史上十大科学实验

每天，我们都在进行科学实验，提出“如果”和“那么”，然后看看会发生什么。也许只是在上下班的路上稍微改变一下路线，或者在微波炉里把墨西哥卷饼多加热几秒钟。也可能是尝试那个基因的另一种变体，或者思考哪种代码最适合某个问题。归根结底，这种努力、质疑的精神是我们能够发现一切的根源。乐于实验的精神帮助我们通过科学这一追求，更深入地探索了现实的本质。

这些科学实验中的精选批次经受住了时间的考验，展现了我们物种最求知、最聪明的状态。无论是优雅还是粗糙，并且常常带着一丝偶然，这些独特的努力带来了改变我们对自身或宇宙看法的见解。

以下是九项成功的尝试——外加一次辉煌的失败——它们可以被誉为史上最伟大的科学实验。

埃拉托斯特尼测量世界

实验结果：有史以来第一次对地球周长的记录测量

时间：公元前三世纪末

我们的世界究竟有多大？在众多古代文化的答案中，埃拉托斯特尼计算出的一个惊人准确的数值流传至今。埃拉托斯特尼约公元前276年出生于昔兰尼，这是一个位于今利比亚海岸的希腊殖民地。他成为了一位贪婪的学者——这一特质既给他带来了批评者，也带来了崇拜者。反对他的人给他起了个外号叫“贝塔”，取自希腊字母的第二个字母。普吉特湾大学物理学教授詹姆斯·埃文斯解释了这种古典式的嘲讽：“埃拉托斯特尼经常从一个领域转向另一个领域，以至于他的同时代人认为他在每个领域都只是次优的。”那些庆祝这位多才多艺的埃拉托斯特尼的人则称他为“五项全能”，取自五项全能运动比赛。

这种思维敏捷性使这位学者获得了埃及亚历山大著名图书馆的首席图书管理员职位。正是在那里，他进行了著名的实验。他听说在南部尼罗河城市塞涅（今阿斯旺）有一口井，在北半球夏至那天，正午的阳光直射井底，不投下任何阴影。好奇心驱使下，埃拉托斯特尼在同一天同一时间测量了亚历山大一根竖直木棍投下的阴影。他测定那里阳光的角度为7.2度，即一个圆形360度的1/50。

埃拉托斯特尼知道——许多受过教育的希腊人也知道——地球是球形的，他推断如果他知道两个城市之间的距离，他就可以将这个数字乘以50，从而估算出地球的曲率，进而计算出它的总周长。有了这些信息，埃拉托斯特尼推断地球周长为250,000斯塔德（Hellenistic单位，大约等于600英尺）。这个距离相当于大约28,500英里，与正确数字24,900英里非常接近。

埃拉托斯特尼之所以要准确测量地球大小，是因为他对地理学有着浓厚的兴趣，地理学这个词就是他创造的。恰如其分的是，现代人又给他起了个外号：地理学之父。对于一个曾被认为是二流的人来说，这可不赖。

威廉·哈维探究自然的脉搏

实验结果：血液循环的发现

时间：理论于1628年发表

盖伦真是大错特错。

这位希腊医生兼哲学家在二世纪提出了一种血液循环模型，尽管其中充满了谬误，但却盛行了近1500年。其主张包括：肝脏不断将我们吃的食物转化为新血；血液在体内以两个独立的流束流动，其中一个（通过肺部）注入了来自空气的“生命精气”；被组织吸收的血液从不返回心脏。

推翻所有这些教条需要一系列常常是残酷的实验。

威廉·哈维于1578年出生在英国一个贵族家庭，后来成为詹姆斯一世国王的御医，这使他有时间和条件去追求他最大的兴趣：解剖学。他首先（在某些情况下是字面意义上的）通过放血——将血液从测试动物（包括绵羊和猪）体内排出——来削弱盖伦的模型。哈维意识到，如果盖伦是正确的，那么每小时泵入心脏的血液量将是动物体型的许多倍，这简直不可能。

为了强调这一点，哈维当众解剖活体动物，展示它们微薄的血液供应。他还用手指掐住蛇暴露的心脏的主静脉，限制血液流向心脏。心脏缩小变白；被刺穿后，只流出少量血液。相比之下，掐住主要流出动脉则使心脏肿胀。通过研究爬行动物和濒死动物缓慢的心跳，他辨别出心脏的收缩，并推断它以循环的方式将血液泵入全身。

