本書的實驗，定義了物理學的研究範疇
透視有史以來的偉大科學家
如何透過巧妙的實驗設計，從中探索物理學的世界
也為人類的科技發展奠定了重要基石

　　本書由英國廣播公司BBC知名科普節目主持人亞當‧哈特－戴維斯執筆，從科學史的角度依照時間序介紹有史以來最具突破性的重大物理學實驗，這些實驗為物理學各領域奠定了扎實基礎，也是人類科技發展的重要基石，例如：牛頓的蘋果到底是不是真的故事？人造雲和粒子移動的軌跡有何關聯？透過油滴要怎麼測量電子的帶電量？不論你感興趣的是光學、力學、電子學還是天文學，這本書都能讓你找到許多有趣且深具啟發性的解答。
 

作者簡介

亞當‧哈特－戴維斯（Adam Hart-Davis）

　　出生於1943年，英國科學家、作家、攝影師、電視節目主持人，1990年代主持英國廣播公司BBC的「地方英雄」（Local Heroes）和「羅馬人對我們有什麼貢獻？」（What the Romans Did for Us?）等系列節目，成為知名的科普傳播大將。畢業於牛津大學莫爾頓學院化學系，於約克大學取得有機金屬化學博士學位，之後曾在牛津大學出版社擔任科學圖書編輯。目前仍為英國的廣播與電視節目協助幕前與幕後工作。2007年獲英國皇家攝影學會授予榮譽會員資格。著作超過30本，包括《巴夫洛夫的狗：50個改變歷史的心理學實驗》、《歷史：從文明之初到今天》（History: From the Dawn of Civilization to The Present Day）、《時間之書》（The Book of Time）。

譯者簡介

張如芳

　　臺灣清華大學物理系畢業，輔系生命科學系，英國劍橋大學生物物理博士，論文是關於生物反應中的熱力學，後分別於美國哈佛大學、華盛頓大學擔任神經科學博士後研究，繼續利用X光和其他物理方法來研究生物上的問題。喜歡的東西從很大很大的宇宙到很小很小的生物蛋白質。曾在國際英文期刊發表多篇關於生物物理的研究論文。
 

前言 6

第一章：早期的實驗：公元前430年—公元1307年 8
約公元前430年 空氣是一種「東西」嗎？—恩培多克勒 10
約公元前240年 為什麼浴缸裡的水會溢出來？—阿基米德 13
約公元前230年 如何測量地球呢？—埃拉托斯特尼 17
公元1021年 光是如何傳播的呢？—海什木 20
公元1307年 為什麼彩虹是彩色的？—夫來伯格的希奧多瑞克 23

第二章：啟蒙時代：公元1308年—公元1760年 26
公元1581年 磁北在哪裡？—諾曼 28
公元1587年 大物體或小物體：哪一個落下的快呢？—伽利略 31
公元1648年 山頂的空氣較稀薄嗎？—帕斯卡 34
公元1660年 為什麼輪胎要充氣呢？—波以耳和虎克 37
公元1672年 「白色」是一種顏色嗎？—牛頓 40
公元1676年 光是以有限的速度前進嗎?—羅默 43
公元1687年 「蘋果掉下來」的故事是真的嗎？—牛頓 46
公元1760年 冰是熱的.....嗎?—布雷克 49

第三章：更廣的領域：公元1761年—公元1850年 52
公元1774年 你會測量世界的質量嗎？—馬斯基林 54
公元1798年 你會測量世界的質量嗎（不用到山）？—卡文迪西 57
公元1799年 沒附電池嗎？—伏打 60
公元1803年 光散開時會發生什麼事呢?—楊 63
公元1820年 磁可以生電嗎？—奧斯特和法拉第 66
公元1842年 有可能拉長聲波嗎？—都卜勒 69
公元1843年 需要多少能量來把水燒熱呢？—焦耳 72
公元1850年 光在水裡比較快嗎?—菲左和傅科 75

第四章：光、射線和原子：公元1851年—公元1914年 78
公元1887年 什麼是以太?—邁克生和莫立 80
公元1895年 X光是如何被發現的？—侖琴和貝克勒 83
公元1897年 原子裡面有什麼？—湯木生 86    
公元1898年 鐳是怎麼被發現的？—居禮和居禮 89
公元1899年 能量可以經由空間傳播嗎？—特士拉 92
公元1905年 光速不變嗎？—愛因斯坦 95
公元1908-1913年 為什麼世界大部分是真空的呢？—拉塞福等人 98
公元1911年 在絕對零度時金屬會有什麼性質？—沃斯 101
公元1911年 把頭埋在雲裡可以讓你得到諾貝爾獎嗎？—威爾森 103
公元1913年 可以測量粒子的帶電量嗎？—密立坎和夫列契 106
公元1914年 量子力學比我們想像中的還詭異嗎？法蘭克和赫茲 110

