谔
一只猫如何能够同时既死又活?1935年奥地利物理学家薛定谔提粗了这个颇富哲学意味的问题。
1957年埃弗雷特认为,存在很多很多个宇宙,每一个种可能性都曾真实地发生过,只是它们各自存在于不同的宇宙中。
43、1939年 怎样利用核物理知识造出原子弹?——西拉德与费米

1933年,匈牙利物理学家希拉德在英国访问...卢瑟福在演讲中否认了通过核反应获得能量的可能性:“...一切试图从原子转化中获取能量的努力都是空中楼阁。”西拉德不同意卢瑟福的说法,在大不列颠博物馆附近的南安普顿路街口等红绿灯,就在绿灯亮起的那一刻,一个可怕的想法突然闯入他的脑海:加入能用新发现的中子启动某个反应---让一个原子产生了两个中子,那么这两个中子又讲启动另外两个原子发生反应...“就在他穿越街道的那个瞬间,时间裂开了一条细缝,他看到通往未来的道路充满死亡与悲伤,世界将变得不复以往。”

1938年费米获得诺贝尔奖,因为用中子轰击重原子制造出新的元素,不幸的是,后来人们发现,所谓新元素是反应产生的放射性碎片,费米有些惭愧,但依然自然满满。
1939年为了躲避纳粹和法西斯政权,西拉德和费米都移民了美国,意识到德国可能正在制造原子弹,于是给罗斯福总统谢了一封警告信,并邀请爱因斯坦共同署名。
临界质量大约15千克---体积比棒球大一点点。
六、跨越宇宙:1940—2009
44、1956年 一颗恒星诞生了?——塔姆等人
聚变系统不会过热熔化,因为无论何时,参与反应的物质总质量不会超过1克,所以即使这些材料达到了极高的温度,他们产生的总热量也不大---完全不足以熔化金属和陶瓷隔墙。因为没有放射性,聚变反应产生的能量是裂变的一千倍左右。
环磁机TOKAMAK
45、1965年 大爆炸留下了余韵吗?——彭齐亚斯与威尔逊
彭齐亚斯的一位朋友看到皮布尔斯的论文初稿,直到这时候,他们才如梦初醒地意识到,自己的发现有多重要。
46、1967年 小绿人真的存在吗?——贝尔
1783年英国教士兼博物学家约翰·米切尔给皇家学会的亨利·卡文迪许写了一封长信...假如光也被同样的力所吸引...这个物体所释放的所有光都会被它自身的引力吸收回去。
德国物理学家史瓦西为爱因斯坦的引力场求出了一个解,会得出一个奇怪的史瓦西半径,物质可以进入这个球壳,但没有任何东西能从里面出来。
这些高速旋转的天体释放出的无线电束像灯塔的光一样穿越宇宙,传到了贝尔的望远镜里...1974年休伊什获得诺奖,但瑟琳却没有得到这份荣誉。(应该有人专门收集一下类似的情况...)
47、1998年 宇宙正在加速吗?——珀尔马特
引力是唯一作用于宇宙中所有星系的力,虽然远距离的力非常微弱,但它顽固而执着。
暗能量又叫真空能量,效果类似轻微的负压---暗能量像真空一样将宇宙向外拉扯。宇宙学家告诉我们,暗能量弥漫在空间,导致星系向外加速运动,所以宇宙膨胀的速度越来越快。大约5%的常规物质,27%的暗物质,剩下的68%全都是暗能量。
48、1999年 我们为什么会在这里?——里斯等人
1999年英国皇家天文学家马丁·里斯出版了《六个数》(我们是来自恒星的灰烬。)中定义了宇宙组成宇宙菜谱的基本数值...如果其中任何一个数不协调,那么恒星和生命都不会存在。
今天的人类只有在所有的基本常数都正确无误的宇宙里才能演化出来。
我们的宇宙刚好正适合我们,这就是所谓的人择原理。按照强人择原理,宇宙以某种方式被迫形成了让人类演化成至今的样子。而弱人择原理的一个流派则认为,在所有可能的宇宙中,我们只是居住在这个所有参数都正确的宇宙里而已。
1973年,布兰登·卡特首次提出了人择原理,但类似的思想早已经出现。1904年,阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士曾写道:“我们周围的宇宙如此广袤而复杂,或许必须要有这样的宇宙...才能创造出每一个细节都精确无误的世界,让生命有序地发展,最终孕育出人类。”
如果大爆炸也不止发生了一次,而是很多次,那么其中某一次大爆炸正好产生了一个所有参数都适合我们的宇宙,这似乎也很合理。
光子似乎能够同时穿过两条狭缝,沿两条路径传播。理查德·费曼提出,这是因为在量子世界里,光子没有确定的路径,恰恰相反,它会沿着所有可能的路径传播。
就像休·艾弗雷特的多世界诠释,如果薛定谔的猫在一个世界里已经死去,而在另一个世界里却还活着,那么宇宙或许真的不止一个---但这意味着观察者在打开盒子的刹那创造出了一个新的宇宙。
一群蚂蚁在一张二维的纸上忙忙忙碌碌,它们或许不会知道,就在自己头顶几英寸外还有另外张纸,上面居住着另一群蚂蚁。
49、2007年 我们是宇宙中唯一的智慧生物吗?——波勒等人
或许某一颗行星上面就有达尔文所说的“温暖的小池塘”,池塘里孕育着鲜活的生命。
50、2009年 我们能找到希格斯玻色子吗?——希格斯等人
1964年,苏格兰爱丁堡阿雪的彼得·希格斯提出,标准模型内应该有一种特殊的粒子,它赋予了其他所有粒子质量,这个小家伙应该是某种玻色子...
@qiusir:既然万有引力,那宇宙怎么还没坍缩呢?读书、教书几十年也不曾遇到原发的三百多年前本特利的悖论,有些事心怀天下还是不够的。“在一个人的方程中具备美感比使之符合实验结果更重要。”预言反物质的保罗·狄拉克的这句话也不仅是自己的直接感受吧。直到1929年才由哈勃发现星系红移现象,静态宇宙的前概念让爱因斯坦在1915年发表的广义相对论里也犯了他一生中最大的错误...
@qiusir:尝试用物理熵的角度看待人群(国家/民族)的,就如从人择原理看待社会的政体,会清晰也淡然了一点。

On this day..

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