我們幾乎每天都在進行科學實驗，比如嘗試稍微不同的上下班路線，或者在微波爐中加熱食物時多加熱幾十秒。當然有更高級的實驗，比如制造一個基因變種，或者找出可能是解決一個問題的最佳密鑰。說到底，正是這種求索精神讓人類獲得了迄今所有的發(fā)現。不斷實驗、不斷探索的意愿，有助于幫助我們通過科學追索去更深入探測事物的本質。

在彰顯人類探索欲望方面，有一些實驗完全經受住了時間考驗。不管是復雜的還是粗糙的，這些常常還帶有幸運色彩的個人嘗試都帶給了人類能改變我們對自己和對宇宙看法的真知灼見。這里列舉9個史上非常重要的科學實驗，附加一個光榮的失敗。

埃拉托色尼測量地球

實驗結果 首次量出地球周長

時間 公元前3世紀末期

埃拉托色尼測量地球。

地球究竟有多大？古代各種文化對此有許多答案，而埃拉托色尼在這方面驚人準確的測量值影響多個世紀。大約公元前276年出生在昔蘭尼（位于今天利比亞海岸上的一個古希臘定居點）的埃拉托色尼最終變成一位博學者，這使得他既讓一些人佩服也讓一些人非議。按照希臘字母表中的第二個字母，有人把埃拉托色尼戲稱為β（“老二”之意）。他們認為他從一個領域跳到另一個領域的速度比同時代任何人都快，但他的“淺嘗輒止”讓他在自己涉足過的每個領域都只能算老二。也有人按照古希臘奧運會的五項全能運動排名，稱贊埃拉托色尼是全能冠軍。

埃拉托色尼無疑是一位天才，他曾經在位于埃及亞歷山大城、大名鼎鼎的亞歷山大圖書館任職館長。他聽說尼羅河南面的城市賽伊尼（今埃及城市阿斯旺）有一口井很有名，因為北半球夏至日正午的太陽直射井底，不會投下任何陰影。在好奇心驅使下，埃拉托色尼在亞歷山大城測量了一根垂直桿子在夏至日正午投下的陰影。他測得那里的太陽光照射角度為7.2°，也就是圓周360°的1/50。許多受過教育的古希臘人都知道地球是球體，埃拉托色尼是其中之一。他想到：如果他能知道賽伊尼和亞歷山大這兩座城之間的距離，那么把這個距離乘以50就該是地球的周長。得知這兩城之間的距離后，他推算出地球的周長是25萬斯塔德（古希臘、古羅馬長度單位，1斯塔德大約等于182.9米），大約為4.57萬千米，完全落在今天的準確值——4.01萬千米的允許誤差范圍內。

埃拉托色尼測算地球大小的動機是出于他對地理學的熱愛。實際上，地理學這門學科正是由他命名的?，F代人把他稱為“地理學之父”。

哈維測量大自然脈搏

實驗結果 發(fā)現血液循環(huán)

時間 1628年發(fā)表理論

哈維測量血液循環(huán)。

古希臘醫(yī)學家和哲學家伽林在公元2世紀提出的血液流動模型并不正確，卻流行了近1500年。他在這一模型中提出：肝臟用我們所吃的食物持續(xù)造血;血液通過兩個分開的管道流滿全身，其中一個管道經過肺，這個管道中的血液帶著“上天的靈氣”，而人體組織吸收的血液永遠不會流回心臟。

經過了一系列可以說是恐怖的實驗，這個教條才終于被推翻。1578年出身名門的英國科學家哈維后來成為英國國王詹姆斯一世的御醫(yī)，這讓他有時間和金錢來追求自己的興趣——解剖學。為了驗證伽林的血液循環(huán)模型是否正確，哈維首先給羊等小動物放血。他認識到：如果伽林提出的模型是正確的，那么每小時心臟泵出的血流量會超過動物本身的體積，而這根本不可能。

為了讓人理解他對伽林的挑戰(zhàn)，哈維當眾剖開活體動物，展示它們體內的血流量并不多。他還用手指緊緊夾住一根蛇的主脈，阻止血流進入蛇暴露的心臟。結果蛇的心臟收縮，變得蒼白，刺破蛇心臟則只有少量血噴出。相反，堵住心血管不讓血液流出則心臟腫脹。通過研究爬行類和其他動物瀕死時的心跳減緩，哈維發(fā)現了心臟的收縮，由此推斷出心臟通過一條回路把血液輸送到全身。要知道，哈維的這一推斷相當不簡單——如果觀察心臟在正常環(huán)境下的正常跳動，就很難直接看出心臟的功能。

