个改变世界的科学试验

1、10 个改变世界的科学实验2007 年，美国共耗资 3680 亿美元用于科学研究和技术开发。在这块巨大的馅饼中，将近18% 的资金投入了基础研究 也就是并非用于解决工业问题，而是完全出于科学家的好奇心或兴趣而开展的研 究。另有 22% 投入到实用研究 旨在解决实际问题。既然每年都有众多科学家进行着不计其数的实验，那么大多数研究没有得到广泛赞誉也就不足为奇了。但 几乎每隔一段时间，就会有一项实验不仅能吸引科学家们的注意，也会让普通人倍加关注。这可能是因为 它改变了人类对自然界的根本认识，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

2、一点没错。但是，优美而简洁的实验也多如繁星。在本文中， 我们将根据自己的浅薄见解， 为您列出十项最伟大的实验。 它们是根据主要学科 生物、 化学、物理和心理学 组织整理出来的，时间跨度长达 200 年。在几个例子中，我们将两项密切相关的 实验放在了一起。这是为了证明科学研究是需要合作努力才能完成的。1. 达尔文的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亚种，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实验。其中有些就与兰花有关。达尔文在种植和研

3、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 M 深花朵底部。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，科学家发现長喙天蛾的长喙，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

4、 “物种起源 ”的自然选择理论。达尔文只用几个兰花实验便支撑起了这个理论的 现代框架。2. 破译 DNA詹姆斯 ?沃森和弗朗西斯 ?克里克因解码了 DNA 的奥秘而广受赞誉， 但他们的发现很大程度依赖于他人的研 究成果，比如阿尔弗雷德 ?赫尔斯和马太 ?蔡斯。马太 ?蔡斯在 1952 年进行了一项著名实验，确认了 DNA 分子是遗传的原因。 赫尔斯和蔡斯对一种叫做噬菌体的病毒进行了合作研究。 这种病毒由一个包裹着 DNA 链的蛋白质外壳构成，可以感染细胞，使其产生更多病毒，最后杀死细胞将这些新生病毒释放出去。他们 两人了解这一过程， 但并不知道是哪种成分 蛋白质还是 DNA 起主要作用， 直到

5、最后才通过那开创 性的实验发现了 DNA 核酸的秘密。在赫尔斯和蔡斯的实验之后， 罗莎琳德 ?富兰克林等科学家对 DNA 进行了重点研究， 并迅速破解 DNA 分子结构。富兰克林采用 X 射线衍射技术进行研究，也就是用 X 射线照射提纯 DNA 的纤维。当 X 射线与 DNA 分子发生交互反应时， X 射线将出现衍射或弯曲，偏离其原始路线。根据所分析的分子，经过衍射的 X 射线会在底片上形成与之对应的独特图案。富兰克林的著名 DNA 图片显示出 X 形图案，这也是螺旋状 分子结构的标志。沃森和克里克还通过富兰克林的图片来测定螺旋宽度。结果表明 DNA 分子由两部分组 成，也就是我们今天所公认的

6、 DNA 分子双螺旋结构。3. 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十分之一死于这种由天花引发的疾病资料来源： 世界卫生组织 。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

7、病毒传染。因此，在 1796 年，詹纳决定尝试有牛痘感染人体，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 女工莎拉 ?尼尔美斯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，以至与人体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。4. 原子核存在的铁证1908 年，物理学家欧内斯特 ?卢瑟福因其放

8、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 射线和 射线。卢瑟福和汉斯 ?盖革确定出 射线是正电粒子流。当他将 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 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 射线粒子形成了散射。但这是怎么形成的？为什么？1911 年，他在 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 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

9、，卢瑟福惊奇地发现，少数 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 粒子反弹回去的。 他把这个强大的正电荷称为 “原子核 ”， 并称原子核相比原子整体一定非常小，否则会有更多粒子被反弹回去。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。5. X 射线前沿研究我们一说到 X 射线衍射实验，就会提起罗莎琳德 ?富兰克林。但她的研究很大程度上要归功于多萝西?克劳福特?霍奇金，历史上获得过诺贝尔化学奖的三位女性之一。1945 年，霍奇金被认为是世界上最早的 X 射线衍射技术先驱，因此对于她最终揭开医药界最重要的一种化学

