图源Wikipedia
物理学家焦耳曾设计了如图所示的实验来测量热功当量。他在装水的瓶子里安装桨叶，一重物下降带动桨叶旋转，搅动瓶中的水，水受到搅动温度升高，测量水的温度升高量，可以计算出水升温所需的热，比较重物下落的功和水升温所需的热之间的关系，就得到了热功当量。焦耳的实验定量地确认了热和功的等价关系，为“热动说”提供了强有力的支持。
后世更精确的实验给出1卡路里的热相当于4.18焦耳的功，大家可能注意到了，这个数值为什么和水的比热容那么像？没错，实际上，热功当量这个物理量就是水的比热容。
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弗兰克-赫兹实验
图源[2]
弗兰克-赫兹实验旨在验证玻尔原子模型中的能级理论。
在弗兰克-赫兹实验中，气态汞被放置在真空管中，管内包含两个电极。一个电极被加热以产生热电子，并被电场加速。这些电子通过一个正电压区域，然后进入另一个电极。在这个过程中，电子与汞原子碰撞，将能量传递给汞原子。
通过测量在不同电压(对应电子初始动能)下电子产生的电流(对应电子与汞原子碰撞后的动能)的分布，弗兰克和赫兹观察到：在某些电压下，电流突然减小，这表明电子在与汞原子碰撞后失去的能量是分立的。这些出现电流突变时的电压值正好与玻尔模型中预测的汞原子能级之间的能量差相匹配。
这个实验的结果证实了玻尔原子模型中的能级理论，为量子力学的建立和发展奠定了基础。
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吴健雄宇称不守恒实验
吴健雄的实验证明了弱相互作用的宇称不守恒。简单来说，宇称就是描述物理系统在进行空间镜像翻转时是否保持不变的性质。如果物理系统在镜像翻转后保持不变，那么我们称宇称守恒。
吴健雄的实验考察的是自旋朝同一个方向排列的Co原子(核)，Co会发生衰变，放出电子。如果对这个系统进行镜像操作，那么放出的电子的运动方向会相对于镜面发生翻转，而核自旋方向会保持不变。
如果宇称是守恒的，那么镜像操作前后系统应保持不变，那么相对于Co核自旋的方向朝前发出的电子数应该等于朝后发出的电子数。
但是，朝前发出的电子数不等于朝后发出的电子数。所以宇称不守恒。这个结果震动了物理学界，也揭示了深刻的自然规律。
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引力波和γ射线暴联合观测
图源Pixabay
广义相对论预言了引力波的存在，2015年LIGO直接观测到了双黑洞并合产生的引力波。此外理论预言双中子星并合也可以发出相对容易探测的引力波。
另一方面，上世纪60年代中期人们发现了宇宙中的γ射线暴，但是其产生机制尚不明确。有理论指出双中子星并合可以产生γ射线暴。
于是引力波及其电磁对应体γ射线暴的联合观测引起广泛的兴趣。
2017 年 8 月 17 日，LIGO 和Virgo 探测器观测到了双中子星并合产生的引力波（后来指定为 GW170817）。费米卫星独立探测到γ射线暴（GRB 170817A），相对于合并时间有大约 1.7 秒的时间延迟。
这是第一次观测到来自同一物理过程的引力波和γ射线暴，开启了多信使天文学的时代，人们观测宇宙的手段不只有电磁波，还包括了引力波。此外这次观测也为探究中子星的内部结构提供了新的线索。
为了确认引力波和γ射线暴来自同一来源，这次观测几乎动用了全球的观测设备。上面的几个实验是物理学大师智慧的展现，而这次观测是全球科研人员合作的成果。
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不容错过的科学之旅
如果你没有亲眼见证上面的实验
如果你也没有亲手尝试过重复这些实验
如果你也想体验一下物理学家的科研之旅
现在机会来啦
中国科学院物理研究所公众科学日将于今年5月18日举办！
中国科学院物理研究所公众科学日是一年一度的大型公益性科普活动，面向社会公众开放，组织开展包括国家重点实验室开放、科普报告、趣味科学内容展示等形式多样、内容丰富的科学文化传播与交流活动。院士大咖讲座、实验室巡视、有趣的科学实验应有尽有。
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