10個(gè)改變世界的科學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、10個(gè)改變世界的科學(xué)實(shí)驗(yàn)2007年，美國共耗資3680億美元用于科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)。在這塊巨大的餡餅中，將近18%的資金投入了基礎(chǔ)研究一一也就是并非用于解決工業(yè)問題，而是完全出于科學(xué)家的好奇心或興趣而開展的研 究。另有22%投入到實(shí)用研究旨在解決實(shí)際問題。既然每年都有眾多科學(xué)家進(jìn)行著不計(jì)其數(shù)的試驗(yàn)，那么大多數(shù)研究沒有得到廣泛贊譽(yù)也就不足為奇 了。但幾乎每隔一段時(shí)間，就會(huì)有一項(xiàng)試驗(yàn)不僅能吸引科學(xué)家們的注意，也會(huì)讓普通人倍加關(guān)注。這可能 是因?yàn)樗淖兞巳祟悓?duì)自然界的根本認(rèn)識(shí)，或是提供了針對(duì)某種頑疾的解決之道。您也許會(huì)認(rèn)為，這種改 變世界的實(shí)驗(yàn)肯定非常復(fù)雜。對(duì)于某些實(shí)驗(yàn)來說，您這種觀點(diǎn)一點(diǎn)沒錯(cuò)。但是

2、，優(yōu)美而簡潔的試驗(yàn)也多如 繁星。在本文中，我們將根據(jù)自己的淺薄見解，為您列出十項(xiàng)最偉大的試驗(yàn)。它們是根據(jù)主要學(xué)科 一一生物、化學(xué)、物理和心理學(xué)一一組織整理出來的，時(shí)間跨度長達(dá)200年。在幾個(gè)例子中，我們將兩項(xiàng)密切相關(guān)的試驗(yàn)放在了一起。這是為了證明科學(xué)研究是需要合作努力才能完成的。1. 達(dá)爾文的花大多數(shù)人都聽說過達(dá)爾文乘坐小獵犬號(hào)完成的那次著名的南美之旅。他在加拉帕戈斯群島上進(jìn)行了一 些最重要的科學(xué)考察。那里有20個(gè)左右的島嶼，每座島上都生長著獨(dú)特的蘭花亞種，完全適應(yīng)了所在島嶼的特殊環(huán)境。但是很少有人知道達(dá)爾文回到英國后所做的試驗(yàn)。其中有些就與蘭花有關(guān)。達(dá)爾文在種植和研究了一些本土蘭花品種后發(fā)現(xiàn)

3、，蘭花的復(fù)雜花形正是為了吸引特殊品種的昆蟲來為 自己授粉。這些昆蟲的外形都與某一亞種的蘭花非常匹配。這就如同加拉帕戈斯雀的鳥喙，每種形態(tài)都與 特定的食物來源相適應(yīng)。以伯利恒蘭為例，這種花的花蜜存儲(chǔ)在30厘米深花朵底部。當(dāng)達(dá)爾文看到花的結(jié)構(gòu)時(shí)，便預(yù)測(cè)有一種與之匹配的動(dòng)物存在。果然，在1903年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)長喙天蛾的長喙，特別適合伸到蘭花的花蜜管底部。達(dá)爾文以收集到的蘭花和授粉昆蟲的資料鞏固自然選擇的理論基礎(chǔ)。他認(rèn)為，異花授粉所產(chǎn)生的蘭花 比自花授粉產(chǎn)生的蘭花更適合生存，同系繁殖的形式將降低遺傳差異性，最終直接影響該物種的生存。因 此，三年后，他首次提出了物種起源”的自然選擇理論。達(dá)爾文只用幾個(gè)蘭

