六大重量级科学实验

◆本刊综合

说到科学实验，同学们都很熟悉吧？

人们每天都会开展各种各样的科学实验，先提出一个假设，再设计实验方案，然后进行实验操作，观察实验现象并进行分析，最终得出结论。这种“实验”可能只是用微波炉热菜多热了几秒钟，或者放学回家时负重走了一条不同的路，又或者是煮饭时往米中加入了一种不同寻常的食材。但无论实验难度如何，这种刨根问底的探究精神是人类做出任何发现的根基，而且实验帮助我们加深了对现实本质的了解。

在浩如烟海的实验中，有几项实验经受住了时间的考验，可以作为人类探索世界的绝佳代表。这些实验有些精巧，有些粗糙，有些还有侥幸成分，但每个实验都深刻改变了我们看待自身以及宇宙的方式。

埃拉托色尼测量地球周长

实验结果：人类记录的首个地球周长

时 间：公元前3世纪末

地球究竟有多大？埃拉托色尼的测量结果之精确，现在依然令人震惊。

埃拉托色尼是希腊一名涉猎广泛的学者，喜欢他的人称他为“五项全能选手”，而讨厌他的人给他起了个绰号叫“β”，原因是他常常改变研究领域，在所涉猎的领域都屈居第二。

埃拉托色尼的博学多识为他赢得了埃及亚力山大里亚图书馆一级图书员的职位。正是在那里，他开展了一项著名的实验——测量地球周长。

埃拉托色尼听说尼罗河流经的赛伊尼城中有一口井，在夏至那天，正午的阳光可以直射井底，不会在井边投下一丝阴影，这一现象引起了他的极大兴趣。于是在几年后的同一日期的同一时间，他测量了亚历山大里亚一根竖杆投下的阴影的长度，据此算出阳光与竖杆之间的角度为7.2°，即圆周角360°的1/50。埃拉托色尼知道地球是个球体，因此推测只要知道亚历山大里亚与赛伊尼之间的距离，再乘以50，就能得到地球的周长。得到需要的信息后，他算出地球的周长为250 000希腊里（约等于45 866千米），与实际数值40 076千米相当接近。

埃拉托色尼测量地球大小的动机是出于对地理学的热爱，而“地理学”这一名称正是他创造的。现代人又给他起了一个绰号——“地理学之父”。

罗伯特·派恩研究海星

实验结果：发现关键物种对生态系统的重要影响

时 间：最早在1966年发表的论文中提出

上个世纪60年代，生态学家达成了共识：生物聚居地的繁荣兴盛主要通过生物多样性实现，他们采用的研究方法一般是对大大小小的生物构成的生态网进行观察。但罗伯特·派恩独辟蹊径，采用了另一种研究方法。

派恩很好奇对某种环境进行人工干预后会发生什么事情，于是在美国华盛顿州海岸边的潮池中开展了海星驱逐实验，结果发现，驱除这一物种会破坏整个生态系统的稳定性。失去了海星的制约，藤壶开始疯狂生长，为贻贝提供了丰富的食物，使贻贝数量迅速增加，导致帽贝和藻类植物的生存空间受到挤压，最终整个食物网变得支离破碎，潮池变成了一个由贻贝主宰的“天下”。

由于海星是整个生态系统的中流砥柱，派恩将其称为“关键物种”，这里所说的“关键”是一个相对概念，意味着给定生态系统中各种生物所做的贡献比例并不完全相同。派恩的发现对生态保护产生了重大影响，改变了“为保护而保护”的狭隘做法，而是制定以整个生态系统为基础的管理策略。

派恩于2016年逝世。在职业生涯后期，他开始探索人类作为“超级关键物种”造成的深远影响，如通过无限掠夺改变了全球生态系统等。

格雷戈·孟德尔发展遗传学

实验结果：发现基因遗传的基本规则

时 间：1855年—1863年

孩子的容貌总会与父母有几分相似，这是为什么呢？一直到一个半世纪前，身体特征遗传的奥秘才被揭开，这要归功于格雷戈·孟德尔。

孟德尔虽然身为农民的儿子，没有接受正规教育，但在自然科学方面颇具天赋。在一名教授的建议下，他在1843年加入奥古斯都修道院——一个注重研究与学习的修道士团体。

在布尔诺的一家修道院安置下来后，生性害羞的孟德尔很快学会了在花园中打发时间。一种名为“倒挂金钟”的植物引起了他的注意，这种植物造型极其优雅，仿佛出自名家之手，受它启发，孟德尔开展了一些著名实验。他尝试给不同品种的倒挂金钟交叉配种，试图培育出新的颜色搭配。在这个过程中，他得到了一些重复结果，暗示遗传有一定的规律可循。

在孟德尔培育豌豆的过程中，这些规律变得更加明了。孟德尔用画笔给豌豆人工授粉，在长达7年的时间里，用成千上万株具有特定性状的植株进行杂交实验，并详细记录了杂交结果。例如，如果让黄豌豆和绿豌豆杂交，培育出的后代永远都是黄豌豆；但如果再让这些黄豌豆培育出的植株进行自交，收获的种子则有1/4是绿豌豆。据此，孟德尔提出了“显性”因子和“隐性”因子概念，而所谓“因子”正是我们如今所说的基因。

