每天，人们都要进行各种各样的科学实验，提出“如果”假设，再设计实验，看看会有什么结论。这样的实验也许只是我们在回家的路上走了一条稍微不同的路，或者在用微波炉时多加热几秒钟，或者可能是尝试寻找一个基因的另一种变体。不管实验难度如何，这种奋斗、质疑的探索精神都是人类发现的根源。实验帮助我们更深入地了解现实的本质，这种探索的过程就是我们所说的“科学”。
　　这些精选出来的科学实验，有几项经受住了时间的考验，充分展示了人类的探索精神和智慧。无论是精巧的、还是粗糙的、带着一点意外的发现，这些独特的发现都深刻改变了我们对自己甚至对宇宙的看法。
　　以下这10项重要实验可以说是有史以来最顶尖的科学实验。其中九项都取得了辉煌的成功，剩下的一项则是虽败犹荣。

　　埃拉托色尼知道地球是球形的，大多数受过教育的希腊人也是这样认为的。埃拉托色尼认为，如果知道亚历山大里亚和赛伊尼这两座城市之间的距离，再把这个数字乘以50，就能测量地球的曲率，从而得到地球的周长。根据得到的信息，埃拉托色尼推断出地球的周长为250000希腊里，约为28500英里，与24900英里的正确数字十分接近。
　　埃拉托色尼想要确定地球的大小的动机是他对地理的热爱，正是他创造了“地理学”这一名词。所以现代人又给他起了另一个绰号：“地理学之父”。

威廉·哈维：研究血液循环

　　實验结果：发现了血液循环机制
　　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世纪提出过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的血液；血液以两种不同的方式流经全身，其中一种是通过肺部吸收空气中的“生命之魂”；组织吸收的血液永远不会回到心脏。推翻所有这些教条需要一系列的实验。
　　而为了推翻这套有教科书地位的理论，后人做了一系列重要的实验。
　　威廉·哈维1578年出生于英格兰的一个贵族家庭，后来成为国王詹姆斯一世的御医，这为他提供了足够的时间和途径来追求他最大的兴趣：解剖学。刚开始，他通过给羊、猪等动物放血，对盖伦的血液理论进行了苦心钻研。但他随后意识到，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，而这显然是不可能的。
　　为了说明这一点，哈维在公共场所切开了活生生的动物，证明动物体内微弱的血液供应。他还通过用手指捏住一条裸露心脏的蛇的一条主静脉，让血液无法进入心脏。结果心脏迅速萎缩、变得苍白；将其刺穿时，流出的血很少。相反，如果阻断主动脉，心脏则会随之胀大。这表明静脉里的血确实是心脏血液的来源，而动脉则是心脏向外供血的通道。通过研究爬行动物和哺乳动物濒临死亡时慢速心跳这一现象，他发现了心脏的收缩规律，并推断出心脏以循环的方式向身体输送血液。

　　据伦敦大学历史和科学哲学教授安德鲁·格雷戈里说：“这不是一个简单的推论。假如只观察在胸腔中正常跳动的心脏，就很难弄清楚到底发生了什么。”
　　哈维还在志愿者身上进行了实验，如暂时阻断血液进出四肢等。这些实验进一步完善了他的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”的研究方法也在医学界引起了巨大转变。威廉·哈维被公认为现代医学和生理学之父。

格雷格·孟德尔：发展遗传学

　　实验结果：发现了基因遗传的基本规律
　　时间：1855～1863年
　　孩子的容貌在不同程度上总会与父母相似，这是为什么呢？一直到一个半世纪之前，由于格雷格·孟德尔的努力，身体特征遗传的奥秘才被逐渐揭开。孟德尔1822年出生于现在的捷克共和国，尽管他出生于农业家庭，没有钱供他接受正规教育，但他在自然科学方面颇具天赋。在一位教授的建议下，他于1843年加入了奥古斯丁修道院，这是一个注重研究和学习的修道士团体。 　　在布尔诺的一座修道院安顿下来之后，内向的他很快学会了在花园里消磨时间。一种名为“倒挂金钟”的植物引起了他的注意，因为这种植物造型极其优雅，仿佛出自名家之手。在印第安纳大学布鲁明顿分校研究生物学历史的桑德·格列波夫说：“也许正是受到这种植物的启发，孟德尔才开展了后续那些著名实验。他一直在尝试杂交不同的倒挂金钟品种，试图培植出新的颜色或颜色组合。在这一过程中，他得到了一些可重复的结果，这表明遗传规律在起作用。”

迈克尔逊与莫雷：试图观测以太

　　实验结果：研究了光的运动方式
　　时间：1887年
　　当你大喊一声“嘿”，声波就会通过媒介（空气）到达听众的耳朵。海浪声也有自己的传播介质（海水）。然而，光波却是一个特例。就算在真空中，所有的介质如空气和水都被抽走了，光仍然以某种方式传播。怎么会这样呢？
　　根据19世纪末主流的《物理学》杂志，光通过一种看不见的、无处不在的隐形媒介传播，这种介质被称为“发光以太”。在俄亥俄州的凯斯西储大学，阿尔伯特·迈克尔逊和其同事爱德华·莫利一起设计了一套实验，希望能证实这种以太的存在。这项实验虽然没能成功，却成为了史上最著名的失败实验之一。
　　两位科学家的假设是这样的：当地球绕着太阳运动时，它不断地在以太中穿行，产生“以太风”。当光束的路径和风的方向相同时，光的移动速度应该比逆风航行的速度快一点。
　　要衡量这种十分微弱的效应很难，但迈克尔逊对实验进行了精心设计后做到了。在19世纪80年代早期，他发明了一种干涉仪，一种把不同的光源聚集在一起、形成干涉图样的仪器，就像池塘里的涟漪混合在一起一样。在迈克尔逊的干涉仪中，一束光先是通过一面单面镜，然后光一分为二，朝相互垂直的方向分别向前传播。经过一段距离后，它们会被镜子反射回一个中心会合点。由于在它们的传播过程中某种不均等的位移（比如说受到以太风影响），导致两束光在不同的时间到达中心点，它们会产生一种独特的干涉条纹。

