10个改变世界的科学实验

导读

（左图：很多科学实验普通人永远不会去了解，但有时一项试验却会让我们改变对这个世界的观念。）
    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。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。

     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——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。

 

 

达尔文的花

    （左图：您可以看出長喙天蛾的长吸管，是多么适合为花苞很长的兰花授粉。）
    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试验便支撑起了这个理论的现代框架。

 

 

破译DNA

    （左图：1969年，阿尔弗雷德•赫尔斯在实验室中）   

    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。

 

 

首次疫苗接种

    （左图：1967年，哥斯达黎加全国人口都接种了针对天花、囊虫病和骨髓灰质炎的疫苗）

    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。

 

 

原子核存在的铁证

    （左图：有时，您只需要一张金箔就能搞清原子中究竟有没有核）
   
    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。卢瑟福和汉斯•盖革确定出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”，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。

 

 

X射线前沿研究

    （准备用X射线结晶法进行结构分析的微型晶体）

    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——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。

 

 

原生汤

    （哈罗德•尤里是为我们最终解释清楚生命起源的两名生物化学家之一
）   

    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•尤里和斯坦利•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实验结果——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

    （迈克尔逊仅用两面镜子和一点智慧便测出了光速）

    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。

 

 

揭示放射性

    （图：1910年，居里夫人在实验室中）

    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。

 

 

狗的研究

    （图：巴甫洛夫应该与他的狗共享诺贝尔奖）

    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。”

 

 

权威形象研究

    （如果权威人士告诉普通人扭动开关，他们将会这么做。米尔格兰姆证明了这件事。）

    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。这种程度的电击危险性很大。

    3. 接下来，科学家会告诉志愿者，他们实验的目的是想知道电击对于词汇记忆过程的帮助。他要求志愿者在学生（演员）回答错误时，对其进行电击，并且随着实验进行提高电压。

    4. 当受到电击时，演员便开始惨叫。在电压提高到大约150伏时，他们会要求停止实验。而科学家会鼓励志愿者继续实施电击，不管演员表现得多么激动。

    5. 有些志愿者在电压上升到150伏时便退出了实验，但是大多数人一直将实验进行到450伏的峰值。

    许多人质疑这个实验是否道德，但是实验结果却非常惊人。米尔格兰姆证明了普通人会在收到权威指示后，对无辜者施加相当大的伤害。