伦敦大学学院科学史和哲学教授安德鲁·格雷戈里表示，这并非哈维轻易得出的推论。“如果你观察一个心脏在正常环境中正常跳动，很难弄清楚到底发生了什么，”他说。

对志愿者进行的实验，包括暂时阻断肢体的血液流入和流出，进一步证实了哈维革命性的血液循环概念。他于1628年在一本名为《De Motu Cordis》（论心脏的运动）的书中发表了完整的理论。他基于证据的方法改变了医学科学，他今天被公认为现代医学和生理学之父。

格雷戈尔·孟德尔培育遗传学

实验结果：遗传基本规律

时间 1855-1863

孩子在不同程度上会像父母，无论是相貌上的相似还是十足的“迷你版”。这是为什么呢？

一个半世纪前，由于格雷戈尔·孟德尔，物理性状遗传背后的深奥谜团开始被揭开。孟德尔于1822年出生在今捷克共和国，他展现出对物理科学的天赋，尽管他的农民家庭很少有钱供他接受正规教育。在一位教授的建议下，他于1843年加入了奥古斯丁修会，一个强调研究和学习的修道团体。

在布尔诺修道院安顿下来后，害羞的格雷戈尔很快开始在花园里消磨时光。特别是秋海棠引起了他的注意，它们的精致暗示着一种潜在的宏伟设计。“秋海棠可能给了他进行著名实验的想法，”研究印第安纳大学伯明顿分校生物学史的桑德·格利波夫说。“他一直在杂交不同品种，试图获得新的颜色或颜色组合，他得到了可重复的结果，这表明某种遗传规律在起作用。”

这些规律在他种植豌豆植物的过程中变得清晰。孟德尔用画笔将花粉从一株植物涂到另一株植物上，在大约七年的时间里精确地配对了数千株具有特定性状的植物。他仔细记录了例如黄色豌豆和绿色豌豆杂交总是产生黄色植物的情况。然而，这些黄色后代相互交配却产生了一代，其中四分之一的豌豆再次闪耀着绿色。诸如此类的比例导致孟德尔创造了“显性”（本例中的黄色）和“隐性”这两个术语，用于我们现在所说的基因，而孟德尔将其称为“因子”。

他超越了他的时代。他的研究在当时几乎没有受到关注，但几十年后，当其他科学家发现并重复孟德尔的实验时，它们被认为是突破性的。

“孟德尔实验的天才之处在于他能够提出简单的假设，很好地解释少数事物，而不是一次性解决遗传的所有复杂性，”格利波夫说。“他的才华在于将所有这些整合到一个他能够实际完成的项目中。”

艾萨克·牛顿的视觉光学

实验结果：颜色和光的本质

时间 1665-1666

在成为那个艾萨克·牛顿——卓越的科学家，运动定律、微积分和万有引力定律的发明者（以及一名打击犯罪的斗士）——之前，普通的艾萨克发现自己有大把时间可以消磨。为了躲避剑桥大学城毁灭性的瘟疫爆发，牛顿躲在他英格兰乡村的童年故居。在那里，他摆弄着一个他在当地集市上买来的棱镜——根据剑桥大学克莱尔学院院士帕特里夏·法拉的说法，那是一个“儿童玩具”。

让阳光穿过棱镜，一道彩虹，或者说光谱，就会散开。在牛顿时代，主流观点认为光从其通过的介质中获取颜色，就像阳光穿过彩色玻璃一样。牛顿对此不以为然，他设计了一个棱镜实验，证明颜色实际上是光本身固有的属性。这一革命性的见解奠定了光学领域的基础，对现代科学和技术至关重要。

牛顿巧妙地进行了这个精密的实验：他在窗户百叶窗上钻了一个孔，让一束阳光穿过两个棱镜。通过阻止一些产生的颜色到达第二个棱镜，牛顿表明不同的颜色通过棱镜时会发生不同的折射或弯曲。然后他从第一个棱镜中分离出一种颜色，并让它单独穿过第二个棱镜；当颜色不变时，证明棱镜没有影响光线的颜色。介质无关紧要。颜色以某种方式与光本身紧密相连。

部分由于牛顿实验装置的临时性、自制性，加上他在1672年一篇开创性论文中描述不完整，他的同时代人最初很难复制这些结果。“这是一个非常非常技术上困难的实验，”法拉说。“但一旦你亲眼看到，它就会令人信服。”