　　研究人员将精密的干涉仪安装在一块坚固的砂岩板上，几乎无摩擦地漂浮在水银槽中，并将整套装置放在校园里一栋建筑的地下室中，进一步与外界隔绝，免受震动。迈克尔逊和莫雷慢慢地旋转砂岩平板，能看到在以太影响下产生的光线干涉条纹。 　　结果一无所获。光速并未发生任何变化。
　　然而，两位研究者都没有完全意识到此次“一无所获”的重要性，而是将其归咎于实验误差，因此转而投向其它项目了。（结果是这样的：1907年，迈克尔逊因为这项以光学仪器为基础的研究，成为第一位获得诺贝尔奖的美国人。）迈克尔逊和莫雷在以太理论上一脚踢破的这个漏洞虽属无意，却启发他人开展了一系列研究、提出了更多相关理论。最终，爱因斯坦在1905年提出了突破性的狭义相对论，创造了光传播的新方式。

玛丽·居里：做出重要工作

　　实验结果：定义了放射性
　　时间：1898年

　　随后，巴甫洛夫和他的团队教狗把食物和各种各样的中性刺激因素联系起来，如蜂鸣声、节拍器、旋转的物体、哨声、闪光和电击等。
　　这些发现构成了经典条件反射概念的基礎。后来这一概念基本上延伸到任何有关刺激的研究，即使不涉及反射性反应。巴甫洛夫条件反射无时无刻不在我们身上发生着，我们的大脑总是把我们经历的事情联系在一起。事实上，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。

罗伯特·米利根：测量电荷

　　实验结果：精确测定了单个电子所带的电荷
　　时间：1909年
　　从大多数方面来看，罗伯特·米利根干得不错。1868年，他出生在伊利诺斯州的一个小镇上，后来在奥柏林学院和哥伦比亚大学获得了学位。他曾与德国和欧洲的杰出学者一起学习物理学。后来他在芝加哥大学物理系任教，甚至还编写了几本非常成功的教科书。
　　但是他的同事们做得更多。19世纪与20世纪之交是物理学发展的繁荣时期：在仅仅10年的时间里，世界被相继引入了量子物理学、狭义相对论和电子——原子具有可分割部分的第一个证据之中。到了1908年，米利根发现自己已年近四十，却没有一项重大发现。
　　不过，电子为他提供了一次机会。研究人员一直想要弄清这个粒子是否代表一个基本的电荷单位，并且在所有情况下始终保持不变。这个问题的答案是进一步发展粒子物理学的关键基础。米利根想着反正也没什么损失，不妨放手一搏。
　　在芝加哥大学的实验室里，米利根开始研究一种叫做“云雾室”的容器，里面装着浓厚的水蒸气，并在研究过程中不断改变其中的电场强度。水滴在重力下降之前，会先在带电原子和分子周围形成液滴云。通过调整电场的强度，它可以减慢甚至停止单个液滴的下落，相当于用电与引力相对抗。只要确定液滴取得平衡时的电场强度，并假设液滴在该强度上能始终保持平衡，就可以推算出液滴所带的电荷量了。

　　一個多世纪之后，由克林顿·戴维森和莱斯特·格尔默进行的一项相关实验进一步证明了这一概念的重要意义。在现在新泽西的诺基亚贝尔实验室，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，只有当粒子也像波一样运动时，散射的电子才会相互作用产生图案。随后用电子进行的类双缝实验证明，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。
　　“这些实验从根本上表明，世界上的物质，无论是辐射还是实实在在的固体物质，都具有一些不可减少的、不可避免的波状特征，”凯瑟说，“无论这看起来多么令人惊讶甚至有些违反直觉，但自此之后，物理学家在研究物质时必须考虑到这种本质上的‘波纹’”。

罗伯特·潘恩：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
　　到了上世纪60年代，生态学家已经达成了共识：生物栖息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·潘恩却独辟蹊径，采用了另一种研究方法。
　　潘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崎岖的海岸附近的潮汐池中进行了驱逐海星的实验。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，猎物藤壶开始疯狂生长，为贻贝提供了丰富的食物，使贻贝数量迅速增加。这些贝类，反过来导致帽贝和藻类植物的生存空间受到挤压。最终的结果是：整个食物网变得支离破碎，潮汐池变成了一个由贻贝主宰的“天下”。

　　由于这种海星是整个生态系统的中流砥柱，潘恩将其称为“关键物种”。这里所说的“关键”是一个相对概念，它意味着在给定的生态系统中，所有物种的贡献是不平等的。潘恩的发现对生态保护产生了重大影响，推翻了为了保护物种而狭隘地保护单个物种的做法，应该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：“潘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·曼格于50年前在华盛顿大学潘恩实验室读研究生时相识。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局长，亲眼见证了潘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，正是潘恩的求知欲望和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进行了这项实验，然后取得了这些惊人的成果。”
　　潘恩于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，改变全球生态系统等等。