没有人可以质疑科学对人类文明的影响，科学实验的重要性同样不可否认。一些实验证实了我们已经知道的事情，另一些实验则提出了一种驱动观察到的现象的机制。

对于后一种类型的实验，想想古希腊博学者阿基米德在浴缸中意识到水的位移与放置在其中的物体的体积直接相关，传说这导致他赤身裸体地跑到街上大喊“尤里卡！” – 我们现在知道的事情可能没有发生。

大多数科学研究都是基于调查“已知的未知数”——科学家观察某事，提出要检验的假设，然后设计实验来检验它。但其他实验对我们的理解产生了更深远的影响，提出了我们不知道的事情——“未知的未知数”。

在整个科学史上，所有主要学科都进行过实验，这些实验带来了范式转变甚至打破现状的结果。

但是，当谈到我们对宇宙的理解时，可以说没有哪个科学领域比物理学更能从根本上改变我们对宇宙的理解——包括天文学，也许是最早的科学、粒子物理学、核物理学、宇宙学和量子力学。有些实验是在物理上进行的，而另一些则是在历史上一些最伟大的思想中假设进行的。

这些物理实验从根本上改变了我们看待宇宙和我们在其中的位置的方式。

地球与其他行星一起绕太阳公转的想法似乎没有特别的争议，但我们在宇宙中没有占据独特的视角或特权位置这一事实在 1600 年代终于开始获得影响时引起了巨大的波澜牵引力。

尽管球形地球围绕“中心火”旋转的概念早在公元前 5 世纪就通过哲学家Philolaus和 Hicetas 的沉思播下了日心说的种子，两个世纪后萨摩斯岛的阿里斯塔克斯从 2 世纪开始扩展了一些东西公元世纪的科学思想一直被亚历山大的克劳迪乌斯·托勒密的地心说或以地球为中心的理论所主导。

这种情况持续了将近 1,400 年，直到1543 年尼古拉·哥白尼 ( Nicolaus Copernicus) 的 De revolutionibus orbium coelestium libri VI或“关于天球运动的六本书”的出版，这让日心说重新回到了桌面上。

正是意大利自然哲学家、天文学家和数学家伽利略·伽利莱 (Galileo Galilei) 进行了实验，最终证明所谓的以太阳为中心的太阳系哥白尼模型最终被接受为局部尺度空间的准确版本。

1610年，伽利略用他的望远镜观察了金星，发现它和月亮一样有月相。

伽利略推断，这些阶段只能通过金星绕太阳运行来解释，有时会在我们的恒星后面和后面经过，而不是绕地球旋转。

地球不是宇宙中心的概念会激怒教会，认为它与圣经相矛盾。这导致了针对伽利略的调查程序，导致他被禁止谈论或撰写有关日心说的文章。

色彩的本质：Netwon split light

尽管艾萨克·牛顿爵士的运动定律和他对引力理论的贡献被广泛认为是他的最高成就，但《数学原理》作者的巨大热情却是光学。

17 世纪初，随着显微镜等仪器的发展，光学作为物理学的一个领域发展起来，牛顿决定研究光的本质，进而发现颜色是如何产生的。

牛顿为此设计的实验非常简单。物理学家在他的百叶窗上推了一个小针孔，让一小束阳光透过。他发现当被棱镜折射时，这种光变成了由不同颜色组成的长方形。牛顿发现，无论他切出的孔的形状或大小如何，也无论太阳光束的形状如何，折射光仍然是相同颜色、相同顺序的长方形块。

更令人惊讶的是，他发现如果引入第二个黑色，他可以将彩虹变回白光。

这表明来自太阳的白光是由不同颜色的混合物组成的。更深入地研究，牛顿发现红光或蓝光在被棱镜折射时保持不变。

也许这个实验产生的最重要的发现是光的折射角取决于它的颜色，这是光的颜色有它们自己的频率和波长的第一个暗示。

原子之心：盖格-马斯登实验

原子的概念——物质不能再被切割的点——可以追溯到古希腊，这个词本身来源于希腊语“atomos”，意思是“不可分割的”。直到 1897 年，科学家们都认为原子没有内部结构，是物质的最小单位。那是在约瑟夫·约翰·汤姆森 ( Joseph John Thomson ) 发现带负电的小粒子——电子之前。

1904 年，JJ Thomspon 在他恰当命名的李子布丁原子模型中提出，这些粒子嵌入带正电的物质中，很像分散在李子布丁中的水果。

这个模型被盖革-马斯登实验推翻了，盖革-马斯登实验也被称为金箔实验或 α 粒子散射实验，由欧内斯特·卢瑟福开创并由他的门生欧内斯特·马斯登和汉斯·盖革进行。

发射 α 粒子——我们现在知道它与 4 号氦原子核相同——由放射源在一片金箔薄片上发射，卢瑟福推断，如果原子的李子布丁模型是正确的，这些行进的粒子将经历最小的偏转。这是因为 α 粒子的质量大约是电子的 7,000 倍。

