伽利略（1564-1642）是意大利著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家和哲學(xué)家，被譽為是“現(xiàn)代觀測天文學(xué)之父”、“現(xiàn)代物理學(xué)之父”、“科學(xué)之父”以及“現(xiàn)代科學(xué)之父”。伽利略的研究結(jié)果對牛頓提出、完善牛頓運動定律中的第一、第二定律有一定的啟示。因而，史蒂芬?霍金曾說：“自然科學(xué)的誕生要歸功于伽利略?！?伽利略所研究的中心問題就是僅在重力影響下的落體運動問題，而我們要說的比薩斜塔實驗便是其中最為重要的實驗。

在16世紀的意大利，科學(xué)主要還是古希臘的那一套理論。古希臘哲學(xué)家亞里士多德就認為，質(zhì)量越大的物體自由落體的速度更快。然而伽利略卻不認同這個觀點。

他先構(gòu)造了一個思想實驗從邏輯上進行反駁：根據(jù)亞里士多德的說法，如果一個輕的物體和一個重的物體綁在一起然后從塔上丟下來，那么重的物體下落的速度快，兩個物體之間的繩子會被拉直，這時輕的物體對重物會產(chǎn)生一個阻力，使得下落速度變慢；但是，從另一方面來看，兩個物體綁在一起以后的質(zhì)量應(yīng)該比任意一個單獨的物體都大，那么整個系統(tǒng)下落的速度應(yīng)該更快。這顯然是自相矛盾的。1589年，伽利略在比薩斜塔上用兩個質(zhì)量不同的球同時下落，盡管質(zhì)量不同，但是兩個球同時到達了地面，證明了亞里士多德的理論是完全錯誤的。

對于羽毛比石頭下落得慢的原因，伽利略認為是空氣阻力的影響。有趣的是，執(zhí)行阿波羅15號登月任務(wù)的宇航員，在月球沒有空氣的條件下進行了羽毛和石頭的自由落體實驗，證明了伽利略的正確性。如果你感興趣，你可以在網(wǎng)上找到這個在月球上進行的實驗的視頻。

如果你問一個中學(xué)生甚至是小學(xué)生“彩虹形成的原理”，他們都會告訴你彩虹是由于太陽光經(jīng)過空氣中的小水滴折射后形成的。然而，這么一個現(xiàn)在幾乎眾所周知的問題，在17世紀牛頓發(fā)現(xiàn)光的色散之前，沒有人知道答案。

艾薩克?牛頓（1643 1727）是一位英格蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、自然哲學(xué)家和煉金術(shù)士。1687年他發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，闡述了萬有引力和三大運動定律，奠定了此后三個世紀里力學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，成為了現(xiàn)代工程學(xué)的基礎(chǔ)。然而，他亦在光學(xué)方面有突出的貢獻，其中最具代表性的就是光的色散實驗。

牛頓做了一個著名的三棱鏡實驗，他記載道：“我做了一個三角形的玻璃棱柱鏡，利用它來研究光的顏色。為此，我把房間里弄成漆墨的，在窗戶上做一個小孔，讓適量的日光射進來。我又把棱鏡放在光的入口處，使折射的光能夠射到對面的墻上去，當我第一次看到由此而產(chǎn)生的鮮明強烈的光色時，使我感到極大的愉快。”通過這個實驗，在墻上得到了一個彩色光斑，顏色的排列是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。牛頓把這個顏色光斑叫做光譜。

后來，牛頓進一步改進實驗，獲得更純的光譜，并提出理論解釋這一現(xiàn)象，并用更多的實驗加以驗證。

在英國的劍橋大學(xué)，有一座卡文迪許實驗室，它是世界上最偉大的物理實驗室之一。而它的名字，則是來源于18世紀著名的科學(xué)家亨利?卡文迪許。

卡文迪許（1731- 1810），英國物理學(xué)家、化學(xué)家。他首次對氫氣的性質(zhì)進行了細致的研究，證明了水并非單質(zhì)，預(yù)言了空氣中稀有氣體的存在。他首次發(fā)現(xiàn)了庫倫定律和歐姆定律，將電勢概念廣泛應(yīng)用于電學(xué)，并精確測量了地球的密度，被認為是牛頓之后英國最偉大的科學(xué)家之一。

卡文迪許的扭秤實驗是第一個在實驗室內(nèi)完成的測量兩個物體之間萬有引力的實驗，并且第一個準確地求出了萬有引力常數(shù)和地球質(zhì)量。其他人則通過他的實驗結(jié)果求得了地球密度。