對志愿者進行的暫時阻斷四肢血流的實驗，進一步證明了哈維對血液循環(huán)模型的突破性構想。1628年，他在自己的《心臟運動》一書中發(fā)表了自己的血液循環(huán)理論。他拿證據說話的研究手法大大促進了醫(yī)學發(fā)展。今天，哈維被視為現代醫(yī)學和生理學之父。

孟德爾奠基遺傳學

實驗結果 基因遺傳的基本法則

時間 1855至1865年

孟德爾豌豆實驗（寫意圖）

小孩子或多或少都與父母中的一方甚至雙方長得很像，這是偶然還是必然？這個生理特征遺傳背后的重大奧秘直到150多年前才被破解。1822年出生在今天捷克共和國境內的孟德爾雖然沒有顯赫身世（他生于農民家庭），也沒有錢受正規(guī)教育，卻在生理學方面獨具天賦。在一位教授建議下，他1843年加入了崇尚研究和學習的奧斯定會。隱身于一所修道院中、性格內向的孟德爾，很快就開始長時間待在花園里。倒掛金鐘（也稱燈籠海棠）這種植物尤其受到他的注意，因為它們的精致背后暗示了大自然的一個了不起的設計。很可能正是倒掛金鐘催生了孟德爾的一系列著名實驗。他對不同品種的倒掛金鐘進行雜交，試圖獲得新的單一花色或花色組合。他重復獲得的結果，表明遺傳法則在起作用。

隨著孟德爾培育豌豆植物，這些法則變得清晰起來。他用畫筆把一株豌豆植物的花粉輕輕點到另一株豌豆植物上。這樣，他在大約7年時間里對數千株具有某些性狀的豌豆植物進行精確配對。他仔細記錄黃豌豆和綠豌豆怎樣配對就總是會產生黃豌豆植物等信息。配對這些黃色后代，它們的后代中有1/4是綠豌豆。這樣的比例讓孟德爾發(fā)明了“顯性性狀”（以黃色為例）和“隱性性狀”等術語，而這些性狀就是由今天所稱的基因控制的。

孟德爾是走在時代前面的人。他的研究在他的時代不受關注，但幾十年后，當其他科學家發(fā)現并重復了孟德爾的系列實驗后，這些實驗終于被承認具有突破性。孟德爾系列實驗的創(chuàng)新在于他形成的簡單假設能很好地解釋一些現象，而非一次性解釋遺傳學方面的所有復雜性。換句話說，孟德爾的杰出在于：他把自己能夠做到的所有東西都投入到一個研究項目中。

牛頓開創(chuàng)光學

實驗結果 色彩和光的本質

時間 1665至1666年

牛頓（左）棱鏡實驗。

在成為運動定律、微積分及萬有引力定律發(fā)明者和杰出科學家之前，“普通”的英國人牛頓發(fā)現自己需要打發(fā)時間。為了逃避在劍橋大學（牛頓就讀學校）爆發(fā)的致命瘟疫，牛頓整天待在位于英國鄉(xiāng)間的自己小時候的家中，擺弄他在當地集市上撿到的一件“兒童玩具”——棱鏡。

讓陽光穿透一個棱鏡，就得到彩虹（分色光譜）。在牛頓時代，流行的看法是光的顏色來自于光所穿越的介質，就像陽光穿透彩色玻璃。因為不相信這個觀點，所以牛頓開展了棱鏡實驗，從而證明了顏色是光本身的固有特性。這一突破性認識開創(chuàng)了對現代科學技術很重要的光學學科。

牛頓棱鏡實驗并不簡單，但牛頓對這一實驗的設計和執(zhí)行十分熟練。他在一扇百葉窗上鉆了一個孔，讓一束太陽光柱依次穿透兩個棱鏡。通過阻止陽光穿透第一個棱鏡后形成的色彩到達第二個棱鏡，他證明了不同的色彩折射穿越棱鏡的方式不同。接著，他挑出并且只讓來自第一個棱鏡的一種顏色穿過第二個棱鏡，結果這一顏色在鉆出第二個棱鏡后沒有改變，這就證明棱鏡不會影響光的顏色，即介質對光色不起作用，或者說光本身就具有色彩。