10、药品 青霉素的结构这一事迹，我们并 不感到惊奇。在 1928 年，亚历山大 ?弗莱明就发现了这种能够杀死细菌的物质。科学家们花费了很大努力 来提纯这种化学物质，以建立有效的治疗手段。通过绘制青霉素原子的三维结构图谱，霍奇金铺设了一条 研发青霉素半合成衍生物的新途径，为医生们提供了治疗病毒感染的全新希望。霍奇金研究领域被称为 X 射线结晶学。 化学家首先必须将想要进行分析的化合物进行结晶处理， 这是一个 挑战。直到两家公司将青霉素晶体寄给霍奇金后，她用 X 射线照射晶体，并使放射线击打在底片上。当 X 射线与青霉素晶体样本中的光子发生交互作用，它们出现了轻微衍射。得到的结果就是感光片上截然不同

11、的图案模型，霍奇金由此得到了青霉素分子的精确结构。几年后，霍奇金使用同样的技术揭开了维生素 B12 结构，她于 1964 年赢得了诺贝尔化学奖 一个之前 没有女性得过的荣誉。6. 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，生物学家约翰 ?霍尔丹和亚历山大 ?奥帕林各自独立提出假设，认为早期地球的大气层缺少氧气。 他们认为，在这种恶劣的环境下，单分子在紫外线辐射或闪电等强能量刺激下，有可能形成有机化合物。 霍尔丹补充说，海洋是可以形成有机化合物的 “原生汤 ”。1953 年，美国化学家哈罗德 ?尤里和

12、斯坦利 ?M 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 M 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 M 勒得出了惊人实验结果 在冷却的液体中大量存在有机化合物。 M 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

13、要化学反应的关键成分。 尤里和 M 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。7. 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， 又调整好它们的位置， 以使光投射在一面 镜子上后，可以发射到另一面镜子上

14、。他测量了两面镜子之间的距离，发现为 605.4029M 。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 M 。5. 使用这个数据，迈克尔逊计算出光每秒可传播 299949.53 千 M/ 秒。目前，科学界公认的光速为 299792.5 0.1 千 M/ 秒，可见迈克逊测量是非常精确的。更重要

15、的是，科 学家对光有了更准确的认识，也为量子力学和相对论理论打下了基础。8. 揭示放射性1987 年是属于玛丽 ?居里的。 她和丈夫皮埃尔 ?居里的第一个孩子出生后还没过几周， 居里夫人便开始进行 博士论文开题工作。她最终决定研究由贝克勒尔首先发现的“铀射线 ”。贝克勒尔是在偶然情况下发现了这种放射线。 当时他在一个暗室里遗留了铀盐， 当他返回暗室后发现铀盐是一张底片感光了。玛丽 ?居里决定研究这些神秘的射线，并确定是否有其他元素会发出类似的射线。在实验早期， 居里夫人了解到钍会像铀一样释放出放射线， 她开始把这些独特的元素标记为 “放射性物 质 ”，并很快发现， 不同的铀和钍化合物释放出的放

16、射线强度并不依赖于该化合物的成份，而是基于铀和钍的数量。最终，她将证实射线是放射性元素原子的属性。这是一项具有革命性的重大发现，但是居里夫人 当时并没有意识到这一点。居里夫人发现沥青铀矿比铀放射出更多的放射线，由此预测在天然矿物中存在着一种未知元素。皮埃 尔参与了她的实验，他们用大量沥青铀矿进行提炼，直至成功分离出了一种新的元素。他们将其命名 “钋 ”， 这个名字源自他们的祖国波兰。不久之后，他们又发现另一种放射线元素，并将它命名为 “镭”，这是拉丁 文的“射线 ”之意。居里夫人是第一位两获诺贝尔奖的人。9. 狗的研究伊万 ?巴甫洛夫是一位俄罗斯生理学家和化学家， 进行了狗的唾液实验。 您是否

17、知道他其实对心理学和 动物行为并无兴趣？他最初进行这个实验，主要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所发现的。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类似的消化反应。为了进行这项实验，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

18、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。巴甫洛夫于 1903 年公布了这项研究结果。一年之后，他获得了诺贝尔医学奖，依靠的是“他在消化生理学的研究成果，通过这个成果，此学科各方面的知识得以转变和扩展。 ”10. 权威形象研究20 世纪 60 年代，斯坦利 ?M 尔格兰姆的服从实验被认为是最著名且最有争议性的实验之一。 M 尔格 兰姆想知道，在科学权威的指示下，普通人可能对其他人造成多大程度的伤害。以下是他的实验内容：1. M 尔格兰姆招募了一些志愿者 普通居民 去实施电击， 同时雇佣了一些演员电击对象。 最后 的实验组成部分就是权威人物。在实验过程中，会有一名科学家始终留在房间里。2. 在每次实验中， 科学家会向不知情的志愿者演示如何使用模拟电击设备。 这台仪器可以让志愿者释 放高达 450 伏的电