最美丽的物理学实验

最美丽的物理学实验

写在前面的话

您猜对了，有“最伟大的方程”，当然得有“最美丽的实验”。本文译自Robert P Crease所撰写的The most beautiful experiment一文，发表在Physics World, 2002, 15(9):19–20上，为同年5月份作者请读者为“最美丽的物理学实验”的投票结果。翻译目的为分享知识，欢迎指正。如有侵权，请告知删除。点击文末原文链接可以阅读英文原文。

根据Physics World的读者调查结果，物理学中最美丽的实验是单电子的杨氏双缝干涉实验。

今年早些时候，当我请读者提交“物理学中最美丽的实验”的候选名单时（Physics World，5月刊，第17页），我很高兴收到了200多份回复。这些回复所涉及的范围很广，从实际实验到思想实验，从建议的实验到证明、定理和模型。但是，其中一个实验—电子的双缝实验—被提到的次数比其他任何实验都多，共获得20票。

排名前十的实验还有伽利略的落体实验、密立根的油滴实验和牛顿的棱镜分光实验。杨氏最初的光的双缝干涉实验也出现在列表中（见列表）。

简单的美—杨氏双缝实验中发生干涉的电子的空间强度分布。

美的不同方面

读者为他们的选择提出了各种各样的理由。一个理由是实验所具有的变革力量—即改变思维和行为的能力。“你永远不会再用同样的方式思考光，” 一位推荐光电效应实验的读者这样评论道。

与此同时，密立根的油滴实验的一位粉丝评论到，重复这个实验可以让任何人都确信电荷是量子化的，现代物理学是真实的、可观测的和正确的。“很多年前，当我在一个初中物理实验室做这个实验时，” 他说，“我真的坐在那里盯着电子表格程序，目瞪口呆地看着整个实验是多么完美和优雅。我重新做了分析，只是为了看它再次出来好玩。”

实验可以改变我们的思想和行为，无论我们做好怎样的准备去接受结果。使用像“这么多年后我唯一记得的实验”这样的短语，读者描述了他们回忆起的高中实验，包括漂浮在气流中的沙滩球（伯努利原理）、水波槽（波及干涉）、压碎的金属罐（真空和空气压力）和滑板滑稽动作（质量和惯性）。一些人提到了阿波罗号在月球上的“羽毛落体”实验—这是对伽利略的落体实验的再创造—尽管他们承认，做实验的地点有助于让其难忘，而且可能是有史以来“观众最多的实验”。

读者们还用“经济性”来定义美丽的实验—换句话说，实验是如何高效而显著地让重要的结果脱颖而出。经济性可以指实验设备本身，也可以指它如何呈现重要的结果，或者两者兼而有之。有人回忆说，看到陀螺仪的原理是通过系在车轴螺母上的一根绳子将自行车轮子悬挂在天花板上演示的，并且评论到，如果没有陀螺进动，“就不会有火箭、全球定位系统（GPS）、先进的飞机和赛格威（Segway，GPS控制的单人自行车），当然，也不会有自行车！”。

有人提到了一个简单的水龙头滴水时间间隔的测量实验，它用来说明混沌和非线性系统的原理，并展示了信息是如何从小尺度到大尺度传输的。

公平竞争

有几个人提到了经济学上的反证法。其中包括斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）证明宇宙并非永远存在的证据，或者正如一位被调查者评论的那样，“这是真的，因为如果不是这样，所有的东西的温度都是一样的”。其他人则提到奥伯斯的悖论 (Olbers's Paradox)，即天空并非均匀明亮，即使它(实际上)包含了无限多的恒星。（这个悖论被宇宙膨胀的事实解决了，这意味着遥远的光还没有到达我们。）

还有一些人列举了某些科学仪器的美丽，除了利用聪明才智外没有多少其他东西，这些仪器就可以开拓广阔的可供探索的领域。这一类的例子包括查尔斯·威尔逊(Charles Wilson)的云室、X射线干涉仪、扫描隧道显微镜和布鲁克海文的高能同步稳相加速器(Cosmotron)。

读者经常列举的美的最后一个方面可以被称为“深度游戏” (deep play)。这是一种感觉，我们积极参与到对我们作出反应的外部事物中，而不是从一个超然的距离观看我们自己构造的游戏或大自然。读者在小规模的游戏中发现了美，游戏的对象是简单的东西，如球、波浪、声音和硬币，让明显随机和矛盾的事件中的秩序得以展现。其他读者在更大的游戏中发现了美，比如罗默(Roemer)通过观察木星的卫星木卫一(Io)来确定光速，或者爱丁顿(Eddington)测量星光的弯曲。这些天文观测把整个太阳系，甚至整个银河系以及更广的空间，都变成了一个广阔的实验场地。

