从测量地球周长到发展光学 人类史上十个最重要实验

　　杨、戴维森和革末发现粒子的波动性

　　时间：分别于1801年和1927年

　　光究竟是粒子还是波？科学家曾被这一问题困扰许久。在牛顿的光学研究之后，许多物理学家决定将其视为一种粒子。但英国科学家托马斯•杨最终有力地打破了这一传统认知。

　　杨涉猎极其广泛，从埃及学（他曾在罗塞塔石碑的破译中助了一臂之力）到医学、再到光学，他都有着浓厚的兴趣。为探索光的本质，杨在1801年设计了一项实验。他在一个不透明的物体上开了两道狭缝，让阳光从狭缝射入，然后观察光在对面屏幕上产生的明暗相间的干涉图样。据他推断，这些图案是光以波的形式向前传播时产生的，就像涟漪在池塘水面上不断扩散时、两道波的波峰和波谷会相互叠加或抵消一样。

　　尽管当时的物理学家们最初并不认可杨的发现，但他的“双缝实验”被人们做了一次又一次，最终证明构成光的粒子的确会以波的形式传播。双缝实验的难度并不大，因此很有说服力。该实验设计相对简单、容易实现，验证的概念却又极其重要，这种例子在科学史上并不多见。

　　一个多世纪之后，由克林顿•戴维森和莱斯特•革末开展的相关实验进一步证明了这一概念的重要意义。他们将电子射入镍晶体中，散射后的电子在相互作用后产生了一种独特的图案，而假如电子没有波动性，这种图案是不可能出现的。后续用电子开展的类双缝实验证明，具有质量和波动能量的粒子既可以表现出粒子性、又能表现出波动性。当时的科学家们正好刚开始从基本粒子层面解释物质行为，而这一看似矛盾的理论正是量子物理的核心。

　　归根结底，这些实验说明世间万物均具有波动性，无论是“实实在在”的固体、还是“虚无缥缈”的辐射，都不可避免地具有这种性质。这一发现实在出人意料，甚至有些违反直觉，但自此之后，物理学家在研究物质时不得不将波动性考虑在内。

　　罗伯特•潘恩研究海星

　　时间：最早于1966年发表的论文中提出

　　到了上世纪60年代，生态学家已经达成了共识：生物聚居地的繁荣兴盛主要通过生物多样性实现。科学家采用的研究方式一般是对大大小小生物构成的生态网进行观察。但罗伯特•派恩却独辟蹊径，采用了另一种研究方法。

　　派恩很好奇对某个环境进行人工干预后会发生什么事情。于是他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。

　　俄勒冈州立大学的海洋生物学家简•卢布琴科评论道：“派恩的影响具有变革性意义。”她和她的丈夫、同在该大学任教的布鲁斯•曼格曾是派恩的学生。卢布琴科在2009至2013年间担任过美国国家海洋与大气管理局主管，亲眼见证了派恩的关键物种概念对渔业管理政策的深刻影响。

　　卢布琴科和曼格认为，正是派恩的求知欲望与不懈精神改变了这一领域。“他对灵感怀有一种孩童般的热忱，”曼格评论道，“他在好奇心的驱使下开展了这项实验，然后取得了惊人的成果。”

　　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，如通过气候变化和无限掠夺、改变了全球生态系统等等。