亞當(dāng)·鮑勃

每天，人們都要進(jìn)行各種各樣的科學(xué)實驗，提出“如果”假設(shè)，再設(shè)計實驗，看看會有什么結(jié)論。這樣的實驗也許只是我們在回家的路上走了一條稍微不同的路，或者在用微波爐時多加熱幾秒鐘，或者可能是嘗試尋找一個基因的另一種變體。不管實驗難度如何，這種奮斗、質(zhì)疑的探索精神都是人類發(fā)現(xiàn)的根源。實驗幫助我們更深入地了解現(xiàn)實的本質(zhì)，這種探索的過程就是我們所說的“科學(xué)”。

這些精選出來的科學(xué)實驗，有幾項經(jīng)受住了時間的考驗，充分展示了人類的探索精神和智慧。無論是精巧的、還是粗糙的、帶著一點意外的發(fā)現(xiàn)，這些獨特的發(fā)現(xiàn)都深刻改變了我們對自己甚至對宇宙的看法。

以下這10項重要實驗可以說是有史以來最頂尖的科學(xué)實驗。其中九項都取得了輝煌的成功，剩下的一項則是雖敗猶榮。

埃拉托色尼：測量世界

實驗結(jié)果：首次測量地球的周長

時間：公元前3世紀(jì)末

我們的世界到底有多大？在眾多來自古代文化的答案中，埃拉托色尼計算出的一個驚人的精確值，在兩千多年后依然令人為之震驚。公元前276年左右埃拉托色尼出生于昔蘭尼（位于今天的利比亞海岸的一處希臘殖民地），后來他成為一個“貪婪”的學(xué)者，這一特點為他帶來了很多批評者和崇拜者。討厭他的人根據(jù)希臘字母表中的第二個字母給他起了個綽號“貝塔”。普吉特灣大學(xué)物理學(xué)教授詹姆斯·埃文斯解釋原因：“埃拉托色尼頻繁地從一個研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)到另一個領(lǐng)域，以至于與他同時代的人認(rèn)為他在每個領(lǐng)域都只能排第二。”還有人因埃拉托色尼的多才多藝給他起了個綽號“五項全能”。

思維上的敏捷使這位學(xué)者獲得了一份在埃及亞歷山大市著名圖書館當(dāng)館長的工作，就是在那里他進(jìn)行了著名的實驗。他聽說在尼羅河流經(jīng)的賽伊尼城中有一口井，在夏至日那天，正午的陽光可以直射井底，不會在井邊投下一絲陰影。這一現(xiàn)象引發(fā)了埃拉托色尼的極大興趣。于是在同一日期的同一時間，他測量了亞歷山大里亞一根豎桿投下的陰影的長度，據(jù)此算出陽光與豎桿之間的角度為7.2°，即圓周角360°的五十分之一。

埃拉托色尼知道地球是球形的，大多數(shù)受過教育的希臘人也是這樣認(rèn)為的。埃拉托色尼認(rèn)為，如果知道亞歷山大里亞和賽伊尼這兩座城市之間的距離，再把這個數(shù)字乘以50，就能測量地球的曲率，從而得到地球的周長。根據(jù)得到的信息，埃拉托色尼推斷出地球的周長為250000希臘里，約為28500英里，與24900英里的正確數(shù)字十分接近。

埃拉托色尼想要確定地球的大小的動機是他對地理的熱愛，正是他創(chuàng)造了“地理學(xué)”這一名詞。所以現(xiàn)代人又給他起了另一個綽號：“地理學(xué)之父”。

威廉·哈維：研究血液循環(huán)

實驗結(jié)果：發(fā)現(xiàn)了血液循環(huán)機制

時間：理論發(fā)表于1628年

古希臘名醫(yī)兼哲學(xué)家蓋倫曾在公元2世紀(jì)提出過一套血液流動的理論，盡管漏洞百出，但盛行了近1500年。這套理論包括：肝臟會利用我們吃下的食物不斷生成新的血液；血液以兩種不同的方式流經(jīng)全身，其中一種是通過肺部吸收空氣中的“生命之魂”；組織吸收的血液永遠(yuǎn)不會回到心臟。推翻所有這些教條需要一系列的實驗。