1911 年的实验表明，α 粒子偶尔会发生大偏转。虽然 20,000 个 α 粒子中只有一个被偏转 45° 或更多，但这足以引发对原子的重大反思并揭示原子核的存在。 

卢瑟福将结果比作向一张薄纸发射 15 英寸炮弹并让它直接弹回给你！

这表明原子中的大部分物质都集中在它的中心。卢瑟福提出了一个原子模型，其中电子围绕着一个巨大的带正电的原子核运行。

这个模型及时会被推翻，但它代表了发现质子和中子以及揭示原子结构的重要一步。

孪生悖论：时间是相对的（空间也是）

对于牛顿来说，空间的概念相当简单。宇宙事件简单展开的舞台。但是，在 20 世纪的头二十年里，阿尔伯特·爱因斯坦打破了平淡无奇的空间概念，表明空间本身是宇宙事件的参与者，既指挥着行动又受到其他参与者的影响，例如作为质量。这本身就是革命性的，但爱因斯坦并没有就此止步，他展示了时间和空间是一个具有第四维时间的单一实体，就像空间一样会根据观察者的情况而发生变化。

虽然爱因斯坦成为 Gedanken 实验（或思想实验）的大师， 以发展狭义相对论和广义相对论，但有一个思想实验最能体现爱因斯坦开创性的时间方法，即所谓的“孪生悖论”。 “

双胞胎悖论表达了“移动的时钟走得慢”的想法和时间膨胀的概念。它想象双胞胎姐妹——泰拉和阿斯特拉——后者乘坐火箭从地球发射升空，前往遥远的恒星系统。Terra 在地球上等待，从她的参照系中，她会看到 Astra 的时钟走得很慢。 

但是，这里引入了悖论元素。

悖论元素

在 Astra 的参照系中，移动的不是她的时钟，而是 Terra 的。这意味着她看到 Terra 的时钟走得比她的慢。那么问题来了，谁是对的？时隔多年阿斯特拉回到地球，姐妹俩重逢，谁大？

姐妹俩发现 Terra 已经老去，而 Astra 却保持着青春，这是狭义相对论的关键方面之一，它只适用于非惯性参考系——不加速的参考系。在阿斯特拉的宇宙之旅中，她有很多次需要加速，其中也包括改变方向。

Terra 和 Astra 之间的年龄差异取决于她的速度、她离开的时间以及她不得不改变速度或方向的次数等因素。

时间膨胀的影响不再局限于思想实验。物理学家已经测量了它对称为 Muon 的短命效应的影响。当宇宙射线撞击高层大气时，这些粒子应该只存在 2.2 微秒。即使考虑到时间膨胀和 μ 子令人难以置信的速度——-0.98c 或光速的 98%——这些粒子中也很少能存活足够长的时间来撞击我们星球的表面。但由于时间膨胀，就像阿斯特拉保持青春一样，这些粒子中的许多确实存活了足够长的时间到达地球表面。

什么是光？双缝实验

光通过棱镜时的分裂是我们对现实的这一基本方面进行调查的开始。几十年来，物理学家一直在争论光是粒子还是波。双缝实验证明光既不是粒子也不是波，而是兼有两者的性质。

双缝实验从单色光开始——一种波长的光，因此是一种颜色的光——通过两条狭缝照射，狭缝的宽度与其波长相隔一段距离。 

当波浪通过两个狭缝时，它分裂成两个新的波浪——就像水波遇到岩石时所做的那样。这两个波然后相互干扰，在波峰与波谷相遇的地方，它们会相互抵消——所谓的破坏性干扰。然而，在峰与峰相遇的地方，波被加强——相长干涉——以及光线最亮的点。 