Slashdot网站的讨论

我的原始文章在Slashdot.org网站上被提到了，这是一个非常活跃的网站。尽管Slashdot自称是“书呆子的新闻网站”，但它的读者显然包括了大量的科学史爱好者，随后展开了一场500多条评论的讨论，许多评论剖析了特定实验的价值。在这里，电子双缝干涉实验也高居榜首。一位参与者评论说，这一实验和其他说明量子力学原理的实验“甚至似乎揭示了我们自己的一些东西”，并指出“哲学家和怪人都像飞蛾一样被结果所吸引”。

其他Slashdot网站的参与者推荐了许多与Physics World读者相同的实验，而且往往出于相似的原因。然而，他们也提出了各种各样富有想象力的深度游戏的例子。其中包括一些有趣的内容，比如把废弃的CD放进微波炉，用一段管子和一罐发胶烤土豆，把彩色激光与平克·弗洛伊德(Pink Floyd)的音乐同步。

其中一位参与者描述看到小塑料袋在风袋 (wind pocket)中回旋，评论说“有时候世界上有那么多美，我就是接受不过来”。另一个提到了这样一个事实：猎人向一只下落的猴子开火，即使猴子在猎人开火的时候掉落，不管猴子有多远总是会击中它。一个人甚至引用了坐在医院外听到多普勒效应的例子，并评论说：“任何时候救护车经过我身边，我都很惊讶。”

一位Slashdot网站的参与者描述了一种使用硬币、马克笔和卷尺制作分形的方法，声称他们第一次看到分形时几乎哭了。另一个参与者描述了他和同学们在实验课结束时发明的一个即兴游戏：一个填充液氮的塑料杯底部有孔，当气体泄漏而踢杯子时，杯子可以在地板上轻松地滑动。

最美丽的10个实验

下面的列表是Physics World的读者提到最多的前10个实验。

单电子的杨氏双缝干涉实验 Young's double-slit experiment applied to the interference of single electrons
伽利略的落体实验（1600年代） Galileo's experiment on falling bodies (1600s)
密立根的油滴实验（1910年代） Millikan's oil-drop experiment
牛顿的棱镜分光实验（1665-1666年） Newton's decomposition of sunlight with a prism
光的杨氏双缝干涉实验 (1801年) Young's light-interference experiment
卡文迪什的扭秤实验（1798年）Cavendish's torsion-bar experiment
埃拉托色尼（Eratosthenes）测量地球的周长（公元前3世纪）Eratosthenes' measurement of the Earth's circumference
伽利略的斜面实验（1600年代） Galileo's experiments with rolling balls down inclined planes
卢瑟福发现原子核的散射实验 (1911年) Rutherford's discovery of the nucleus
傅科的钟摆实验（1851年） Foucault's pendulum

其他被提到的实验包括：

阿基米德的流体静力学实验 Archimedes’ experiment on hydrostatics
罗默测量光速的实验 Roemer’s observations of the speed of light
焦耳的热功当量实验 Joule’s paddle-wheel heat experiments
雷诺的层流实验 Reynolds’s pipe flow experiment
马赫和萨尔克(Salcher)的冲击波实验 Mach & Salcher’s acoustic shock wave
迈克尔逊-莫雷的以太实验 Michelson-Morley measurement of the null effect of the ether
伦琴测量麦克斯韦位移电流的实验 Röntgen’s detection of Maxwell’s displacement current
奥斯特发现电磁现象的实验 Oersted’s discovery of electromagnetism
布拉格父子的X-射线散射实验 The Braggs’ X-ray diffraction of salt crystals
爱丁顿测量星光弯曲的实验 Eddington’s measurement of the bending of starlight
斯特恩-盖拉赫的空间量子化实验 Stern-Gerlach demonstration of space quantization
薛定谔猫思想实验 Schrödinger’s cat thought experiment
核连锁反应的三位一体实验 Trinity test of nuclear chain reaction
吴健雄等验证宇称不守恒的实验 Wu et al.’s measurement of parity violation
戈德哈伯的中微子螺旋性实验 Goldhaber’s study of neutrino helicity
费曼的O圈实验：Feynman dipping an O-ring in water

一些网站对前10个实验有简单介绍，如：

https://www.sohu.com/a/257832205_472787

双缝实验的美丽之处

双缝实验是光的波粒二象性以及量子物理本身的一个例证。它证明光通过一对狭缝时会自我干涉。它还表明，即使一个接一个行进的单个电子也会发生干涉。据称，理查德·费曼评论说，双缝实验包含了所有你需要知道的关于量子力学的知识。