4、花試驗(yàn)便支撐起了這個(gè)理論的現(xiàn)代框架。2. 破譯DNA詹姆斯？沃森和弗朗西斯？克里克因解碼了 DNA的奧秘而廣受贊譽(yù)，但他們的發(fā)現(xiàn)很大程度依賴于他人 的研究成果，比如阿爾弗雷德？赫爾斯和馬太？蔡斯。馬太？蔡斯在1952年進(jìn)行了一項(xiàng)著名試驗(yàn)，確認(rèn)了 DNA 分子是遺傳的原因。赫爾斯和蔡斯對(duì)一種叫做噬菌體的病毒進(jìn)行了合作研究。這種病毒由一個(gè)包裹著 DNA鏈的蛋白質(zhì)外殼構(gòu)成，可以感染細(xì)胞，使其產(chǎn)生更多病毒，最后殺死細(xì)胞將這些新生病毒釋放出去。他們文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯歡迎下載支持 兩人了解這一過程， 但并不知道是哪種成分 一一蛋白質(zhì)還是DNA 起主要作用，直到最后才通過那開創(chuàng)

5、性的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了 DNA核酸的秘密。在赫爾斯和蔡斯的試驗(yàn)之后，羅莎琳德？富蘭克林等科學(xué)家對(duì) DNA進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并迅速破解DNA分子結(jié)構(gòu)。富蘭克林采用 X射線衍射技術(shù)進(jìn)行研究，也就是用X射線照射提純DNA的纖維。當(dāng)X射線與DNA分子發(fā)生交互反應(yīng)時(shí)， X射線將出現(xiàn)衍射或彎曲，偏離其原始路線。根據(jù)所分析的分子，經(jīng)過衍射的 X射線會(huì)在底片上形成與之對(duì)應(yīng)的獨(dú)特圖案。富蘭克林的著名DNA圖片顯示出X形圖案，這也是螺旋狀分子結(jié)構(gòu)的標(biāo)志。沃森和克里克還通過富蘭克林的圖片來測(cè)定螺旋寬度。結(jié)果表明DNA分子由兩部分組成，也就是我們今天所公認(rèn)的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)。3. 首次疫苗接種直到20世紀(jì)晚期，天花才在世界

6、范圍根除。在此之前，天花一直是嚴(yán)重的健康威脅。在18世紀(jì)，瑞士和法國的新生兒中有十分之一死于這種由天花引發(fā)的疾病資料來源：世界衛(wèi)生組織。當(dāng)時(shí)唯一的 解藥'是感染過天花而幸存下來的人。許多人給自己注射天花病人創(chuàng)口滲出的體液，希望通過感染輕度天花獲得 免疫力。不幸的是，不少人死于這種危險(xiǎn)的自我接種嘗試。英國醫(yī)生愛德華？詹納著手研究天花，并找到了一種可行的治療措施。他的實(shí)驗(yàn)源于對(duì)家鄉(xiāng)擠奶女工的觀察。這些女工經(jīng)常被牛痘感染，那是一種與天花類似，卻不致命的疾病。根據(jù)他的觀察，得過牛痘的擠 奶女工似乎不會(huì)被天花病毒傳染。因此，在1796年，詹納決定嘗試有牛痘感染人體，看是否會(huì)產(chǎn)生天花免疫性。他的實(shí)

7、驗(yàn)對(duì)象是一名叫作詹姆斯 ？菲普斯的小男孩。詹納在菲普斯的胳膊上劃了一道口子，然后從當(dāng)?shù)財(cái)D奶女工莎拉 呢爾美斯身上得了牛痘液體注入傷口中。菲普斯感染牛痘，但很快恢復(fù)健康。四十八天之后，詹納讓男孩接觸天花病毒，卻發(fā)現(xiàn)小男孩已經(jīng)有了免疫力。如今，科學(xué)家們知道，牛痘病毒和天花病毒非常相似，以至與人體體免疫系統(tǒng)無法區(qū)分它們。換句話 說，那些本來針對(duì)牛痘病毒的抗體也會(huì)攻擊和消滅天花病毒。這種免疫系統(tǒng)的小小失誤卻拯救了無數(shù)人的 生命。4. 原子核存在的鐵證1908年，物理學(xué)家歐內(nèi)斯特 ?盧瑟福因其放射性研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。他隨即開始講行一些實(shí)驗(yàn)，意圖確定原子的結(jié)構(gòu)。這些實(shí)驗(yàn)基于他此前的研究。盧瑟福知道放射性

