改变世界的科学实验:发现原子核的存在(图)

　　编者的话：世界上每天都有众多科学家进行着不计其数的科学实验，可惜大多数研究不为人知或没有得到广泛赞誉。但几乎每隔一段时间，就会有一项试验不仅能吸引科学家们的注意，也会让普通人倍加关注。这是因为它改变了人类对自然界的认识，或是提供了针对某种顽疾的解决之道。您也许会认为，这种改变世界的实验肯定非常复杂。对于某些实验来说，您这种观点一点没错。但是，优美而简洁的实验也多如繁星。

　　本期博客为您列出九项伟大的实验，它们分布于生物、化学、物理和心理学研究等领域，时间跨度长达200年。

　　达尔文的兰花

　　大多数人都听说过达尔文乘坐小猎犬号完成的那次著名的南美之旅。他在加拉帕戈斯群岛上进行了一些最重要的科学考察。那里有20个左右的岛屿，每座岛上都生长着独特的兰花，完全适应了所在岛屿的特殊环境。但是很少有人知道达尔文回到英国后所做的试验，其中有些就与兰花有关。

　　达尔文在种植和研究了一些本土兰花品种后发现，兰花的复杂花形正是为了吸引特殊品种的昆虫来为自己授粉。这些昆虫的外形都与某一亚种的兰花非常匹配。这就如同加拉帕戈斯雀的鸟喙，每种形态都与特定的食物来源相适应。以伯利恒兰为例，这种花的花蜜存储在30厘米深的花朵底部。当达尔文看到花的结构时，便预测有一种与之匹配的动物存在。果然，在1903年，科学家发现长喙天蛾，它的长喙特别适合伸到兰花的花蜜管底部。

　　达尔文以收集到的兰花和授粉昆虫的资料巩固自然选择的理论基础。他认为，异花授粉所产生的兰花比自花授粉产生的兰花更适合生存，同系繁殖的形式将降低遗传差异性，最终直接影响该物种的生存。因此，三年后，他首次提出了“物种起源”的自然选择理论。达尔文只用几个兰花的试验便支撑起了这个理论的现代框架。

　　原子核存在的铁证

　　1908年，物理学家卢瑟福因其放射性研究获得了诺贝尔奖。他随即开始进行一些实验，意图确定原子的结构。这些实验基于他此前的研究。卢瑟福知道放射性射线有两种类型———α射线和β射线。卢瑟福确定出α射线是正电粒子流。当他将α射线照射在屏幕上时，会形成一个清晰艳丽的图像。但是如果他在α射线源和屏幕之间放置一个云母薄板，由此产生的图像将变成向四周散射。显然，云母薄板对一些α射线粒子形成了散射。但这是怎么形成的？为什么？1911年，他在α射线和屏幕之间放置了一张只有一两个原子厚的金箔片，在α射线源旁又放了第二个屏幕，想看看是否有粒子被反射回来。在薄片后面的屏幕上，卢瑟福看到了与上次相同的散射图谱。而在薄片前面的屏幕上，卢瑟福惊奇地发现，少数α粒子被反弹回来了。

　　卢瑟福的结论是，是金原子核心的强大正电荷让α粒子反弹回去的。他把这个强大的正电荷称为“原子核”。如今，我们一提到原子仍然会想到卢瑟福所做的努力：仅含有几个电子的广阔空间中央，便是那带正电荷的微小原子核。

　　首次

　　疫苗接种

　　直到20世纪晚期，天花才在世界范围根除。在此之前，天花一直是严重的健康威胁。在18世纪，瑞士和法国的新生儿中有10%死于这种由天花引发的疾病。当时唯一的“解药”是感染过天花而幸存下来的人。许多人给自己注射天花病人创口渗出的体液，希望通过感染轻度天花获得免疫力。不幸的是，不少人死于这种危险的自我接种尝试。

　　英国医生爱德华·詹纳着手研究天花，并找到了一种可行的治疗措施。他的实验源于对家乡挤奶女工的观察。这些女工经常被牛痘感染，那是一种与天花类似，却不致命的疾病。根据他的观察，得过牛痘的挤奶女工似乎不会被天花病毒传染。因此，在1796年，詹纳决定尝试用牛痘感染人体，看是否会产生天花免疫性。他的实验对象是一名叫作詹姆斯·菲普斯的小男孩。詹纳在菲普斯的胳膊上划了一道口子，然后从当地挤奶女工身上得了牛痘液体注入伤口中。菲普斯感染牛痘，但很快恢复健康。四十八天之后，詹纳让男孩接触天花病毒，却发现小男孩已经有了免疫力。