也許是因為牛頓棱鏡實驗的條件太具有他家的特點，再加上他在1672年的一篇論文中對自己棱鏡實驗的介紹不完整，所以和他同時代的人剛開始難以復制他的棱鏡實驗結果。事實上，牛頓棱鏡實驗的技術復雜性相當高，但實驗結果卻很令人信服。

牛頓在實驗手法中表現出來的天分和怪異，在他成就自己大名的過程中起了不可低估的作用。他有一次長時間盯著太陽看，差點因此致盲。另一次，他把一根又長又粗的針抵在眼皮下面，看這樣會對視力產生什么影響。牛頓還曾陷入神秘主義的誤區(qū)。然而，這些并不妨礙他名垂青史。（以上嘗試讀者切勿模仿）

邁克爾孫、莫雷與以太

實驗結果 光的移動方式

時間 1887年

麥克爾森（左）與莫利的以太實驗。

你說“嗨！”，聲波就穿越空氣進入聽者耳中。海浪也在自己的介質——海水中移動，而光波是個例外——在沒有介質的真空中，光線卻能從這兒傳播到那兒。為什么會這樣？按照19世紀末物理學界流行的說法，答案就是一種無處不在的不可見介質（所謂的“發(fā)光以太”）。當時，在今天美國俄亥俄州凱斯西儲大學所在地，物理學家邁克爾孫和莫雷著手證明以太的存在。這導致了被一些科學家認為是歷史上最有名的失敗實驗。

當時科學家的假設是：隨著地球環(huán)繞太陽，地球經常穿越以太，由此產生以太風。如果光束穿行路徑與以太風同向，那么光束移動速度與光束背離以太風方向的情況相比會快一點。為了測試這一猜想，盡管是在微型規(guī)模上測試，邁克爾孫卻可謂恰逢其時。19世紀80年代初他發(fā)明了一種干涉儀。它能把多個光源并在一起，創(chuàng)制一個就像池塘水面上漣漪互相混合的干涉圖樣。邁克爾孫干涉儀讓一束光通過一面單向鏡（也叫單面鏡），光束一分為二，分別以一定的角度穿行。經過一段距離后，兩束光從各自到達的不同鏡面反射，并朝著一個中心匯合點而去。如果穿行（比如在以太風中穿行）過程中的某種位移不同，那么兩束光到達匯合點的時間就不同，這樣就會形成一種獨特的干涉圖樣。

為了避免振動，邁克爾孫和莫雷把他們的干涉儀裝置放在一面實心砂巖石板上。石板和干涉儀裝置幾乎無摩擦地漂浮在一條汞槽中，而這整個實驗裝置被放在一幢校園建筑的地下室里。他們緩緩地旋轉石板，期望觀察到隨著光束同步進入和離開以太風方向而產生的干涉圖樣，然而，他們沒有觀測到這樣的圖樣。換句話說，光速沒有變化。

邁克爾孫和莫雷都沒有完整把握這一“沒有結果”的實驗結果的重要性。他們把這個結果歸因于實驗出錯，之后他們放棄了這項實驗，去從事其他項目。1907年，邁克爾孫因為基于光學儀器的研究成果而成為美國第一個諾貝爾獎得主。邁克爾孫與莫雷在無意間對以太理論的重重一擊引發(fā)了一系列更深入的實驗和理論，最終促成了愛因斯坦在1905年提出的有關光的突破性新范式——狹義相對論。該理論排除了靜止以太存在的可能性。

居里夫人探索物質

實驗結果 定義放射性

時間 1898年

居里夫人。

進入傳奇科學實驗編年史的女性真的不多，這反映出女性在科學研究中受到的歷史性排斥，但瑪麗·居里打破了這個模式?，旣?867年出生于波蘭華沙，24歲時為了得到深造數學和物理的機會而移居法國巴黎。在這里，她遇到并最終嫁給了物理學家居里。作為瑪麗（即居里夫人）親密的知識分子型伴侶，丈夫居里幫助瑪麗的開創(chuàng)性理念在男性主導的科學領域得以立足?？梢哉f，如果沒有居里，瑪麗就永遠不會被科學社會接納。我們必須承認，引導未來對放射性本質調查路線的那些基本假說都是瑪麗提出的。