8、射線有兩種類型a射線和B射線。盧瑟福和漢斯？蓋革確定出a射線是正電粒子流。當(dāng)他將a射線照射在屏幕上時(shí)，會(huì)形成一個(gè)清晰艷麗的圖像。但是如果他在 a射線源和屏幕之間放置一個(gè)云母薄板，由此產(chǎn)生的圖像將變成向四周散射。顯然， 云母薄板對(duì)一些 a射線粒子形成了散射。但這是怎么形成的？為什么？1911年，他在a射線和屏幕之間放置了一張只有一兩個(gè)原子厚的金箔片，在a射線源旁又放了第二個(gè)屏幕，想看看是否有粒子被反射回來。在薄片后面的屏幕上，盧瑟?？吹搅伺c上次相同的散射圖譜。而在薄片前面的屏幕上，盧瑟福驚奇地發(fā)現(xiàn)，少數(shù)a粒子被反彈回來了。盧瑟福的結(jié)論是，是金原子核心的強(qiáng)大正電荷讓a粒子反彈回去的。他把這個(gè)強(qiáng)大的

9、正電荷稱為原子核”并稱原子核相比原子整體一定非常小，否則會(huì)有更多粒子被反彈回去。如今，我們一提到原子仍然會(huì)想到盧瑟福所做的努力：僅含有幾個(gè)電子的廣闊空間中央，便是那帶正電荷的微小原子核。5. X射線前沿研究我們一說到X射線衍射實(shí)驗(yàn)，就會(huì)提起羅莎琳德？富蘭克林。但她的研究很大程度上要?dú)w功于多蘿西?克勞福特?霍奇金，歷史上獲得過諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位女性之一。1945年，霍奇金被認(rèn)為是世界上最早的X射線衍射技術(shù)先驅(qū)，因此對(duì)于她最終揭開醫(yī)藥界最重要的一種化學(xué)藥品一一青霉素的結(jié)構(gòu)這一事跡，我們并不感到驚奇。在 1928年，亞歷山大 沸萊明就發(fā)現(xiàn)了這種能夠殺死細(xì)菌的物質(zhì)。科學(xué)家們花費(fèi)了很大 努力來提純這種化

10、學(xué)物質(zhì)，以建立有效的治療手段。通過繪制青霉素原子的三維結(jié)構(gòu)圖譜，霍奇金鋪設(shè)了 一條研發(fā)青霉素半合成衍生物的新途徑，為醫(yī)生們提供了治療病毒感染的全新希望。霍奇金研究領(lǐng)域被稱為 X射線結(jié)晶學(xué)。化學(xué)家首先必須將想要進(jìn)行分析的化合物進(jìn)行結(jié)晶處理，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。直到兩家公司將青霉素晶體寄給霍奇金后，她用X射線照射晶體，并使放射線擊打在底片上。當(dāng)X射線與青霉素晶體樣本中的光子發(fā)生交互作用，它們出現(xiàn)了輕微衍射。得到的結(jié)果就是感光片上截然不同的圖案模型，霍奇金由此得到了青霉素分子的精確結(jié)構(gòu)。幾年后，霍奇金使用同樣的技術(shù)揭開了維生素B12結(jié)構(gòu)，她于1964年贏得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 一一一個(gè)之前沒有女性得過的榮譽(yù)。6

11、. 原生湯如果追溯到遙遠(yuǎn)的上古時(shí)代，您將必然面對(duì)一個(gè)難題：解釋生命的化學(xué)組成一一尤其是蛋白質(zhì)和核酸 是如何在地球原始環(huán)境中形成的。1929年，生物學(xué)家約翰？霍爾丹和亞歷山大？奧帕林各自獨(dú)立提出假設(shè)，認(rèn)為早期地球的大氣層缺少氧氣。他們認(rèn)為，在這種惡劣的環(huán)境下，單分子在紫外線輻射或閃電等強(qiáng)能量刺激下，有可能形成有機(jī)化合 物?；魻柕ぱa(bǔ)充說，海洋是可以形成有機(jī)化合物的原生湯”。1953年，美國化學(xué)家哈羅德？尤里和斯坦利？米勒對(duì)霍爾丹和奧帕林的猜想進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。他們小心翼翼地建立了一個(gè)密封系統(tǒng)，從而再現(xiàn)出地球早期大氣層環(huán)境。當(dāng)時(shí)的海洋被模擬成盛有溫水的燒瓶，水 蒸汽從水中釋放出來，被收集到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)燒