在屏幕后面的第二面墙上，光线产生了条纹图案，称为干涉图案。这证明了光的波动性，但这个实验还有更多。

如果通过狭缝发出的光强度降低到一次一个光子，我们就会在屏幕上看到粒子状分布。但是，随着粒子的堆积，干涉图案开始形成，就像光子在自我干涉一样。 

这表明，虽然检测到光子具有粒子的特性，但通过双缝出现波特有的干涉，从而揭示光子具有粒子和波的特性。

物质中的粒子波重度：双缝实验第 2 部分

物理学家并没有完成双缝实验。它已经揭示了光的粒子波二象性，但研究人员决定用另一种粒子进行实验，用电子代替光——微小的带负电的基本物质粒子。

使用电子枪通过双缝部分发射粒子到荧光屏或其他类型的粒子检测器，电子似乎随机出现。

随着越来越多的电子通过狭缝，干涉图案——暗“命中”和光未命中的带——就像我们在光子中看到的那样发展，这意味着电子就像光子一样传播——就像波一样。

如果再次进行实验，这种干涉图案就会消失，但这次其中一个狭缝关闭，这会导致屏幕上出现一堆命中，就像我们对子弹的预期一样。

在两个狭缝都打开并且电子一次从一个狭缝滴落的情况下重新运行实验，我们发现干涉图案再次开始出现。这意味着像光子一样，电子在穿过双缝时会相互干涉。

这样做的结果是我们被迫放弃了粒子在空间中拥有单一定义轨迹的经典想法。可以认为粒子穿过每个狭缝，造成相长干涉和相消干涉。它还表明物质——如光——表现出粒子波二象性。

量子纠缠：研究远距离的怪异行为

任何震惊爱因斯坦的科学现象都必须是革命性的。纠缠的概念是指两个粒子可以以一种改变一个立即改变另一个的方式联系起来。但是，令爱因斯坦困扰的是，即使粒子位于宇宙的两端，这种变化也会瞬间发生。

这挑战了局域现实主义的物理学 理念——物理变化的原因必须是局域的，并且物体的属性是真实的并且存在于我们的物理宇宙中，独立于我们的思想。这些挑战导致爱因斯坦将纠缠描述为“远距离的幽灵般的作用”，并导致他在生命的最后几年设计思想实验，以证明量子物理学理论是不完整的，隐藏的变量可以解释纠缠的性质。

物理实验将最终验证纠缠的非局域性。在 1960 年代，物理学家约翰·贝尔设计了一项名为贝尔不等式的测试来寻找隐藏变量。

目的是检验三个假设；局部性、现实主义和选择自由——物理学家可以在不受隐藏变量影响的情况下自由进行测量的想法。测试贝尔不等式的实验表明，当粒子纠缠在一起时，测量结果在统计上的相关性比经典物理学描述的非量子系统中预期的要高。

大多数物理学家认为，纠缠违反了贝尔不等式的第一或第二原则。可以肯定的是，纠缠粒子的变化会导致其伙伴的瞬时变化。

猫、盒子和毒药

量子物理学描述的亚原子世界的规则很奇怪。科学家们会将此描述为违反直觉的，也许一个最重要的思想实验完美地证明了这种怪异。

在量子力学中，一个系统的非常小的可能状态的物理特性是由可以重叠的波函数决定的。这意味着由波建模的量子系统可以被描述为同时存在于多个状态——一种 叠加 ——当测量或被迫与另一个系统相互作用时，这些状态会崩溃并取一个值。

作为所谓的量子力学哥本哈根解释的一部分，埃尔温·薛定谔想要展示这一理论的缺陷，并无意中创造了有史以来最受关注的思想实验之一——薛定谔的猫。

薛定谔建议把一只猫放在一个装有恶魔装置的盒子里——一瓶致命的毒药，它会在原子核衰变时破裂。因为原子的衰变是一个完全随机的过程，所以不打开盒子就无法确定是否发生了衰变。

这意味着，如果我们将盒子视为一个量子系统，则薛定谔的猫处于终极叠加状态——同时既死又活。当系统的波函​​数崩溃并且发现猫是死的或活的时，情况只会在打开盒子时解决。

什么是宇宙微波背景？

宇宙微波背景辐射 (CMB)是大爆炸后不久被称为“最后一次散射”的事件遗留下来的辐射。大约在 140 亿年前，宇宙已经冷却到足以让电子与质子结合形成第一个原子的地步。

因此，光子不再被自由电子无休止地散射，而是突然被允许在宇宙中自由穿行。换句话说，宇宙从不透明变为透明。来自这一点的辐射应该具有均匀的温度，并且一些辐射以高度均匀的方式在宇宙中传播。

直到 1965 年，鲍勃·迪克和他的普林斯顿大学团队一直在孜孜不倦地寻找这种“宇宙化石”冻结在宇宙中的证据。但是，他们不知道的是，距离新泽西州仅 50 英里左右的另一个团队已经探测到 CMB，只是他们还不知道而已。

天文学家阿诺·彭齐亚斯 (Arno Penzias) 和罗伯特·威尔逊 (Robert Wilson) 在贝尔实验室的霍姆德尔喇叭天线（一种微波射电望远镜和卫星通信系统）上遇到了问题。两人试图使用这种灵敏的仪器在银河系中寻找氢，但他们从天空的所有区域都接收到相同的嗡嗡声。两人多次试图摆脱这种“背景噪音”，试图限制他们发生的一切可能导致这种静电的事情。