大多數時候，居里和瑪麗都埋身于居里所供職校園中一間經過改進的棚屋里。為了1897年的博士論文，瑪麗開始調查僅僅在一年前才被發(fā)現、與X光相似的一種新型輻射。采用居里及其親兄弟研發(fā)的靜電計，瑪麗測量了由鉈和鈾發(fā)出的神秘射線，最終推斷出輻射發(fā)射與物質的分子結構無關。相反，放射性（由瑪麗提出的術語）是單個原子的一種固有特性，放射性發(fā)射自原子內部結構。在瑪麗提出這一推斷之前，科學家一直以為原子是最基本的、不可分割的實體?，旣惽瞄_了通往在更基本的亞原子層面理解物質之路的大門。

瑪麗在1903年成為諾貝爾獎的第一位女性得主。她還在1911年因為元素鐳和元素钚的發(fā)現而成為兩次獲得諾貝爾獎的極少數女性之一。科學家說，瑪麗以她的一生和她的成就成為打算開啟科學生涯的女性楷模。

巴甫洛夫顛覆傳統(tǒng)

實驗結果 發(fā)現條件反射

時間 19世紀90年代至20世紀

巴甫洛夫及其實驗情景。

因為利用狗來研究唾液和胃液怎樣消化食物，蘇聯生理學家巴甫洛夫1904年獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。盡管他的科學遺產將一直被與狗的哈喇子（唾液）聯系起來，事實上讓他至今盛名不衰的原因卻是他對狗、人和其他動物心智運作的研究。

測量胃分泌物實屬不易。通過把試管懸掛在一些狗的嘴巴上采集唾液，巴甫洛夫和他的學生收集了犬類消化器官的分泌液。他們注意到，喂食時間一到，哪怕還沒嘗到一口食物，投入測試的狗就開始流唾液。像其他多種身體功能一樣，唾液的產生被認為是一種當時的反射，即在食物存在的情況下出現的一種無意識舉動，而巴甫洛夫的狗學會了把實驗人員的出現與它們的美食聯系起來，這意味著狗的經歷會影響它們的生理反應。

在巴甫洛夫的這一研究之前，動物的反射被認為是一成不變的，但巴甫洛夫的研究證明動物的反射可以被動物的經歷改變。巴甫洛夫團隊接著又教會狗把食物與各種中性刺激例如蜂鳴器、節(jié)拍器、旋轉物、黑方塊、口哨、燈閃和電擊聯系起來。他們的研究結果構成了經典反射（即巴甫洛夫條件反射）的概念根基。科學家指出，巴甫洛夫條件反射在人類身上也一直存在，我們的大腦一直在把我們經歷的各種事聯系起來。破解這些條件反射，是成癮癥和創(chuàng)傷后應激障礙的現代療法背后的策略。

密立根抓住電荷

實驗結果 單電子電荷量測定

時間 1909年

密立根和他的油滴實驗裝置。

按照大多數標準來說，密立根都干得很漂亮。1868年出生在美國伊利諾伊州一個小城的密立根，先后在美國奧柏林大學和哥倫比亞大學取得學位。接著，他在德國與歐洲科學巨匠一起研究物理學。隨后他又加入美國芝加哥大學物理系，他甚至還寫過幾本很成功的教科書。

他的同事比他干得還漂亮。19世紀與20世紀之交是物理學的黃金時期：在不到10年時間里，量子力學、狹義相對論和電子等概念紛紛登場。電子首次為人所知，也為原子可以再細分提供了首個證據。電子的發(fā)現也為科學家提供了一個機會。當時科學家一直困惑的一個問題是：電子是否代表著電荷的一個基本單位？要想發(fā)展粒子物理學，確定這個問題的答案很重要。密立根由此找到了大展身手的機會。

在他位于芝加哥大學的實驗室里，密立根開始研究裝著密集水蒸氣的多只容器（所謂的“氣霧室”），每個氣霧室里的電場強度都不一樣。帶電原子和分子周圍形成的液滴構成氣霧，氣霧隨后降落。通過調節(jié)電場強度，密立根能用電抵消引力，從而減緩甚至阻止單一液滴的降落。找到電和引力之間的精確平衡力度，并且假定這一力度恒定，就能揭示電荷量。

由于水的蒸發(fā)太快，因此密立根和他的學生（他們經常是科學的幕后英雄）轉用另一種能持續(xù)更長久的物質：油。他們采用香水霧化器讓油進入氣霧室。越來越復雜的油滴實驗最終證明電子的確代表著電荷單位。他們對元電荷（基本電量）的估值與目前認定的元電荷——1.602×10-19庫相差無幾。對密立根來說，這是一個對粒子物理學的重大貢獻。