由于孟德尔的研究过于超前，在当时并未受到太多关注。但几十年后，其他科学家发现并复制孟德尔的实验，尊其为一项重大突破。

牛顿研究光学

实验结果：进一步了解了色彩与光的本质

时 间：1665年—1666年

在成为举世闻名的科学家前，牛顿有过一段无所事事的时光。当时他本在剑桥大学读书，但为了躲避剑桥城内爆发的一场瘟疫而回到家乡。在那里的集市上，他买了一个小棱镜，然后在家摆弄起来。

当时，主流思想认为光透过的介质是什么颜色，光就会变成什么颜色，但牛顿不信服这个说法，于是用棱镜开展了一系列实验，结果证明，颜色是光的自带特性。这种革命性的观点开创了名为“光学”的新领域，在现代科技中发挥至关重要的作用。

牛顿的实验设计十分精巧：他在一扇百叶窗上钻一个小孔，让一束阳光从中通过，然后接连穿过两个棱镜。光透过第一个棱镜后被分解成不同的颜色，他特意挡住其中一部分颜色的光，不让它们透过第二个棱镜。通过这个方法，他发现不同颜色的光穿过棱镜时的反射角度或折射角度不同。接着，他从被第一个棱镜分解的光线中挑选出一种颜色的光线，让它单独穿过第二个棱镜，这束光从第二个棱镜射出后，颜色并没有发生变化，说明棱镜不会改变光线的颜色，介质本身对光线颜色不会产生影响，颜色应当是光线本身具有的性质。

由于这些实验是牛顿临时起意、在家中完成的，再加上他在1672年发表的论文中对实验的描述不够详尽，其他科学家一开始没能顺利复制出他的实验结果。开展这些实验的技术难度很大，但一旦亲眼见到了实验结果，就很容易被其说服。

伊万·巴甫洛夫研究条件反射

实验结果：发现条件反射现象

时 间：19世纪90年代—20世纪初

俄国生理学家伊万·巴甫洛夫热衷于以狗为研究对象开展实验。虽然他的科研成果似乎总与狗的唾液有关，但他对思维的巧妙运用使其至今仍备受赞誉。

在实验中，巴甫洛夫和学生们将一根管子固定在杂种狗的嘴中，用来收集唾液，他们注意到到了喂食的时间，还没等食物吃进嘴里，这些狗就开始流口水了。就像其他身体机能一样，当时人们也将唾液的分泌视为一种反射，只有咀嚼食物时才会无意识地发生，但巴甫洛夫的狗却学会了将实验人员的长相与食物联系在一起，这意味着它们的生理反应会受到过往经历的影响。

在巴甫洛夫进行这项研究前，反射一直被视作一种固定不变的现象。但这项研究表明，反射可以受个人经历的影响而发生改变。

接下来，巴甫洛夫和学生们还教狗将食物与一些中性刺激因素联系在一起，如蜂鸣声、节拍器、旋转的物体、黑色方块、哨声、闪光以及电击等。

这些发现奠定了经典条件反射（又称巴甫洛夫条件反射）理论的基础。我们身上无时无刻不发生着巴甫洛夫条件反射，大脑会不断地将我们经历过的事物联系在一起，而切断这些条件反射之间的联系恰恰是目前治疗创伤后应激障碍症的主要策略。

威廉·哈维研究血液循环

实验结果：发现血液循环机制

时 间：理论发表于1628年

古希腊名医兼哲学家盖伦曾在公元2世纪提出了一套血液流动的理论，尽管漏洞百出，但盛行了近1500年。这套理论包括：肝脏会利用我们吃下的食物不断生成新鲜血液；血液通过两条不同的路径流遍全身，其中一条通过肺部吸收空气中的“生命元精”；被组织吸收的血液永远不会流回心脏。

为了推翻这套理论，后人做了许多令人毛骨悚然的实验。

刚开始，詹姆士一世的皇家医生威廉·哈维通过给羊、猪等动物放血对盖伦的血液理论进行了苦心钻研。但随后他意识到，假如事实真如盖伦所言，那么每小时流经心脏的血量将超过动物的总体积，这显然是不可能的。

为了使这一点深入人心，哈维当众将活生生的动物剖开，证明动物体内的血量其实很少。他还切开蛇的胸膛，让心脏暴露在外，并用手指捏住蛇的主静脉，让血液无法进入心脏，结果心脏迅速收缩、变得苍白。将其刺破后，喷出的血液微乎其微。相反，如果阻断主动脉，心脏则会肿胀。通过研究爬行动物和哺乳动物濒死时心脏跳动变慢这一现象，他领悟了心脏的收缩规律，并推断出心脏会泵出血液，而血液在流经全身后又会沿着一条回路流回心脏。

哈维还在志愿者身上做实验，如暂时阻断四肢的血液进出等，这些实验进一步完善了哈维革命性的血液循环理论。他在1628年出版的《心血运动论》一书中完整地阐述了自己的理论。此外，他采用的“以证据为基础”的研究方法使医学界发生了巨大转变。