潜得更深

这涉及消除绝缘不良的电线，甚至涉及爬入喇叭形天线以去除他们称之为“白色介电材料”的东西——鸽子给你和我留下的粪便——由栖息的鸟类留下。彭齐亚斯和威尔逊最终确定信号不是来自地球。直到在普林斯顿与迪克交流时，彭齐亚斯和威尔逊才意识到他们发现了什么。在与贝尔实验室团队进行了简短的电话交谈后，迪克对他的团队说的话说明了一切：“好吧，孩子们，我们被抢先了。”

Arno Penzias 和 Robert Wilson 因发现 CMB 而与 Pyotr Leonidovich Kapitsa 分享1978 年诺贝尔物理学奖， “因为他在低温物理学领域的基本发明和发现。

我们现在知道 CMB 使宇宙充满了 2.7 K 的均匀温度——比绝对零高不到 3 度，并且一度在美国的每个起居室都可以看到比特效应。根据 NASA的说法，CMB“负责你的电视机上有相当多的静电——好吧，在有线电视时代之前。把你的电视调到一个“中间”频道，你会看到的部分静电是大爆炸的余辉。

CMB 最终揭示了宇宙在其早期历史中经历了一段快速膨胀的时期，这无疑证实了宇宙学的大爆炸模型。但膨胀的宇宙尚未对我们对宇宙的理解造成最大的打击。

什么是暗能量？宇宙正在膨胀……而且还在加速

20世纪初，埃德温·哈勃从观测到的星系距离与退行速度的关系中发现宇宙正在膨胀。

直到 1929 年，以及哈勃的短篇论文《银河系外星云中距离与视向速度的关系》的发表，科学界的普遍共识是宇宙是静止不变的。阿尔伯特·爱因斯坦甚至在他的宇宙方程中添加了一个称为宇宙学常数的因素——用希腊字母 Lambda 表示——以确保它保持静止。

但是，如果说这一发现令科学界感到意外，那么 1998 年宇宙膨胀加速的发现则令人震惊。要了解这是为什么，想象一下挥杆，然后看着它逐渐变慢。就在它即将突然停止时，它又开始加速，尽管没有施加任何力，它仍在加速。

这就是天文学家检查遥远的 Ia 型超新星的发现——被称为“标准烛光”，因为它们均匀的光输出如何使它们成为出色的距离测量——暗示宇宙正在发生。尽管在大爆炸最初的快速膨胀之后速度有所放缓，但空间结构再次加速膨胀。

这导致引入了“暗能量”作为驱动这种加速膨胀的任何力量的占位符。自最初的超新星观测以来独立证实，美国宇航局现在估计暗能量占宇宙物质/能量含量的 68%。

暗能量的影响现在用重新引入的宇宙学常数来描述 ——仍然以 lambda 为代表——以新的目的从科学垃圾箱中拯救出来。

无限世界：发现系外行星

自从人类知道恒星和太阳一样是天体以来，我们就一直想知道可以围绕这些遥远的恒星运行的行星，以及它们是否可以像地球一样潜在地孕育生命。

然而，尽管天文学历史悠久，而且可以说是第一门科学，但要到 20 世纪末才能发现太阳系外的第一颗行星——太阳系外行星或系外行星。

系外行星发现的两个主要“第一”都发生在 1990 年代。1992 年 1 月，天文学家 Dale Frail 和 Aleksander Wolszczan 宣布发现了两颗岩石行星和第三颗可能绕脉冲星运行的行星 ——PSR B1257+12—— 距离地球近 2,000 光年。

脉冲星是快速旋转的中子星并释放出强大的辐射，这意味着PSR B1257+12周围的三颗行星不可能支持生命存在。

探索将继续

1995 年，Michel Mayor 和 Didier Queloz 发现了飞马座 51 b  ，这是一颗所谓的热木星系外行星，离它的恒星非常近，表面温度高达 1,000-1,800 华氏度，绕轨道运行仅需四天。

两人因这一发现而分享了 2019 年诺贝尔物理学奖，他们使用一种称为视向速度技术的检测方法定位了这颗行星。这测量了一颗绕轨道运行的行星在其主恒星中引起的微小摆动。微小的运动会导致恒星发出的光的波长发生轻微变化。

如果它被拉远，这会使恒星发出的光更红，或者如果它被拉向地球，则发出的光更蓝，天文学家可以用它来推断行星的存在。

自从发现第一颗系外行星以来，人类就没有回头。NASA 的系外行星目录现在包含 4,800 多个已确认的太阳系以外的世界——这证明了可以精确定位最微小信号的探测方法的威力。

其中，美国宇航局表示已使用视向速度法发现了927 颗行星。这使其成为仅次于凌日法的第二大最成功的系外行星探测方法——该方法测量行星经过其恒星表面时光线的微小下降——据美国宇航局称，该方法已被用于发现 3854 颗系外行星。

随着詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)的出现，系外行星科学的黄金时代真正开始了。