而為了推翻這套有教科書地位的理論，后人做了一系列重要的實驗。

威廉·哈維1578年出生于英格蘭的一個貴族家庭，后來成為國王詹姆斯一世的御醫(yī)，這為他提供了足夠的時間和途徑來追求他最大的興趣：解剖學(xué)。剛開始，他通過給羊、豬等動物放血，對蓋倫的血液理論進(jìn)行了苦心鉆研。但他隨后意識到，假如事實真如蓋倫所言，那么每小時流經(jīng)心臟的血量將超過動物的總體積，而這顯然是不可能的。

為了說明這一點，哈維在公共場所切開了活生生的動物，證明動物體內(nèi)微弱的血液供應(yīng)。他還通過用手指捏住一條裸露心臟的蛇的一條主靜脈，讓血液無法進(jìn)入心臟。結(jié)果心臟迅速萎縮、變得蒼白；將其刺穿時，流出的血很少。相反，如果阻斷主動脈，心臟則會隨之脹大。這表明靜脈里的血確實是心臟血液的來源，而動脈則是心臟向外供血的通道。通過研究爬行動物和哺乳動物瀕臨死亡時慢速心跳這一現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)了心臟的收縮規(guī)律，并推斷出心臟以循環(huán)的方式向身體輸送血液。

據(jù)倫敦大學(xué)歷史和科學(xué)哲學(xué)教授安德魯·格雷戈里說：“這不是一個簡單的推論。假如只觀察在胸腔中正常跳動的心臟，就很難弄清楚到底發(fā)生了什么?！?/p>

哈維還在志愿者身上進(jìn)行了實驗，如暫時阻斷血液進(jìn)出四肢等。這些實驗進(jìn)一步完善了他的革命性的血液循環(huán)理論。他在1628年出版的《心血運動論》一書中完整地闡述了自己的理論。此外，他采用的“以證據(jù)為基礎(chǔ)”的研究方法也在醫(yī)學(xué)界引起了巨大轉(zhuǎn)變。威廉·哈維被公認(rèn)為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生理學(xué)之父。

格雷格·孟德爾：發(fā)展遺傳學(xué)

實驗結(jié)果：發(fā)現(xiàn)了基因遺傳的基本規(guī)律

時間：1855～1863年

孩子的容貌在不同程度上總會與父母相似，這是為什么呢？一直到一個半世紀(jì)之前，由于格雷格·孟德爾的努力，身體特征遺傳的奧秘才被逐漸揭開。孟德爾1822年出生于現(xiàn)在的捷克共和國，盡管他出生于農(nóng)業(yè)家庭，沒有錢供他接受正規(guī)教育，但他在自然科學(xué)方面頗具天賦。在一位教授的建議下，他于1843年加入了奧古斯丁修道院，這是一個注重研究和學(xué)習(xí)的修道士團(tuán)體。

在布爾諾的一座修道院安頓下來之后，內(nèi)向的他很快學(xué)會了在花園里消磨時間。一種名為“倒掛金鐘”的植物引起了他的注意，因為這種植物造型極其優(yōu)雅，仿佛出自名家之手。在印第安納大學(xué)布魯明頓分校研究生物學(xué)歷史的桑德·格列波夫說：“也許正是受到這種植物的啟發(fā)，孟德爾才開展了后續(xù)那些著名實驗。他一直在嘗試雜交不同的倒掛金鐘品種，試圖培植出新的顏色或顏色組合。在這一過程中，他得到了一些可重復(fù)的結(jié)果，這表明遺傳規(guī)律在起作用?！?p>

隨后他培育豌豆，這些規(guī)律變得清晰起來。孟德爾用畫筆將花粉從一株植物涂抹到另一株（相當(dāng)于給豌豆人工授粉），在大約七年的時間里，他將數(shù)千種具有某些特征的植物進(jìn)行雜交配對并詳細(xì)地記錄結(jié)果。例如，如果黃豌豆和綠豌豆雜交，總是產(chǎn)生一種黃色豌豆。然而，再讓這些黃豌豆培育出的植株進(jìn)行自交后產(chǎn)生的后代中，有四分之一的豌豆為綠色。這樣的比例讓孟德爾提出了“顯性”因子（該例中黃色為顯性性狀）和“隱性”因子的概念，而所謂“因子”正是我們?nèi)缃袼f的基因。

由于他的研究過于超前，在當(dāng)時很少受到關(guān)注。但幾十年后，其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并復(fù)制了孟德爾的實驗，他們開始視其為一個重大突破。

孟德爾實驗的高明之處在于，先提出一些簡單的假設(shè)，然后各個擊破，而不是試圖一舉解開遺傳這個復(fù)雜的大謎團(tuán)。

艾薩克·牛頓：發(fā)展光學(xué)