牛顿在成名过程中确实展现了实验的才能，偶尔还会进行自我实验。有一次，他长时间凝视太阳，几乎失明。另一次，他将一根长而粗的针头塞进眼睑下方，按压眼球后部，以测量它对视力的影响。尽管他在职业生涯中有很多失误——涉足神秘主义，沉迷于圣经数字学——但牛顿的成功确保了他经久不衰的名声。

迈克尔逊和莫雷对“以太”的猜测

实验结果：光的运动方式

时间 1887

喊一声“嗨！”，声波会穿过介质（空气）到达听者的耳朵。海浪也穿过它们自己的介质：水。然而，光波是一种特殊情况。在真空中，当所有介质（如空气和水）都被移除时，光仍能从这里到达那里。这怎么可能呢？

根据19世纪后期流行的物理学，答案是一种看不见、无处不在的介质，被愉快地称为“发光以太”。阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·W·莫雷在如今的凯斯西储大学合作，着手证明这种以太的存在。接下来发生的可以说是历史上最著名的失败实验。

科学家们的假设是这样的：当地球绕太阳运行时，它不断地犁过以太，产生以太风。当光束的路径与风向相同时，光的移动速度应该比逆风航行时快一点。

为了测量这个效应，尽管它必然是微小的，迈克尔逊恰好有办法。在19世纪80年代早期，他发明了一种干涉仪，这是一种将光源聚集在一起以产生干涉图样的仪器，就像池塘上的涟漪相互交织一样。迈克尔逊干涉仪通过一个单向镜发射光束。光束分成两束，产生的两束光以直角相互传播。经过一段距离后，它们从镜面反射回中心汇合点。如果光束由于其行程中某种不等的位移（例如，来自以太风）而以不同的时间到达，它们就会产生独特的干涉图样。

研究人员通过将精密的干涉仪装置置于一块坚固的砂岩板上，使其几乎无摩擦地漂浮在水银槽中，并将其进一步隔离在校园建筑的地下室中，从而保护其免受振动。迈克尔逊和莫雷缓慢旋转石板，期待着随着光束与以太方向同步和不同步而看到干涉图样。

结果，什么也没有。光的速率没有变化。

两位研究人员都没有完全理解他们零结果的重要性。他们将其归因于实验误差，转而进行其他项目。（颇有成效：1907年，迈克尔逊因光学仪器相关的研究成为第一位获得诺贝尔奖的美国人。）但是迈克尔逊和莫雷无意中给以太理论带来的巨大打击引发了一系列进一步的实验和理论，最终导致了阿尔伯特·爱因斯坦在1905年突破性的光新范式——狭义相对论。

居里夫人的工作很重要

实验结果：定义放射性

时间 1898

在传奇科学实验的史册中，女性科学家寥寥无几，这反映了她们在历史上被排除在这一学科之外。玛丽·斯科沃多夫斯卡打破了这一模式。

她于1867年出生于华沙，24岁时移民巴黎，以求进一步学习数学和物理。在那里，她遇到了并嫁给了物理学家皮埃尔·居里，一位亲密的智力伙伴，他帮助她的革命性思想在男性主导的领域站稳脚跟。“如果不是皮埃尔，玛丽永远不会被科学界接受，”俄克拉荷马大学科学史荣誉教授玛丽莲·B·奥吉尔维说。“尽管如此，那些指导未来放射性本质研究进程的基本假设——都是她的。”

居里夫妇主要在皮埃尔工作大学校园里的一间改建的棚屋里合作。1897年，玛丽开始调查一种新型辐射，类似于X射线，这种辐射在仅仅一年前才被发现。她使用一个由皮埃尔和他的兄弟建造的静电计，测量了钍和铀发出的神秘射线。无论这些元素的矿物组成如何——就铀而言，无论是黄色晶体还是黑色粉末——辐射率都只取决于所存在的元素的量。

从这一观察中，玛丽推断出辐射的发射与物质的分子排列无关。相反，放射性——她创造的一个术语——是单个原子固有的属性，源自其内部结构。在此之前，科学家一直认为原子是基本的、不可分割的实体。玛丽为理解物质在更基本、亚原子层面打开了大门。

