网友提问:
除了双缝干涉实验,还有哪些惊人的实验?
优质回答:
答:我来说几个科学家亲身实验的例子,让大家看看科学家到底有多疯狂。
一、牛顿针刺眼睛
牛顿是光学奠基人,经典物理学鼻祖,微积分发明人等等,拥有一系列超牛的头衔。
据记载,牛顿发现太阳光在三棱镜下会分解为七色光后,为了验证他的理论,他用一根编织衣物的针,深深扎入眼球和眼骨之间,然后用力挤压眼球,测试眼球在变形的情况下,看到的颜色会如何变化。
这一错误操作简直就是丧心病狂,要是弄得眼球感染,以那时候的医疗水平,估计眼睛就废了,还好最后安然无恙。
二、拉瓦锡断头实验
拉瓦锡被誉为“现代化学之父”,提出了化学反应中的质量守恒定律,首次提出了化学元素的概念,是一位为科学事业不顾一切的人。
然而,拉瓦锡生活在法国大革命期间,因为政治原因在1794年5月8日被送上断头台。
据说拉瓦锡在断头前和侩子手约定,当他要被砍头时,会尽可能的眨眼,然后侩子手以此确定被砍头后,人是否还有意识,结果拉瓦锡被砍头后一共眨了11次眼。
三、吞下幽门螺杆菌
上世纪八十年代以前,医学界普遍认为胃炎和胃溃疡,是因为饮食习惯不良,造成的胃酸分泌过多,医师都是给减少胃酸的药物。
然而澳大利亚医师巴里·马歇尔,在1979年意外地从胃炎患者的胃粘膜组织上,观察到一种奇怪的细菌,既幽门螺杆菌,他分析了数百位患者的胃液样品,确定该细菌和胃炎胃溃疡有关。
经过多次实验后,终于在1982年4月分离培养出了幽门螺杆菌菌株,为了验证他的理论,他和同事罗宾·沃伦吞下了含有幽门螺杆菌菌株的培养液。
结果就是两人大病一场,从而证实了这种细菌,就是导致胃炎和胃溃疡的罪魁祸首,巴里·马歇尔和罗宾·沃伦也因此,共同获得2005年诺贝尔生理学或医学奖。
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要回答这个问题,首先得知道双缝干涉实验究竟有何惊人之处?
许多回答这个问题的博主,把残忍无道的实验,比如731部队的人体实验,也算成惊人实验,但这和双缝干涉实验又有什么关系呢?它们只能算残忍的实验,算不上什么惊人的实验,只是让人吓破胆的实验,违背了基本的伦理道德,实验者都应该被审判枪毙。
双缝干涉实验之所以惊人,是因为它否定了人们的常识,奠定了光的波动性,颠覆了传统认知,光是一种细微的颗粒,这才是它惊人之处。当然,曾经惊人的实验,现在已经习以为常也是常态,但人类的认知也因此发生了重大的变化。
让我们说一个奠定现代物理学根基的惊人实验吧,是它把物理学变成了一门科学,同时推翻了人们的常识,直到今天为止,许多人还没有意识到自己的常识是错误的呢,即便在学校里反复灌输,但真正能够领会到该实验惊人之处的人依然不够多。
比萨斜塔实验:重的和轻的落得一样快
图示:比萨斜塔实验又被称为伽利略自由落体实验。
1590年,据说伽利略将重量差异显著达十倍之多的两个铁球同时从高塔上放下,结果两者几乎同时落地,大大出乎当时人的预料,从而奠定了伽利略大科学家的名声,也让物理学真正成为一门科学。毕竟这个实验和流传近两千年的亚里士多德的说法不一致,也和人们的日常直觉相悖,在日常直觉中,石头落得快,树叶落得慢。所以人们得到一个常识,重的落得快轻的落得慢。直到今天为止,许多人依然是这样认为的,除非他们上过物理学这门课,否则很难通过简单的观察和思考,能领悟到落得快还是慢,其实和轻重无关,而是和别的因素有关,轻或者重都是表象罢了。
实际上,同一张纸或同一片树叶,因为形状的不同下落速度都大有差异,展开的纸或树叶落得慢,而揉成一团的纸或叶子落得快。在地球上,影响物体下落速度的不是其重量,而是其形状,这是因为地球上有大气,形状不同受到的空气阻力不同,造成了人们观察的误区,将重量和形状混淆,产生了这种常识性错误。而空气阻力和形状相关,而和重量无关。因此,带上降落伞明明变得更重的人,比没带降落伞的人落得慢多了。而现代工程师在设计飞机和高速火车的形状时也必须考虑到空气的摩擦阻力。
图示:高铁火车头部的形状不是为了好看,而是为了降低空气的摩擦阻力。如果没有空气摩擦,那么什么形状都行,比如月亮上的高铁。