實驗結(jié)果：進(jìn)一步了解了色彩與光的性質(zhì)

時間：1665 ～1666年

在成為那個舉世聞名的艾薩克·牛頓（杰出的科學(xué)家，運動定律、微積分和萬有引力定律的發(fā)明者）之前，平凡的牛頓曾有過一段十分空閑、無所事事的時光。當(dāng)時他本在劍橋大學(xué)就讀，但為了躲避在他的大學(xué)城劍橋爆發(fā)的毀滅性瘟疫，牛頓躲在英國鄉(xiāng)下他兒時的家中。他在當(dāng)?shù)氐囊粋€集市上買到一個棱鏡，用劍橋克萊爾學(xué)院研究員帕特里夏·法拉的話來說，那是“孩子們的玩具”。

陽光穿過棱鏡后，射出來的光會形成一道彩虹、或者說一道光譜。在牛頓的時代，主流思想認(rèn)為，光通過的媒介是什么顏色，光就會呈現(xiàn)什么顏色，就像陽光穿過彩色玻璃一樣。但牛頓本人并不信服這個說法。于是他開展了一系列棱鏡實驗，結(jié)果證明，顏色是光本身固有的屬性。這一革命性的觀點開創(chuàng)了“光學(xué)”的新領(lǐng)域，奠定了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。

牛頓巧妙地設(shè)計了一項精巧的實驗：他在窗板上開一個洞，讓一束陽光通過兩個棱鏡。光透過第一塊棱鏡后，被分解成了不同的顏色。牛頓特意擋住其中的一部分顏色，不讓它們到達(dá)第二塊棱鏡。他通過這一方法發(fā)現(xiàn)，不同的顏色通過棱鏡折射或彎曲的方式是不同的。然后，他從被第一塊棱鏡分解的光線中挑出一種顏色，讓這種顏色單獨通過第二個棱鏡；而這束光從第二塊棱鏡射出后，顏色并沒有發(fā)生變化，證明棱鏡對光線的顏色沒有影響，介質(zhì)本身對光線顏色不會產(chǎn)生影響。相反，顏色應(yīng)當(dāng)是光線本身具有的某種性質(zhì)。

由于牛頓的實驗是特別設(shè)置、在家完成的，加上他在1672年發(fā)表的一篇開創(chuàng)性的論文中的描述不夠完整、詳盡，他同時代的其他人最初很難復(fù)制出他的實驗結(jié)果。法拉說：“這是一個在技術(shù)上非常困難的實驗。但一旦你親眼看過了，就會覺得非常有說服力?！?/p>

在成名的過程中，牛頓確實表現(xiàn)出了實驗的天賦，偶爾還會深入研究“自我主體”。有一次，他盯著太陽看得太久，眼睛都快瞎了。還有一次，他在眼皮下插了一根又長又粗的針，壓在眼球的后部，以判斷它對視力的影響。盡管牛頓在他的職業(yè)生涯中有很多失誤——對神秘學(xué)的涉獵，對圣經(jīng)命理學(xué)的涉獵——但他的巨大成就保證了他長久的名望。

邁克爾遜與莫雷：試圖觀測以太

實驗結(jié)果：研究了光的運動方式

時間：1887年

當(dāng)你大喊一聲“嘿”，聲波就會通過媒介（空氣）到達(dá)聽眾的耳朵。海浪聲也有自己的傳播介質(zhì)（海水）。然而，光波卻是一個特例。就算在真空中，所有的介質(zhì)如空氣和水都被抽走了，光仍然以某種方式傳播。怎么會這樣呢？

根據(jù)19世紀(jì)末主流的《物理學(xué)》雜志，光通過一種看不見的、無處不在的隱形媒介傳播，這種介質(zhì)被稱為“發(fā)光以太”。在俄亥俄州的凱斯西儲大學(xué)，阿爾伯特·邁克爾遜和其同事愛德華·莫利一起設(shè)計了一套實驗，希望能證實這種以太的存在。這項實驗雖然沒能成功，卻成為了史上最著名的失敗實驗之一。

兩位科學(xué)家的假設(shè)是這樣的：當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽運動時，它不斷地在以太中穿行，產(chǎn)生“以太風(fēng)”。當(dāng)光束的路徑和風(fēng)的方向相同時，光的移動速度應(yīng)該比逆風(fēng)航行的速度快一點。