居里夫人是1903年第一位获得诺贝尔奖的女性，也是少数几位在1911年获得第二次诺贝尔奖的人之一（因她后来发现了镭和钋元素）。

奥吉尔维说：“在她的生活和工作中，她成为了渴望从事科学事业的年轻女性的榜样。”

伊万·巴甫洛夫对这个想法垂涎欲滴

实验结果：条件反射的发现

时间：19世纪90年代-20世纪初

俄罗斯生理学家伊万·巴甫洛夫因其对狗的研究（调查唾液和胃液如何消化食物）于1904年获得诺贝尔奖。尽管他的科学遗产将永远与狗的唾液联系在一起，但巴甫洛夫至今仍因对心灵（犬类、人类及其他）运作的研究而备受赞誉。

测量胃液分泌可不是件容易的事。巴甫洛夫和他的学生收集犬消化器官产生的液体，并用一根悬挂在一些狗嘴边的管子来收集唾液。到了喂食时间，研究人员开始注意到，那些有实验经验的狗在尝到食物之前就开始流口水。与许多其他身体功能一样，唾液的产生在当时被认为是一种反射，一种只有在有食物存在时才会发生的无意识行为。但巴甫洛夫的狗已经学会将实验者的出现与食物联系起来，这意味着狗的经验已经条件化了它们的生理反应。

“在巴甫洛夫的研究之前，反射被认为是固定或硬连接的，不可改变的，”不列颠哥伦比亚大学心理学教授兼巴甫洛夫学会主席凯瑟琳·兰金说。“他的工作表明，它们会因经验而改变。”

巴甫洛夫和他的团队随后训练这些狗将食物与各种中性刺激联系起来，如蜂鸣器、节拍器、旋转物体、黑色方块、哨子、灯光闪烁和电击。然而，巴甫洛夫从未摇响过铃铛；这一经久不衰的传说应归功于早期对俄语“蜂鸣器”一词的误译。

这些发现构成了经典条件反射，或巴甫洛夫条件反射概念的基础。它扩展到基本上任何关于刺激的学习，即使不涉及反射反应。“巴甫洛夫条件反射一直都在发生在我们身上，”阿尔比恩学院的W·杰弗里·威尔逊（巴甫洛夫学会的另一位官员）说。“我们的大脑不断地将我们所经历的事物联系在一起。”事实上，尝试“解构”这些条件反射是现代治疗创伤后应激障碍以及成瘾的策略。

罗伯特·密立根获得电荷

实验结果：单个电子电荷的精确值

时间 1909

从大多数方面来看，罗伯特·密立根都取得了不错的成就。他于1868年出生在伊利诺伊州的一个小镇，后来在奥伯林学院和哥伦比亚大学获得了学位。他与欧洲的物理学名人一起在德国学习。之后，他加入了芝加哥大学物理系，甚至撰写了一些成功的教科书。

但他的同事们做得更多。20世纪之交是物理学激动人心的时代：仅仅十多年的时间里，量子物理学、狭义相对论和电子——原子具有可分割部分的第一个证据——就问世了。到1908年，密立根已经快40岁了，却没有一项重大的发现。

然而，电子提供了一个机会。研究人员一直纠结于粒子是否代表电荷的基本单位，在所有情况下都相同。这是进一步发展粒子物理学的关键决定。密立根没有什么可失去的，他决定尝试一下。

在芝加哥大学的实验室里，他开始使用装有浓水蒸气的容器，称为云室，并在其中改变电场的强度。水滴云围绕带电原子和分子形成，然后由于重力而下降。通过调节电场的强度，他可以减慢甚至阻止单个水滴的下落，用电力对抗重力。找到它们平衡的精确强度，如果它始终如此——那将揭示电荷的值。

当水蒸发太快时，密立根和他的学生们——这些科学界常常被忽视的英雄们——转而使用一种更持久的物质：油，用药店的香水喷雾器喷入腔室。

日益复杂的油滴实验最终确定，电子确实代表了一个电荷单位。他们估算的值与目前公认的一个电子电荷值（1.602 x 10-19库仑）相差无几。这是粒子物理学和密立根的一大成就。

“毫无疑问，这是一个杰出的实验，”加州理工学院物理学家大卫·古德斯坦说。“密立根的结果无可置疑地证明了电子的存在，并且具有确定的量子化电荷。所有粒子物理学的发现都源于此。”

