实验“失败”的伟大

【中图分类号】G633.7【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）05-0182-02

物理学的发展是一场史诗般壮丽的革命，更像是一个传奇，好多是由一个不起眼的线索开始，曲径通幽，乱花迷眼，我们看到了物理大厦在狂风暴雨下的轰然坍塌，却又能在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。在惊涛骇浪的狂潮中，物理实验中的“意外”现象总能发挥出具大的作用，可彻底的推倒一座华丽的殿堂，也可以构建另一幢雄伟的建筑。用“意外”这个词，指的是实验未能取得预期的成果，在某种程度上也可以称为“失败”实验，现列举四例，以飨读者。

一、泊松亮斑

一直以来，物理学界对光的认识处于微粒说与波动说的争战中。在十八世纪以牛顿为代表的微粒说因牛顿力学的崇高而深入人心，惠更斯提出的光是纵波及“波前”概念却只是昙花一现，随即淹没在历史的滚滚长河中，但1807年托马斯·杨正式向世人描述的光的双缝干涉实验，点燃了物理史上“第二次波粒战争”的导火索，这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿，向微粒说提出了挑战。决定性的时刻在1819年到来了，一个不知名的法国年轻工程师菲涅尔向法国科学院提交了一篇论文，在论文中菲涅尔采用了光是一种波动的观点，并以严密的数学推理极为圆满地解释了光的衍射问题，他的体系洋洋洒洒，完美无缺，令科学院专家成员为之深深惊叹。但有些拥护微粒说的科学家并不相信这一结论，其中包括泊松，泊松对菲涅尔的论文进行了仔细的审查，结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时候，在圆盘阴影中间将会出现一个亮斑，这在泊松看来是十分荒谬可笑的，阴影中间怎么会出现亮斑呢？这一审查结果差点使得菲涅尔的论文中途夭折，但菲涅尔的同事，同为科学院专家的阿拉果在关键时刻坚持要进行实验检测，泊松对此不以为然。最终，“奇迹”却发生了，让泊松感到震惊的是在圆盘阴影的正中心，确确实实的出现了一个亮点，位置亮度和菲涅尔的理论符合得相当完美，这个“意外”的实验结果给统治了近一个世纪的微粒说当头一棒，最终导致在随后的一个世纪里光的波动说成了光领域的统治理论。

二、探测光以太对于地球的漂移速度

十九世纪中叶，麦克斯韦的理论预言：光其实是电磁波的一种。预言又在1887年被赫兹的实验所证实，光的波动说终于成为了一个板上钉钉的事实，但此时波动说认为光是跟声音一样需要介质才能传播的，并把能传播光的介质叫做“以太”。依波动说的理论，以太是一种刚性粒子，分布相当稀薄，以至物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力，以太是一种异常坚硬、看不到的固体，以太在宇宙中是绝对静止的。由此人们想到，地球在太空中运动就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。1886年，迈克尔逊和莫雷合作，想测出以太相对于地球的漂移速度。如图1所示安装实

验器材，反光镜A与反光

镜B与光源的距离相等，

A镜与光源间的光线传播

方向与以太风方向垂直，以

太风不影响它的传播时间；

B镜与光源间的光线传播方

向与以太风方向共线，因为

相对运动，它传播的时间会跟

A镜的反射光到达光源的时间会不一样。然而实验结果却让他们失望比：两束光线根本就没有表现出任何的时间差，以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响，迈克尔逊和莫雷不甘心的一连观测了四天，但否定的结果是如此清晰而不容置疑了。这是物理史上最有名的“失败的实验”，它当时在物理界引起了轰动，因为以太这个概念作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础，这根支撑着经典物理学大厦的梁柱因一个实验结果无情地否定而轰然崩溃，这个否定的证据，最终使得“光以太”的概念寿终正寝，使得相对论的诞生成为了可能，这个实验的失败在物理史上却应该说是一个伟大的胜利，科学从来只相信事实。

三、元素放射性的发现

1896年，X射线刚被发现不久，人们对它的来由不是很清楚，贝克勒尔对此的研究推测出太阳光照射铀的氧化物能够产生X射线，他把铀的氧化物放在太阳底下暴晒，发现黑纸中的底片的确感光了，但是正当他要进一步研究时，意外的事情发生了。天气转阴，乌云一连几天遮蔽了太阳。贝克勒尔只好把他的全套实验用具，包括底片和铀盐全部放进了黑暗的保险箱里，然而到了第五天，天气仍然没有转晴的趋势，贝克勒尔忍不住了，决定把底片冲洗出来再说，铀氧化物曾受了一点微光的照射，无论如何在底片上应该会留下一些模糊的痕迹。然而在拿到照片时贝克勒尔的脑中却是一片眩晕：底片曝光得是如此彻底，上面的花纹是如此的清晰，反而比阳光照射的效果要强上百倍。这是一个历史性的时刻，贝克勒尔突然意识到对底片感光更多的是铀元素自身变化产生的射线，随着研究的深入，元素的放射性第一次被人们发现了！在一个戏剧性的场合下，贝克勒尔的“意外”打开了通向原子内部的大门，使得人们很快就看到了一个全新的世界。

四、原子内部结构的研究

1897年，J·J·汤姆逊在研究阴极射线时

发现了原子中电子的存在，打破了“原子不

可再分”的理念，明确向人们展示:原子是可

以继续分割的，它有着自己的内部结构。汤

姆逊想象出原子的“葡萄干布丁”模型：原子

核呈球状，带正电荷,带负电荷的电子一粒

粒地“镶嵌”在这个圆球上，如图2所示。

1910年，卢瑟福在认同原子“葡萄干布丁”模型的情形下，他和他的学生们在实验室里用α粒子（带正电的氦核）来轰击一张极薄的金箔，想通过散射来确认“葡萄干布丁”的大小和性质。与预料极不吻合的情况出现了：有极少数α粒子散射角度超过了90°。对此卢瑟福描述到：“这就像你用十五英寸的炮

弹向一张纸轰击，结果炮弹被反弹了回来。

”卢瑟福由此决定修改他老师汤姆逊的“葡

萄干布丁”模型，他认识到α粒子反弹回来

必定是碰撞了某种极为坚硬密实的核心，且

这个核心应该是带正电，而且集中原子的大

部分质量，同时也认识到发生大角度偏转的

α粒子毕竟只是极少一部分的原因是核心占

据的地方是很小的，不到原子半径的万分之

一。于是卢瑟福在次年(1911年)提出了原子

结构新的模型—行星模型，如图3所示。

实验的“意外”还有很多，这些意外为科学添加了一份绚丽的传奇色彩，也使人们对神秘的自然更加兴致勃勃，也是科学给我们带来的快乐之一啊！

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