要衡量這種十分微弱的效應(yīng)很難，但邁克爾遜對實驗進(jìn)行了精心設(shè)計后做到了。在19世紀(jì)80年代早期，他發(fā)明了一種干涉儀，一種把不同的光源聚集在一起、形成干涉圖樣的儀器，就像池塘里的漣漪混合在一起一樣。在邁克爾遜的干涉儀中，一束光先是通過一面單面鏡，然后光一分為二，朝相互垂直的方向分別向前傳播。經(jīng)過一段距離后，它們會被鏡子反射回一個中心會合點。由于在它們的傳播過程中某種不均等的位移（比如說受到以太風(fēng)影響），導(dǎo)致兩束光在不同的時間到達(dá)中心點，它們會產(chǎn)生一種獨特的干涉條紋。

研究人員將精密的干涉儀安裝在一塊堅固的砂巖板上，幾乎無摩擦地漂浮在水銀槽中，并將整套裝置放在校園里一棟建筑的地下室中，進(jìn)一步與外界隔絕，免受震動。邁克爾遜和莫雷慢慢地旋轉(zhuǎn)砂巖平板，能看到在以太影響下產(chǎn)生的光線干涉條紋。

結(jié)果一無所獲。光速并未發(fā)生任何變化。

然而，兩位研究者都沒有完全意識到此次“一無所獲”的重要性，而是將其歸咎于實驗誤差，因此轉(zhuǎn)而投向其它項目了。（結(jié)果是這樣的：1907年，邁克爾遜因為這項以光學(xué)儀器為基礎(chǔ)的研究，成為第一位獲得諾貝爾獎的美國人。）邁克爾遜和莫雷在以太理論上一腳踢破的這個漏洞雖屬無意，卻啟發(fā)他人開展了一系列研究、提出了更多相關(guān)理論。最終，愛因斯坦在1905年提出了突破性的狹義相對論，創(chuàng)造了光傳播的新方式。

瑪麗·居里：做出重要工作

實驗結(jié)果：定義了放射性

時間：1898年

在歷史記載的重要科學(xué)實驗中，很少有女性出現(xiàn)，這反映出她們在歷史上曾被排除在這一學(xué)科之外。但瑪麗·斯克洛多斯卡打破了這條鐵律。

她1867年出生于波蘭華沙，希望有機會進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，24歲時，移民到巴黎。在那里，她遇到了物理學(xué)家皮埃爾·居里，并嫁給了他。皮埃爾·居里是她的學(xué)術(shù)伙伴，在他的幫助下，瑪麗·居里的革命性創(chuàng)意才在這個男性主導(dǎo)的領(lǐng)域站穩(wěn)了腳跟?！叭绻麤]有皮埃爾，瑪麗將永遠(yuǎn)不會被科學(xué)界所接納?！倍砜死神R大學(xué)科學(xué)史榮譽教授瑪麗蓮·b·奧格爾維說，“盡管如此，那些指導(dǎo)未來放射性本質(zhì)調(diào)查的基本假設(shè)都是她提出的?！?/p>

居里夫婦大多數(shù)時間都在皮埃爾工作的大學(xué)校園里一間改建過的房子里一起工作。1897年，為了完成自己的博士論文，瑪麗開始研究一年前發(fā)現(xiàn)的一種與X射線有些相似的新型放射現(xiàn)象。利用皮埃爾和他的兄弟發(fā)明的一種名叫靜電計的儀器，瑪麗對釷和鈾發(fā)射的神秘射線進(jìn)行了觀測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不管這些元素的礦物組成是黃色的晶體還是黑色的粉末，鈾的輻射率完全取決于其中所含的放射性元素的含量。

根據(jù)這一觀察，瑪麗推斷物質(zhì)釋放輻射與物質(zhì)的分子排列無關(guān)。相反，“放射性”（瑪麗創(chuàng)造的一個術(shù)語）是單個原子本身的固有性質(zhì)，由原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)中放射出來。在此之前，科學(xué)家們一直認(rèn)為原子是基本的、不可分割的整體。但瑪麗成功打開了一扇理解物質(zhì)的大門，讓人們得以從更基礎(chǔ)的亞原子層面認(rèn)識物質(zhì)。

1903年，居里夫人成為第一個獲得諾貝爾獎的女性，并于1911年再次獲獎（因為她后來發(fā)現(xiàn)了鐳元素和釙元素），成為了極少數(shù)獲得兩次諾貝爾獎的科學(xué)家之一。