密立根的油滴實驗無疑是一個杰出的實驗。他的實驗結果確鑿無疑地證明了的電子的存在，并且量化出了元電荷。粒子物理學之后的千里之行，正是始于密立根的元電荷腳下。

楊、戴維森和杰默異曲同工

實驗結果 發(fā)現光的波粒二象性

時間 1801年和1927年

托馬斯·楊和雙縫實驗。

光是粒子還是波？長久被這個問題困擾的許多物理學家，在牛頓的光學實驗之后都傾向于認定光是粒子，但英國科學家托馬斯·楊的一個基礎性、卻又很有力的實驗推翻了這個傳統(tǒng)認識。

從埃及學到醫(yī)學再到光學，楊的興趣很廣泛。為了探索光的本質，楊在1801年設計了這個實驗。他在一個不透明物體上開了兩道細縫，并讓陽光通過細縫，觀察光束在一張屏上投下的一系列明暗線條。楊推測這一圖樣源自像波一樣向外擴散的光，就像浪過池塘的漣漪，不同光波的波峰和波谷相互放大或抵消。

盡管同時期的物理學家一開始完全否認楊的發(fā)現，大量重復的雙縫干涉實驗卻證明光的粒子真的像波一樣移動。雙縫干涉實驗相對容易進行，這為證明光的波粒二象性這個看起來很難的結論提供了客觀條件。100多年后，美國物理學家戴維森和杰默的實驗顯示出光的波粒二象性意義重大。在位于美國新澤西州、如今被稱為諾基亞貝爾實驗室的地方，這兩位物理學家讓電粒子從一塊鎳晶體上反彈，散射電子相互作用產生的圖樣只有在這些粒子的行為像波的情況下才可能形成。后來采用電子進行的雙縫實驗證明，每個有物質和光粒子的行為都既像粒子又像波。這一矛盾理念恰恰是量子物理的核心，而在戴維森和杰默的時代量子力學才剛開始在基本層面解釋物質的行為。

科學家指出，這些實驗證明，從根本上說，世界上的物質不論是輻射還是看似的實體，都有某些不能削減、不可避免的波樣特點。不管這一點看起來可能多么驚人或多么反直覺，物理學家都必須把這種“波紋”納入思考。

佩恩與海星

實驗結果 關鍵種對生態(tài)系統(tǒng)的重要影響

時間 1966年

佩恩和他的海星實驗。

到了20世紀60年代，生態(tài)學家開始達成共識：生物棲居地的繁榮主要通過多樣性實現。對大大小小的動物相互作用網絡進行的觀測表明似乎的確如此，但美國生物學家佩恩獨辟蹊徑來探索真相。他很好奇這一點：如果他干預一個生態(tài)環(huán)境，會發(fā)生什么？他把自己的海星放逐實驗地點定在了美國華盛頓州崎嶇海岸的潮汐水塘中。他的實驗表明，哪怕從水塘中只去除海星這一個物種，也可能讓整個水塘生態(tài)系統(tǒng)失去平衡。沒有了海星制約，海星的獵物——藤壺瘋狂繁殖，但接著就被伺機作案的貽貝吞噬一空。貽貝隨后開始趕走帽貝和海藻物種，其結果就是食物鏈破碎，只剩下貽貝主導的水塘。

佩恩把海星稱為關鍵種。這個創(chuàng)新的概念意味著，在一個特定生態(tài)系統(tǒng)中并非所有物種的貢獻均等。佩恩的這一發(fā)現對物種保護來說堪稱意義重大——為保護一個單一物種而只保護這個物種的狹隘做法最終被摒棄，代之以基于整個生態(tài)系統(tǒng)的管理策略。

美國俄勒岡州大學海洋生態(tài)學家簡評價說，佩恩的影響絕對有顛覆性。50年前，簡和俄勒岡州大學一位教授（簡的丈夫）都是佩恩在華盛頓大學實驗室里的研究生。簡在2009～2013年擔任美國大氣海洋局局長，在此期間佩恩的關鍵種理念影響了漁業(yè)管理政策。簡和丈夫都認為，佩恩堅持不懈的求索和好奇的個性對生態(tài)學帶來了大變革。佩恩已經在2016年去世，他晚期的工作是探索人類作為一個超級關鍵種，通過氣候變化和無節(jié)制獵殺動物而改變地球生態(tài)系統(tǒng)所造成的深遠影響。

（ 責任編輯 程輝）