杨、戴维森和格莫尔见证粒子波动

实验结果：光和电子的波状性质

时间：分别为1801年和1927年

光：粒子还是波？长期以来，许多物理学家一直在与这种看似非此即彼的争论搏斗，在艾萨克·牛顿在光学领域的杰出成就之后，他们倾向于粒子说。但英国同胞托马斯·杨的一个简单而强大的演示打破了这一传统。

杨的兴趣涵盖了从埃及学（他帮助破译了罗塞塔石碑）到医学和光学的一切。为了探究光的本质，杨在1801年设计了一个实验。他在一个不透明的物体上切割出两道狭缝，让阳光从中穿过，并观察光束如何在后面的屏幕上投射出一系列明暗相间的条纹。杨推断这种图案是由于光波像池塘上的涟漪一样向外扩散，来自不同光波的波峰和波谷相互叠加和抵消而形成的。

尽管当时的物理学家最初拒绝了杨的发现，但对这些所谓的双缝实验的大量重复运行证实了光粒子确实像波一样运动。“双缝实验变得如此引人注目，因为它们相对容易进行，”麻省理工学院物理学和科学史教授大卫·凯泽说。“在这种情况下，实验设计的相对简单性和可及性与结果的深刻概念意义之间存在异常大的比例。”

一个多世纪后，克林顿·戴维森和莱斯特·格莫尔的一项相关实验揭示了这一意义的深度。在新泽西州，在现今被称为诺基亚贝尔实验室的地方，物理学家们让电子粒子从镍晶体上弹跳开来。散射的电子相互作用，产生了一种只有当粒子也像波一样运动时才可能出现的图案。随后对电子进行的双缝式实验证明，具有物质和波动能量（光）的粒子都可以同时表现出粒子和波的特性。这个自相矛盾的观点是量子物理学的核心，当时量子物理学才刚刚开始解释物质在基本层面的行为。

“这些实验从根本上表明，世界上的物质，无论是辐射还是看似固体的物质，都具有一些不可约的、不可避免的波状特征，”凯泽说。“无论这看起来多么令人惊讶或违反直觉，物理学家都必须考虑到这种本质的‘波动性’。”

罗伯特·佩恩对海星施加压力

实验结果：关键物种对生态系统不成比例的影响

时间：最初发表于1966年的一篇论文中

就像他用撬棍撬开岩石并扔进太平洋的紫色海星一样，鲍勃·佩恩把传统观念抛诸脑后。

到了20世纪60年代，生态学家们已经达成共识，认为栖息地主要通过多样性而繁荣。观察这些大大小小生物相互作用的常见做法也表明了这一点。佩恩采取了不同的方法。

好奇如果他干预一个环境会发生什么，佩恩在华盛顿州崎岖海岸沿线及附近潮汐池中进行了他的海星驱逐实验。事实证明，移除这一个物种可能会破坏整个生态系统。在不受控制的情况下，海星的藤壶猎物开始疯狂繁殖——然后被入侵的贻贝吞噬。这些贝类反过来又开始挤占帽贝和藻类物种。最终结果：食物网支离破碎，只剩下贻贝主导的潮汐池。

佩恩将海星称为基石物种，就像将拱门锁定的必要中心石一样。这是一个具有启发性的概念，意味着并非所有物种在给定生态系统中都做出同等贡献。佩恩的发现对保护产生了重大影响，推翻了为了保存个别物种而狭隘地进行保护的做法，转而采用基于生态系统的管理策略。

“他的影响是绝对变革性的，”俄勒冈州立大学海洋生态学家简·卢布琴科说。她和她的丈夫，俄勒冈州立大学教授布鲁斯·门格，50年前在华盛顿大学佩恩的实验室里作为研究生相遇。卢布琴科，2009年至2013年担任美国国家海洋和大气管理局局长，多年来亲眼目睹了佩恩的基石物种概念对渔业管理政策的影响。

卢布琴科和门格将他们领域的改变归功于佩恩的好奇心和顽强个性。“他之所以如此有魅力，几乎是因为他对想法有着孩子般的热情，”门格说。“好奇心驱使他开始实验，然后他取得了这些惊人的结果。”

佩恩于2016年去世。他后来的工作开始探索人类作为一种“超基石物种”所产生的深远影响，通过气候变化和不受控制的捕食改变全球生态系统。

亚当·哈达齐常驻新泽西。他的作品也曾发表在《新科学家》、《大众科学》等刊物上。这个故事最初以“改变一切的10个实验”为题发表在印刷版上。