图示:美国宇航员在月球上验证伽利略自由落体实验
在月球上,由于没有空气阻力,因此铁锤和羽毛同时下落。这两样实验物品现在还在月球上呢。当然,这个验证性实验,与其说是实验,不如说是向开启现代物理学大们的先贤伽利略的致敬。人们早就在地面上,用抽真空的方式验证过保龄球和羽毛同时坠地。
图示:保龄球和羽毛在真空中同时坠落
这才是真正惊人的实验,而不是哪些违背伦理道德,但其实一无所获的实验,它们只是一些打着科学实验的名头,行残忍之事的借口罢了。
科学也可以简单而动人
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沥青滴漏是世界上最考研研究者耐性的物理实验之一,它的目的就是向人们证明物质某些性质并非人们看到的那么直观,且需要时间来检验。
某些物质看上去像是固体,但实际上是粘性极高的液体——比如沥青,它在室温环境下流动速度极为缓慢,但终会因重力而滴落。目前这项实验仍在继续,并可能持续下去。
都柏林圣三一大学自1944年7月11日开始了这个实验,直到2013年7月11日他们才第一次拍到了沥青滴落的情况。
但其实个人觉得,如果要了解沥青的这个性质不一定非要在室温下等100年,只需要把沥青稍微加热就好了。不过科学家们就是这么轴。
希格斯玻色子质量估算试验
学术期刊《物理评论快报》2015年发布了一篇论文,对希格斯玻色子的质量做出了到发文为止最精确的估算,论文标题为《借助ATLAS及CMS试验在7和8万亿电子伏特pp碰撞下共同测算希格斯玻色子质量》,联合署名作者合计5154名,这创下了论文署名最多的纪录。
该论文篇幅有33页,但只有9页内容与真正的科学研究有关,剩余24页全是刊载的作者以及研究机构的名称(明显是浪费纸)。 正是因为这篇论文拥有如此多数量的参与者,试验才能估算出迄今为止最为准确的希格斯玻色子质量——误差仅有0.25%,科学家们为什么这么自信呢?这5000多人要是都算错了呢?
10万人参与提供随机变量的贝尔测试
欧洲一项大型物理实验发动了全球十万名游戏玩家利用他们游戏的事件来生成随机数序列,从而为”贝尔测试”提供真随机参数。
”隐变量”是量子理论当中提出来的一个假设,用以解释量子的“定域性违背”相关的诸多现象,这其中就包含量子纠缠的超距作用,但这个假设一直得不到合理的逻辑解释,让科学家们非常头痛。而“贝尔测试”就是用以证明,在无需引入隐变量的情况下,量子的非定域性仍然可以确立的这么一个测试。但“贝尔测试”存在一个“自由选择”漏洞。虽然研究人员看似自由地选择实验的各种设置,但是有可能隐变量的影响就存在于这个过程中(影响了量子态的决定)。通常研究者会用随机数生成器来进行测量设置,但是严谨的物理学家仍觉得这还不够“随机”,因为随机生成器的设计仍有可能受到隐变量的影响,于是他们就打算利用互联网技术从大量的人为事件当中,获取真正的不关联的随机因子。西班牙光子科学研究所大贝尔实验协作项目的科学家摩根·米切尔及其团队,在全球范围内发动了约十万名测试者,让他们通过一个网页游戏“大贝尔探索”来生成大量足够随机的随机数序列。测试者需要做的是生成不可预测的包含0和1的数列,不断挑战更高难度。
截至2016年11月30日,游戏玩家的随机性数据流在12个小时内以每秒逾1kb速率传送给研究团队,团队利用纠缠光子、原子系统和超导装置等设备,执行了13个贝尔测试和其他定域实在性测试。大部分测试发现了统计上明显的定域实在性违背情况,研究人员表示,这一结果符合量子理论的预测。
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除了双缝干涉实验,还有哪些惊人的实验?
最经典的实验当然是双缝干涉实验,这是从量子微观世界让大家从宏观层面直观了解的实验,我们看个图简单了解下:
这是让人不安而栗的一个实验,似乎有一种未知的力量让光感知到了探测器,从而干涉条纹消失!而升级的实验则更人不知所措,因为光子可以在探测器检测前重新选择路径,似乎能达到一种改变过去的错觉!