电子双缝实验拥有读者最常提到的美的所有方面—尽管与前十名中所有其他实验不同，它没有以任何人的名字命名。它具有变革性，能够让最顽固的怀疑论者也相信量子力学的真理。“在看到它之前，” 一位受访者写道，“我一个字都不相信‘现代’物理学。” 它是经济实惠的：设备容易获得，概念容易理解，尽管它的结果是革命性的。这也是一场深度游戏：实验中出现了一种现象，它在自然界是不会发生的，而只在人类设定的特殊情境中展开。在这个过程中，它戏剧性地在我们眼前揭示了一些比投入更多的东西。

“我是在爱丁堡大学的一门光学课程上看到的，” 被调查者圣安德鲁斯大学的天文学家Alison Campbell写道，“教授没有告诉我们将会发生什么，但影响是巨大的。我已经记不清实验的细节了—我只记得我突然看到的点分布是以衍射模式排列的。看到双缝实验就像第一次看到日全食：一种原始的刺激感穿过你，你手臂上的小毛发竖起来。你认为这个粒子–波的东西是真的，你知识的基础在移动和摇摆。”

美和实验过程

然而，我有点不安，因为许多人似乎认为他们推荐的实验是很容易设想出来或者是容易进行和明白的。在某种程度上，这似乎具有的一个功能就是讲授这些实验的方式。通过使用在手的“正确答案”建造的现代设备，演示可以大大简化实验过程。教科书和网络模拟—前十名的大多数实验都存在—可能涉及到更大的简化。那是真的，即使在一些密立根油滴的模拟中，把不能正确拟合结果的“脏的”油滴故意与干净的油滴包括在一起以提高逼真度。

我认为，这些演示和模拟歪曲了实验过程，从而削弱了科学中美的体验。即使是当一个科学实验指向一个简单的事实或关系时—就像弗雷Frederic Holmes在他的书《米西尔逊、斯塔尔和DNA的复制：生物学中最美实验的历史》(Meselson,Stahl, and the Replication of DNA: A History of the Most Beautiful Experiment in Biology)中所写的那样—它通常是从“复杂性矩阵”中提取出来的，并将新的复杂性引入科学。尽管简单，他说，“米西尔逊–斯塔尔的实验起源于复杂性，被复杂性包围，并为发现未来的复杂性指明了方向。”

不用说，各种证明量子力学原理的实验不是简单地诞生的，也没有使世界变得更简单。演示和模拟可能会误导人们产生这样一种感觉，即科学实验只是一个已经形成了的经验的演示—似乎是把实验变成一幅数字画杰作—而不是一个迄今未知的真理第一次被揭示的过程。

一位Slashdott网站的参与者在描述了一个实验后谈到了这一点，在实验中，他用一根针、一个开关、一个定时器和一个羽毛球来测量重力加速度。“最美妙的事情并不是知道重力是9.8 ms^–2，” 他写道，“而是告诉我们，通过一个相当简单的装置，我们可以定量地测量物理中重要的东西。”

临界点

柏拉图写道，美并不容易定义，而是一种“从我们身边溜走并逃避我们”的东西。正因为如此，许多以逻辑为导向的哲学方法倾向于脱离甚至反对真与美。逻辑学家戈特洛布·弗雷格（Gottlob Frege）在他最有影响的著作之一中写道：“真理问题使我们放弃审美愉悦，转而采取科学研究的态度。”

我对那些哲学传统更为同情，它们认为真理最根本的意义在于揭示某些东西而不是做准确的描述。这些传统使我们看到科学探究与美之间的密切联系。在任何时候，科学前沿都是模棱两可的、令人困惑的，需要娴熟地规划和实施实验行动，才能理清头绪、带来清晰。

我们很自然地将一些事物称为美丽的，它们能够吸引和改变我们的思维；能够使结果清晰而经济实惠地脱颖而出，不是抽象地作为一个经验，而是以一种物质体现的方式；能够揭示出我们正在积极地参与超出我们之外的事物。把科学中的美说成仅仅属于理论或方程的范畴，是对美和科学的误解。

无论我们对量子力学理论多么精通或自信，量子力学世界对人类来说可能仍然是违反直觉的。电子的双缝干涉实验以一种戏剧性、经济性和物质体现的方式将它的真实性展现在我们的眼前。因此，它很可能在未来很长一段时间内将继续留在美丽实验的神殿里。

参见第15页的“双缝实验”。

Robert P Crease，纽约州立大学石溪分校哲学系，布鲁克海文国家实验室历史学家，在2002–2003年是美国Dibnes科学技术研究所高级研究员，电子邮件：rcrease@notes.cc.sunysb.edu。

最美实验背后深刻的量子物理思想

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