10个改变世界的科学实验

1、10个改变世界的科学实验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 了基础研究一一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% 投入到实用研究一一旨在解决实际问题。既然每年都有众多科学家进行着不计其数的试验， 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

2、。对于某些实验来说，您这种观点一点没错。 但是，优美而简洁的试验也多如繁星。在本文中，我们将根据自己的浅薄见解，为您列出 十项最伟大的试验。它们是根据主要学科 一一生物、化 学、物理和心理学一一组织整理出来的，时间跨度长达 200年。在几个例子中，我们将两项密切相关的试验放 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试验。 其

3、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

4、的生存。因此，三年 后，他首次提出了 物种起源”勺自然选择理论。达尔文 只用几个兰花试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 嚓斯。马太？ 蔡斯在1952年进行了一项著名试验，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 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 一一蛋白质还是 DNA 起

5、主要作用，直到最后才通过那开创性的试验 发现了 DNA核酸的秘密。在赫尔斯和蔡斯的试验之后，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DNA分子双螺旋结构。3.

6、 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 赡纳着手研究天花，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

7、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？卢瑟福因其放射性研 究获得了诺贝尔奖。他随即开始进行一些实

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

9、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 a 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 化学药品一一青霉素的结构这一事迹，

10、我们并不感到惊 奇。在1928年，亚历山大 沸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的图案模 型，霍奇金由此得到了青霉素

11、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 一一尤其是蛋白质和核酸一一 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 澳帕林 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？尤里和斯坦利？米勒对 霍尔丹和奥帕林的猜想进行了测试实

12、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实验结果 一一 在冷却的液体中大量存在有机化合物。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

13、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。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试验。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。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

14、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。更重要的是，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

15、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

16、的重大发现，但是居里夫人当时并没有意 识至d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

17、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

18、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 ?米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。米尔格兰姆想 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. 米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 的试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. 在每次试验中， 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 伏的电流。这种程度的电