12、瓶，尤里和米勒對(duì)該實(shí)驗(yàn)引入了氫氣、甲烷和氨氣，模擬無 氧大氣層狀況。然后，他們用電火花代表閃電，引入到混合氣體構(gòu)成的無氧大氣層中。最終，冷凝器對(duì)這 些氣體進(jìn)行冷卻成為液體，收集進(jìn)行分析。一個(gè)星期后，尤里和米勒得出了驚人實(shí)驗(yàn)結(jié)果一一在冷卻的液體中大量存在有機(jī)化合物。米勒發(fā)現(xiàn)了幾種氨基酸，其中包括氨基乙酸、丙胺酸和谷氨酸。氨基酸是構(gòu)筑蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)，而蛋白質(zhì)是細(xì)胞結(jié)構(gòu)和 細(xì)胞生化酶進(jìn)行重要化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵成分。尤里和米勒得出結(jié)論稱， 有機(jī)分子能夠來自于無氧大氣層，時(shí)最簡單的生命體也可能在這種早期環(huán)境中孕育出來。文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯歡迎下載支持7. 光的研究9世紀(jì)初期，光纖仍然

13、是一個(gè)謎題，激勵(lì)著科學(xué)家們做了一個(gè)又一個(gè)有趣的試驗(yàn)。最值得注意的是托馬斯？楊的雙縫實(shí)驗(yàn)”他的實(shí)驗(yàn)告訴人們光是一種波，并不是粒子。但在那時(shí)，人們還是不知道它有多快。1878年，物理教師邁克爾遜設(shè)計(jì)了一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，用以測(cè)定光速，并證實(shí)它是一種有限的、可度量 的數(shù)量。以下是他的實(shí)驗(yàn)步驟：1. 首先，他在校園附近的海堤上放置兩個(gè)相隔很遠(yuǎn)的鏡子，又調(diào)整好它們的位置，以使光投射在一面鏡子上后，可以發(fā)射到另一面鏡子上。他測(cè)量了兩面鏡子之間的距離，發(fā)現(xiàn)為605.4029米。2. 下一步，邁克爾遜使用一個(gè)蒸汽動(dòng)力鼓風(fēng)機(jī)使一面鏡子以每秒256轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，另一面鏡子則保持靜止。3. 他使用一個(gè)透鏡， 將一束光聚焦

14、于靜止的鏡子上，當(dāng)光照射到靜止的鏡子上后，它會(huì)將其反射至旋轉(zhuǎn)的鏡子。邁克爾遜放置了一個(gè)觀測(cè)屏幕，由于第二面鏡子處于移動(dòng)狀態(tài)，反射的光束會(huì)略有偏轉(zhuǎn)。4. 邁克爾遜對(duì)偏差值進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其距離為133毫米。5. 使用這個(gè)數(shù)據(jù)，邁克爾遜計(jì)算出光每秒可傳播299949.53千米/秒。目前，科學(xué)界公認(rèn)的光速為299792.5 ± 0.1千米/秒，可見邁克遜測(cè)量是非常精確的。更重要的是，科學(xué)家對(duì)光有了更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，也為量子力學(xué)和相對(duì)論理論打下了基礎(chǔ)。8. 揭示放射性1987年是屬于瑪麗？居里的。她和丈夫皮埃爾？居里的第一個(gè)孩子出生后還沒過幾周，居里夫人便開始進(jìn)行博士論文開題工作。她最終決定研究由

