電子書PDF「改变历史的100个实验(套装2册):薛定谔的猫+巴甫洛夫的狗」簡體 [英] 亚当·哈特-戴维斯 著,阳曦,张雨珊 译

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如何测量粒子携带的电荷?——测量电子

 

1897 年,约瑟夫·约翰·汤姆森发现了电子,并测量了电子的荷质比,但当时谁也不知道电子的确切质量和电量, 所以,如果能够测量电子携带的电量,我们就能算出它的质量。

1910 年,罗伯特·密立根成了芝加哥大学的教授,不过在此之前,他已经开始了自己的油滴实验。在研究生哈维·弗莱彻的帮助下,密立根设计制造了这套实验装置,它的原理其实非常简单。

 

测量微量电

利用香水喷雾器,科学家将细小的油滴喷入观察室上方的容器里,然后通过显微镜观察油滴在空气中坠落的速度。

然后他们向容器内射入一束X 射线,这种射线会电离容器内的部分空气,剥夺部分空气分子的电子,让它变成带正电的离子。如果离子化的分子与油滴发生碰撞,那么正电荷会被转移到油滴上。这不会影响油滴受到的地球引力,不过下一步,科学家会给容器施加一个电场。

观察室上下方各有一块金属板,最高可施加5300V的电压,下方的金属板是正电极,上方则是负电极。电场会对油滴施加一个与重力方向相反的力,推动它向上远离正电极板,靠近负电极板。研究者可以观察油滴是继续坠落、保持静止, 还是向上运动,并测量它的运动速度。

研究者并不知道每一滴油携带了多少电荷,但他们推测电荷应该存在一个基本单位,因此每一滴油携带的电量都应该是这个基本单位的倍数——可能是2 倍、4 倍或5 倍。

他们知道空气的黏度、每次试验时的气温以及黏度对极小液滴的不同影响。因此,根据油滴下降的速率,可以算出每一滴油的有效重量。

 

电场

然后,研究者接通电路,小心地调整电压,使液滴悬浮在空中。这项工作进展缓慢,难度极大。实验中,他们一共研究了58 滴油,有时候单单一个油滴就需要观察5 个小时。油滴保持悬浮状态时,它受到的重力正好等于电场力,而电场力可以通过此时的电压计算得出。知道了油滴的重量,就能算出它携带的电量。

然后研究者升高电压,看着油滴“向上坠落”。根据油滴的运动速率,可以再次验算它的电量。

综合多次实验的计算结果,他们最终得出结论:电荷的基本单位一定是1.592×10-19C——我们今天公认的数值是1.602×10-19C,密立根和弗莱彻的结果与这个值的误差小于百分之一。之所以会出现这样的误差,很可能是因为他们采用的空气黏滞系数有所偏差。

 

发现

这个结果非常重要,原因有几个。第一,它确认了电荷由离散的基本单元组成,而不是托马斯·爱迪生等人猜测的连续变量。

第二,如果这个数值就是最小的电量基本单元,那么它一定就是单个电子携带的电量。

第三,它帮助我们测量了阿伏伽德罗常数,这个常数的名字来自意大利科学家阿梅代奥·阿伏伽德罗。1811年,阿伏伽德罗提出,在给定的温度和压力下,任何气体的体积都与它包含的粒子(原子或分子)数量成正比。阿伏伽德罗常数的数值为6×1023,即0.035 盎司(约1 克)

氢、0.42 盎司(约12 克)碳、0.52 盎司(约15 克)氧或1.98盎司(约56 克)铁包含的原子或分子数量。

密立根在计算最终结果时排除了大约一半的实验数据,这引发了一些争议。这样的数据篡改并不明智,它可能最终走向彻底的学术欺诈。事实上,这些数据不会改变密立根的计算结果,但会增大整个实验的统计误差。