有人評論道，無論是在生活還是工作方面，對于有志于從事科學(xué)事業(yè)的年輕女性而言，瑪麗·居里都是一名出色的榜樣。

伊萬·巴甫洛夫：研究條件反射

實驗結(jié)果：發(fā)現(xiàn)了條件反射現(xiàn)象

時間：19世紀(jì)90年代～20世紀(jì)初

1904年，俄羅斯生理學(xué)家伊凡·巴甫洛夫憑借對狗的研究獲得了諾貝爾獎，他研究了狗的唾液和胃液是如何消化食物的。雖然他的科研成果似乎總與狗的口水聯(lián)系在一起，但他對思維的巧妙運用使其至今仍備受贊譽。

測量胃液的分泌可不是件容易的工作。巴甫洛夫和他的學(xué)生收集狗的消化器官產(chǎn)生的液體，是用一根管子懸掛在一些狗的嘴里收集唾液。經(jīng)驗豐富的研究者開始注意到，喂食的時候，還沒等食物吃到嘴里，這些狗就會流口水。就像其他許多身體功能一樣，唾液的分泌被認(rèn)為是一種反射，只有咀嚼食物時才會無意識地發(fā)生。但是巴甫洛夫的狗卻已經(jīng)學(xué)會了把實驗者的出現(xiàn)和食物聯(lián)系起來，這意味著狗的經(jīng)驗已經(jīng)影響了它們的身體的生理反應(yīng)。

“在巴甫洛夫的研究之前，反射被認(rèn)為是固定不變的，”不列顛哥倫比亞大學(xué)心理學(xué)教授、巴甫洛夫?qū)W會會長凱瑟琳·蘭金說，“但他的研究顯示，反射可以受個人經(jīng)歷的影響發(fā)生改變?！?p>

隨后，巴甫洛夫和他的團(tuán)隊教狗把食物和各種各樣的中性刺激因素聯(lián)系起來，如蜂鳴聲、節(jié)拍器、旋轉(zhuǎn)的物體、哨聲、閃光和電擊等。

這些發(fā)現(xiàn)構(gòu)成了經(jīng)典條件反射概念的基礎(chǔ)。后來這一概念基本上延伸到任何有關(guān)刺激的研究，即使不涉及反射性反應(yīng)。巴甫洛夫條件反射無時無刻不在我們身上發(fā)生著，我們的大腦總是把我們經(jīng)歷的事情聯(lián)系在一起。事實上，切斷這些條件反射之間的聯(lián)系恰恰是目前治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙癥的主要策略。

羅伯特·米利根：測量電荷

實驗結(jié)果：精確測定了單個電子所帶的電荷

時間：1909年

從大多數(shù)方面來看，羅伯特·米利根干得不錯。1868年，他出生在伊利諾斯州的一個小鎮(zhèn)上，后來在奧柏林學(xué)院和哥倫比亞大學(xué)獲得了學(xué)位。他曾與德國和歐洲的杰出學(xué)者一起學(xué)習(xí)物理學(xué)。后來他在芝加哥大學(xué)物理系任教，甚至還編寫了幾本非常成功的教科書。

但是他的同事們做得更多。19世紀(jì)與20世紀(jì)之交是物理學(xué)發(fā)展的繁榮時期：在僅僅10年的時間里，世界被相繼引入了量子物理學(xué)、狹義相對論和電子——原子具有可分割部分的第一個證據(jù)之中。到了1908年，米利根發(fā)現(xiàn)自己已年近四十，卻沒有一項重大發(fā)現(xiàn)。

不過，電子為他提供了一次機會。研究人員一直想要弄清這個粒子是否代表一個基本的電荷單位，并且在所有情況下始終保持不變。這個問題的答案是進(jìn)一步發(fā)展粒子物理學(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。米利根想著反正也沒什么損失，不妨放手一搏。

在芝加哥大學(xué)的實驗室里，米利根開始研究一種叫做“云霧室”的容器，里面裝著濃厚的水蒸氣，并在研究過程中不斷改變其中的電場強度。水滴在重力下降之前，會先在帶電原子和分子周圍形成液滴云。通過調(diào)整電場的強度，它可以減慢甚至停止單個液滴的下落，相當(dāng)于用電與引力相對抗。只要確定液滴取得平衡時的電場強度，并假設(shè)液滴在該強度上能始終保持平衡，就可以推算出液滴所帶的電荷量了。