　　如今，科学家们知道，牛痘病毒和天花病毒非常相似，以至于人体免疫系统无法区分它们。换句话说，那些本来针对牛痘病毒的抗体也会攻击和消灭天花病毒。这种免疫系统的小小失误却拯救了无数人的生命。

　　生命的最初———原生汤

　　如果追溯到遥远的上古时代，您将必然面对一个难题：解释生命的化学组成———尤其是蛋白质和核酸，是如何在地球原始环境中形成的。

　　1929年，生物学家霍尔丹和奥帕林各自独立提出假设，海洋可能是形成有机化合物的“原生汤”。

　　1953年，美国化学家尤里和米勒对霍尔丹和奥帕林的猜想进行了测试实验。他们小心翼翼地建立了一个密封系统，从而再现出地球早期大气层环境。当时的海洋被模拟成盛有温水的烧瓶，水蒸汽从水中释放出来，被收集到另一个实验烧瓶，尤里和米勒对该实验引入了氢气、甲烷和氨气，模拟无氧大气层状况。然后，他们用电火花代表闪电，引入到混合气体构成的无氧大气层中。最终，冷凝器对这些气体进行冷却成为液体，收集进行分析。

　　一个星期后，尤里和米勒得出了惊人的实验结果———在冷却的液体中存在大量有机化合物。米勒发现了几种氨基酸，其中包括氨基乙酸、丙胺酸和谷氨酸。氨基酸是构筑蛋白质的基础，而蛋白质是细胞结构和细胞生化酶进行重要化学反应的关键成分。尤里和米勒得出结论称，有机分子能够来自于无氧大气层， 同时最简单的生命体也可能在这种早期环境中孕育出来。

　　光的研究

　　9世纪初期，光纤仍然是一个谜题，激励着科学家们做了一个又一个有趣的实验。最值得注意的是托马斯·杨的“双缝实验”，他的实验告诉人们光是一种波，并不是粒子。但在那时，人们还是不知道它有多快。

　　1878年，物理教师迈克尔逊设计了一项科学实验，用以测定光速，并证实它是一种有限的、可度量的数量。以下是他的实验步骤：

　　1.首先，他在校园附近的海堤上放置两个相隔很远的镜子，调整它们的位置，使光投射在一面镜子上后，可以发射到另一面镜子上。他测量了两面镜子之间的距离，发现为605.4029米。

　　2.下一步，迈克尔逊使用一个蒸汽动力鼓风机使一面镜子以每秒256转的速度旋转，另一面镜子则保持静止。

　　3.他使用一个透镜，将一束光聚焦于静止的镜子上，当光照射到静止的镜子上后，它会将其反射至旋转的镜子。迈克尔逊放置了一个观测屏幕，由于第二面镜子处于移动状态，反射的光束会略有偏转。

　　4.迈克尔逊对偏差值进行测量，发现其距离为133毫米。

　　5.使用这个数据，迈克尔逊计算出光每秒可传播299949.53千米/秒。

　　目前，科学界公认的光速为299792.5±0.1千米/秒，可见迈克逊测量是非常精确的。

　　条件反射理论

　　俄罗斯生理学家伊万·巴甫洛夫进行了狗唾液实验。他最初进行这个实验，是为了研究消化能力和血液循环系统。事实上，今天广为人知的条件反射理论，就是他在进行犬类动物消化系统研究时发现的。

　　巴甫洛夫试图搞清唾液和胃部活动之间的关系。在此之前，他已发现犬类会首先分泌唾液，在此之后胃部才会开始消化。接下来，巴甫洛夫想知道外部刺激是否可以因此有类似的消化反应。为了进行这项试验，他在为狗提供食物的同时，会点亮灯光、或是奏响节拍器或蜂鸣器。在没有这些外部刺激的情况下，狗仅当看到食物和吃食物时才会分泌唾液。但是过了一阵子，当狗受到光线或声音刺激时，也会开始分泌唾液，无论食物是否存在。巴甫洛夫还发现当额外刺激被证实经常“出错”时，这种条件反射将逐渐消失。例如：如果嗡嗡声反复出现，却没有食物，狗最终将不会在声音刺激下分泌唾液。通过这个成果，此学科各方面的知识得以转变和扩展。