不难想象,通过显微镜观察油滴这项枯燥冗长的工作主要由研究生哈维·弗莱彻承担,但在一

份不同寻常的协议中,他与密立根达成了交换默契:密立根独享这篇论文的所有权益,而弗

莱彻则是另一篇相关论文的唯一作者,那是他的博士论文。结果,弗莱彻得到了博士学位,

而密立根获得了1923 年的诺贝尔物理学奖。

密立根不相信爱因斯坦在1905 年的论文中提出的光电效应,他做了很多高难度实验,试图证明爱因斯坦错了,但结果却适得其反。他说:“我花了十年时间试图推翻爱因斯坦在1905 年提出的等式,结果却事与愿违。到了1915 年,我不得不承认,爱因斯坦的理论是对的,尽管它看起来很不合理。”

你何时会停手?——米尔格拉姆实验

 

耶鲁心理学教授斯坦利·米尔格拉姆想要探究被试对权威的服从性有多高。他的灵感来自于查尔斯·珀西·斯诺在1961 年发表的言论:“可怕的罪行更常因为‘服从’而犯下,而非‘反抗’。” “二战”期间,数百万无辜的人在命令之下死于屠杀和集中营的毒气——这是一个让人痛苦的事实。

 

“老师”和“学生”

米尔格拉姆邀请了40 位被试参加一项学习实验,实验在表面上是为了测试惩罚对记忆的效果。每名被试都在耶鲁大学的实验室中见到了另一个人,一名穿着灰色实验外套的冷漠、严肃的研究人员。研究人员向他们解释了实验流程,一开始他们需要从一顶帽子中抽签,以确定哪些人做“老师”,哪些人做“学生”。实际上,抽签是事先操作好的,所有的纸条上都是“老师”,因此被试抽到的永远是“老师”。随后,“老师”会看到被绑在椅子上的“学生”和贴在学生手腕上的电极片。如果“老师”质疑这一点,研究人员便解释说:“虽然电击会造成痛苦,但它不会对人体造成永久性的损害。”

“老师”接着被带到另一个房间,并且只能通过麦克风和耳机与“学生”进行交流。记忆测试的过程是,“老师”朗读一系列配好对的单词,接着说出某个单词以及四个选项,“学生”必须选择出正确配对的选项。如果“学生”回答正确,“老师”就接着念列表中的下一个单词。如果“学生”回答错误,“老师”便按下开关,对“学生”施加电击。有30 个排成一列的开关,“老师”从第一个开始按,“学生”每错一次,便向上移动一个开关。

 

他们何时会停手?

第一次电击只有15 伏特(“轻微电击”),但接下来的电压越来越高——30 伏特、45 伏特、60 伏特,一直到420 伏特(“危险的重度电击”)和最高的450 伏特(简单地标记为“XXX”)。在实验开始之前,为了令“老师”相信发电机的真实性,研究人员给“老师”施加了一个45 伏特的样品电击。

事实上,“学生”是米尔格拉姆的同事——一名训练有素的47 岁的会计师——“电击发生器”是假的,他没有受到任何真正的电击。“学生”不停地回答问题,基本都是错误的,电压一直加到300 伏特。这时,“老师”通常会向研究人员寻求指示,研究人员会让他们给出十秒钟的等待时间,然后施加下一次更高的电击。

没过多久,“老师”会再次询问是否应该继续实验。

研究人员礼貌但坚定地给予一系列的劝告:

 

1. 请继续。

2. 实验要求你继续。

3. 你必须要继续。

4. 你没有其他选择,你必须继续。

 

你认为会有多少“老师”拒绝继续施加虐待?你或许以为大多数人会很快立即拒绝,一组心理学家预测,最糟糕的情况下,将实验进行到底的被试占总体的3%。但事实上,在300 伏电压以下,没有一个“老师”停手,并且坚持到最高450 伏电压的人数超过了26 个。随着每次实验的进行,所有的“老师”大量地出汗、颤抖、发抖、呻吟,指甲抠进手掌中,其中14 个人因过于紧张而突然笑出声。

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