这是第二个实验的环境,各位可以了解下,当然标题说的是除开双缝干涉以外,也许大家了解应足够了,看看还有哪些令人跌眼镜的实验!
一、拉瓦锡砍头实验 这是“现代化学之父”法国科学家拉瓦锡的最后一个实验,他让刽子手数他被砍头之后眨了多少次眼睛,刽子手数到了11次!拉瓦锡以他的生命为代价给全世界带来一次大脑在脱离人体之后主动意识存在的时间!
二、迈克尔逊─莫雷实验 这个实验本来是寻找“以太”的,结果以太没有找到反而证明了光速不变!简单的说无论你是从火车的大灯还是飞机的着陆灯的光速都一样,光速不以相对运动而改变它在空间里的速度!
实验示意图
三、宇宙无限大的实验 天文学家一直想搞清楚宇宙的大小,但我们观测不到宇宙的边缘,无法确定其真正的大小,这没有关系,科学家设计一个实验来测量宇宙有限大小的还是无限大小的,但结果是无限大…….恭喜,我们每个人的地盘都管不过来!过程也简单,如下:
天文学家设计了一个模型,以地球与宇宙微波背景辐射“墙”之间建立一个角度,然后根据宇宙膨胀计算出它的实际角度,再测量这个角度!
原理如上图,只有封闭宇宙的角度才会大于平面投影的实际角度,但测量结果是等于平面投影角度!宇宙是平坦的,但也是无限大的,宇宙并没有弯曲起来…….
几个实验,从微观量子到生命科学,从光速不变到宇宙大小…..每一个都让人莫名震惊,当然并不止这些实验,还有很多让人惊讶万分的实验,或者下次继续,或者各位补充留言!
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细细揣摩,科学的每一个实验其实都很惊人,因为我们每个人都喜欢打听秘密,而科学为我们揭露宇宙的秘密。
双缝干涉不仅揭露了微粒子的波动性,更揭露了“波粒二象性”的本质。
双缝干涉是描述光的波动性最著名的实验,自从1807年,托马斯·杨把这个观测光波动性的实验告诉全世界后,众多科学家在它的基础上改进,发明了更多的微粒子观测实验。
单电子双缝干涉实验、单光子广角干涉实验、单光子延迟选择实验、量子檫除实验……科学家之所要设计如此之多的双缝干涉变异实验,是因为双缝干涉实验让我们第一次认识到了量子的“波粒二象性”,这种既是粒子又是波的特性,让经典物理学家们难以理解。
对这种现象的解释更是五花八门,有“意识论”认为人的观测意识影响了实验的结果;有“多重世界论”认为我们的世界在面临选择的时候,就会分裂出不同结果的世界……这些惊人的假设惊掉了众人的下巴。
作为量子论的正统解释,哥本哈根学派也只能给出一个“不确定性原理”的结案陈词,而无法说出为什么?似乎世界不允许我们看清其本质。
爱因斯坦绝望地说出了:“上帝不掷骰子”的名言。
(关于双缝干涉解释的细节,可以看我上一篇问答)
有趣的液氦超流现象
关于惊人的实验有很多,我分享一下惊人且有趣的“超流”现象。
“超流”是基于玻色-爱因斯塔凝聚的宏观量子现象,目前也只有在实验室中才能实现。
“超导”大家都知道,“超流”不少人可能会很陌生,我简单解释一下。
所谓的玻色-爱因斯塔凝聚态,就是让一团物质的原子都失去个性,只呈现出一种量子态,这些聚合起来的同一状态的原子,就形成了一种宏观量子现象。
我们最熟悉的激光其实就是玻色-爱因斯坦凝聚态,大量光子处于同一量子态;“超导”也是玻色-爱因斯坦凝聚态的结果,两个电子组成的库珀对在低温下处于同一基态能量级,就形成了超导体。
而氦在实验室温度降低到2.17K,它就会变成一种新液相,就是超流体。内部摩擦力消失,热传导增强100万倍,黏度下降100万倍。
这时拿它做实验就很好玩了,它可以毫不费力的在1飞米直径的管子里自由流淌,而且它的流动不会有任何波纹;
把它倒进杯子中,它会慢慢地沿着杯壁爬上来;
在杯子里查一根管子对它照明,它会从管子里形成喷泉。
这些都是超流体的特殊性质。
结语
超流体有许多惊人的特性,同时它是为数不多在宏观世界得以存在的量子态物质。