第五章：更深入探索物質：公元1915年—公元1939年 114
公元1915年 重力和加速度有關嗎?—愛因斯坦 116
公元1919年 你可以把鉛變成金嗎?—拉塞福119
公元1919年 有辦法證明愛因斯坦是對的嗎？—愛丁頓等人 122
公元1922年 粒子自旋嗎？—斯特恩和革拉赫 125
公元1923年──公元1927年 一個粒子可以波動嗎？—戴維森和革末128
公元1927年 所有事情都不確定嗎？—海森堡131
公元1927年──公元1929年 為什麼宇宙不斷膨脹呢？—傅里德曼等人134
公元1932年 反物質存在嗎？—安德森137
公元1933年 重力如何束縛星系？—茲維基140
公元1935年 薛丁格的貓是死的，還是活的？—薛丁格143
公元1939年 核子物理怎麼導致原子彈的產生呢？—西拉德和費米146

第六章：橫跨宇宙：公元1940年—公元2009年 150
公元1956年 一顆星星誕生了嗎？—塔姆等人152
公元1965年 宇宙大霹靂有回音嗎？—彭齊亞斯和威爾遜 155
公元1967年 小綠人存在嗎？—貝爾158
公元1998年 宇宙正在加速嗎?—珀爾穆特等人161
公元1999年 為什麼我們在這裡？—雷斯等人163
公元2007年 這個宇宙裡只有我們嗎？—波拉克等人166
公元2009年 希格斯玻色子能夠被發現嗎？—希格斯等人169

索引172
名詞解釋174
謝誌和參考文獻 175
 

前言

　　物理學大概是最古老的科學，歷史非常悠久。自古人類對事物運作的道理總是充滿好奇，更有不少人絞盡了腦汁，想要解開自然界的祕密。想必曾經有成千上萬的原始民族坐在夜空下，看著月亮和星星在頭頂上移動，想不通發生了什麼事。每一種文化都有自己的傳說用來解釋天象和世界的創造，而物理學則是訴諸邏輯、推論，尤其是實驗，來尋求事實的真相。

　　天文學向來是科學發展的先鋒；我們用肉眼就能觀測天空，然後編列星表和星圖，註明奇特的行星運動，以及偶爾出現的流星、彗星和超新星。約公元1600年，望遠鏡的發明讓天文學的發展前進了一步，但因為天文學者不做實驗，所以本書收錄的天文學家很少。

　　恩培多克勒的漏壺實驗，和阿基米德在浴缸中的頓悟相隔了200年，在計算和理解的程度上也不可同日而語。希臘文明式微之後出現了一段停滯期，一直到伊斯蘭黃金時代來臨，阿拉伯科學家、工程師和鍊金術士才繼續帶領科學的發展。但之後又來了一段停滯期，直到哥白尼在公元1543年發表著作闡述日心說，和67年後觀察到木星的衛星，使哥白尼學說得到實證支持的伽利略出現後，才有了改變。

　　伽利略進行了一系列革命性的實驗，接著勞勃‧波以耳和牛頓建立了物理和化學的堅實基礎。後來的科學家憑著這些新的實踐方法和理論，測量出聲速、光速、地球質量和翅膀的空氣動力學。這些成果絕大部分在歐洲完成，尤其是德國；後來美國開始嶄露頭角，從此一路領先。

　　到了19世紀末，科學界在短短五年間接連發現了X射線、放射性和電子，這些驚人的成果進一步造就了新的觀念、新的理論和新的實驗，並在20世紀初，在物質本質的理解上獲得了重大突破。

　　接下來的兩次世界大戰迫使科學家全心投入軍事研究，結果發明了雷達、微波，托克馬克反應器和核能發電。儘管如此，戰後基礎科學再一次蓬勃發展，尤其是太空人、天文物理學家和太空科學家開始深入探索宇宙的本質。望遠鏡被送上太空，在視野不受大氣干擾的地方觀測星空；電腦的運算能力則依據摩爾定律（Moore’s Law，積體電路上可容納的電晶體數目以每二年加倍的速度增加）成長。

　　21世紀是「大科學」（Big Science）的時代，牽涉到史上規模最大、最昂貴的實驗；有的實驗動員了數以千計的物理學家，利用許多超級電腦來分析實驗產生的龐大數據流。

　　即使在這一切努力之下，物理學還是永遠研究不完。不論完成多少個實驗，每個實驗都會帶出新的問題，所以一直會有問題等待解答。