15、貝克勒爾首先發(fā)現(xiàn)的鈾射線”。貝克勒爾是在偶然情況下發(fā)現(xiàn)了這種放射線。當(dāng)時(shí)他在一個(gè)暗室里遺留了鈾鹽，當(dāng)他返回暗室后發(fā)現(xiàn)鈾鹽是一張底片感光了?，旣悾烤永餂Q定研究這些神秘的射線，并確定是否有其他元素會(huì)發(fā)出類似的射線。在實(shí)驗(yàn)早期，居里夫人了解到釷會(huì)像鈾一樣釋放出放射線，她開始把這些獨(dú)特的元素標(biāo)記為放射性物質(zhì)”并很快發(fā)現(xiàn)，不同的鈾和釷化合物釋放出的放射線強(qiáng)度并不依賴于該化合物的成份，而是基于鈾和釷的數(shù)量。最終，她將證實(shí)射線是放射性元素原子的屬性。這是一項(xiàng)具有革命性的重大發(fā)現(xiàn)，但是居里夫人 當(dāng)時(shí)并沒有意識(shí)到這一點(diǎn)。居里夫人發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦比鈾放射出更多的放射線，由此預(yù)測(cè)在天然礦物中存在著一種未知元素。皮埃 爾

16、參與了她的實(shí)驗(yàn)，他們用大量瀝青鈾礦進(jìn)行提煉，直至成功分離出了一種新的元素。他們將其命名釙”這個(gè)名字源自他們的祖國波蘭。不久之后，他們又發(fā)現(xiàn)另一種放射線元素，并將它命名為鐳”這是拉丁文的射線”之意。居里夫人是第一位兩獲諾貝爾獎(jiǎng)的人。9. 狗的研究伊萬？巴甫洛夫是一位俄羅斯生理學(xué)家和化學(xué)家，進(jìn)行了狗的唾液實(shí)驗(yàn)。您是否知道他其實(shí)對(duì)心理學(xué)和動(dòng)物行為并無興趣？他最初進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要是為了研究消化能力和血液循環(huán)系統(tǒng)。事實(shí)上，今天廣為 人知的條件反射理論，就是他在進(jìn)行犬類動(dòng)物消化系統(tǒng)研究時(shí)所發(fā)現(xiàn)的。巴甫洛夫試圖搞清唾液和胃部活動(dòng)之間的關(guān)系。在此之前，他已發(fā)現(xiàn)犬類會(huì)首先分泌唾液，在此之后胃部才會(huì)開始消化。

17、接下來，巴甫洛夫想知道外部刺激是否可以因此類似的消化反應(yīng)。為了進(jìn)行這項(xiàng)試驗(yàn)，他在為狗提供食物的同時(shí)，會(huì)點(diǎn)亮燈光、或是奏響節(jié)拍器或蜂鳴器。在沒有這些外部刺激的情況下，狗僅 當(dāng)看到食物和吃食物時(shí)才會(huì)分泌唾液。但是過了一陣子，當(dāng)狗受到光線或聲音刺激時(shí)，也會(huì)開始分泌唾液，無論食物是否存在。巴甫洛夫還發(fā)現(xiàn)當(dāng)額外刺激被證實(shí)經(jīng)常出錯(cuò)”時(shí)，這種條件反射將逐漸消失。例如：如果嗡嗡聲反復(fù)出現(xiàn)，卻沒有食物，狗最終將不會(huì)在聲音刺激下分泌唾液。巴甫洛夫于1903年公布了這項(xiàng)研究結(jié)果。一年之后，他獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，依靠的是他在消化生理學(xué)的研究成果，通過這個(gè)成果，此學(xué)科各方面的知識(shí)得以轉(zhuǎn)變和擴(kuò)展?！?0. 權(quán)威形象研究20世紀(jì)60年代，斯坦利？米爾格蘭姆的服從實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是最著名且最有爭議性的實(shí)驗(yàn)之一。米爾格蘭姆想知道，在科學(xué)權(quán)威的指示下，普通人可能對(duì)其他人造成多大程度的傷害。以下是他的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 米爾格蘭姆招募了一些志愿者 一一普通居民一一去實(shí)施電擊，同時(shí)雇傭了一些演員電擊對(duì)象。最后 的試驗(yàn)組成部分就是權(quán)威人物。在實(shí)驗(yàn)過程中，會(huì)有一名科學(xué)家始終留在房間里。2. 在每次試驗(yàn)中，科學(xué)家會(huì)向不知情的志愿者演示如何使用模擬電擊設(shè)備。這臺(tái)儀器可以讓志愿者釋放高達(dá)450伏