卡文迪許制造的實驗裝置是一臺扭秤。用線捆綁的1.8m長的木棍兩端各有一個直徑2英寸，重為1.61英磅的鉛制球。兩個直徑12-英寸，重為348-英磅的大鉛球分別放在小球附近大約9英寸遠，各自用懸掛裝置掛起。實驗即測量大球和小球之間微弱的引力。

兩個大球放在水平木棒的兩側(cè)，使得它們施加于小球的力使木棒向同一個方向旋轉(zhuǎn)。小球和木棒受力旋轉(zhuǎn)后，吊起木棒的絲線就會旋轉(zhuǎn)，直到絲線中產(chǎn)生的反向力矩與大小球之間引力的力矩平衡為止。通過測量木棒轉(zhuǎn)過的角度可以知道絲線扭轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的力矩，進而可以得出大小鉛球之間的引力大小。地球和鉛球之間的引力可以通過測量鉛球所受的重力直接得出，因此根據(jù)萬有引力定律可直接得到地球的質(zhì)量，以及密度。

這是科學(xué)家第一次測量并得到比較精確的萬有引力常數(shù)，這樣，對于天體以及地球質(zhì)量的估計才成為可能。實驗的難點在于完全去除環(huán)境的干擾，以及扭秤和光標的精度?？ㄎ牡显S在這方面做出了創(chuàng)造性的工作，其實驗精度，在后續(xù)的近百年時間里，沒有人能超過。在18世紀的工藝條件下，完成這樣精度的實驗是一個偉大的成就。

前面我們已經(jīng)提到了牛頓在科學(xué)上做出的巨大貢獻，然而，并不是他所有的理論都是正確的。對于光的本質(zhì)，牛頓認為，光是一個一個的小的微粒，但是楊氏雙縫干涉實驗卻證明了光的“微粒說”是錯誤的。

托馬斯?楊（1773-1829）是英國的物理學(xué)家和通識學(xué)家。1803年，托馬斯?楊做了經(jīng)典的楊氏雙縫干涉實驗。他在一塊板上做了兩個十分狹窄的縫，并在它們之間放置了一個光源，使他們同時穿過兩個狹縫后照在板后面的墻上。如果牛頓的“微粒說”是正確的，那么我們就應(yīng)該在墻上看到兩條亮線，剩下的部分都是黑暗的。但是，實驗結(jié)果表明，墻上出現(xiàn)了明暗相間的條紋，兩個狹縫的光出現(xiàn)了波的性質(zhì)——干涉。這個實驗證明了光的“微粒說”是錯誤的。

然而，故事到這里并沒有結(jié)束。在人們廣泛認同光的波動說之后，1905年，愛因斯坦利用光子的概念成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，并因此在1921年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎（愛因斯坦并沒有因為相對論獲得諾貝爾獎）。后來人們才逐漸認識到光具有“波粒二象性”。

詹姆斯?普雷斯科特?焦耳（1818-1889）是英國的物理學(xué)家。國際單位制導(dǎo)出單位中，能量的單位——焦耳，就是以他的名字命名。焦耳在研究熱的本質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)了熱和功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并由此得到了能量守恒定律，最終發(fā)展出熱力學(xué)第一定律。

在19世紀40年代，“熱質(zhì)說”風行一時，這種理論認為，熱的傳遞是依靠一種假想的無重量流體——熱質(zhì)的流動。但是焦耳認為熱質(zhì)并不存在，熱是能量的一種形式，為此他做了大量實驗。

圖中就是焦耳熱功當量實驗的裝置示意圖。重砝碼緩慢勻速下降，帶動輪軸和轉(zhuǎn)軸使翼輪攪拌水，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，使水溫升高。由溫度計測出攪拌前后水的溫差而算出熱量Q。轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臋C械功W可由砝碼下降的距離算出。由公式W=JQ即可測定熱功當量J。焦耳測定熱功當量的實驗是在英國曼徹斯特進行的，其結(jié)果是使1磅水升高1華氏度需作功772英尺磅，這相當于1卡路里=4.157焦耳。

國際單位制中已經(jīng)規(guī)定熱量的單位為焦耳，卡路里仍作為同焦耳并用的單位。熱功當量這個詞也將逐漸被廢除，但焦耳熱功當量實驗的歷史意義，將是永存的。

（未完待續(xù)）

原文鏈接：http://www./great-physics-experiments.html

譯者在原文基礎(chǔ)上有所改動，刪減部分內(nèi)容，并從Wikipedia和百度百科中選取部分內(nèi)容進行補充，部分圖片素材來源于網(wǎng)絡(luò)。