“上帝之手”的見證者—萊昂?傅科

孫越高++袁海泉

當你走進法國巴黎國立工藝博物館時，你會看到一個金屬球被一根很長的金屬線吊在高高的圓穹頂上，它像鐘擺一樣不停的來回擺動著，這個裝置其實就是傅科擺.它是由法國偉大的物理學家萊昂·傅科發(fā)明的，就是這樣一個簡單的裝置，在哥白尼提出“日心說”的300年后，證明了地球在自轉.傅科所做的“傅科擺實驗”，憑借其簡單的設備、巧妙的設計、明顯的現象和直觀的結論，被評為物理學史上最美麗的實驗之一.從現代的角度來看，傅科擺無疑是一項偉大的科學成果，然而在19世紀宗教神學還處于統治地位的歐洲，人們卻將其認為是上帝之手在推動地球在轉動，傅科則被認為是見證上帝之手的第一人.

1傅科簡介及生平

萊昂·傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault， 1819-1968，圖1 ） 是19世紀中期法國杰出的實驗物理學家.1853年獲物理學博士學位.1855年獲英國皇家學會的科普利獎章，1864年被選為會員.1862年被授予法國榮譽騎士二級勛章并受聘為經度局的成員.1865年為法國科學院院士，柏林科學院和圣彼得堡科學院院士.為了紀念傅科，現在月球上有一座撞擊坑就是以他的名字命名的.傅科出生于法國巴黎的一個出版商家庭，因為他幼年體弱多病，所以他并沒有接受學校教育而是選擇了家庭教育.小時候的傅科非常喜歡手工制作，但是在通過業(yè)士學位考試（業(yè)士考試相當于我國高中畢業(yè)考試）之后，卻按照父親的意愿，開始學習醫(yī)學.大約在1844年，在阿爾弗雷德·多恩的關懷下，傅科獲得了在醫(yī)科學校臨床顯微鏡學的教師工作，并擔任多恩的助教，共同編寫顯微鏡學的教材.醫(yī)科學校的生活并不是傅科所想的那般美好，學校的工作要經常接觸病人，但是，傅科實在難以忍受醫(yī)院血淋淋的情景和患者所遭受的痛苦.在他最彷徨的那段時間，他遇見了他的物理啟蒙導師-斐索，加上對科學實驗的愛好， 他決定放棄醫(yī)學工作， 從事物理實驗工作.1845年傅科開始了人生的新篇章，成為《討論周報》的科學通訊員， 他負責科學寫作，在該報為廣大讀者開辟的科學專欄中討論一系列科學發(fā)展的最新成就.同時，傅科陸續(xù)為法國的業(yè)士畢業(yè)考試編寫并出版了幾何、算術和化學等教科書.此外， 他還在阿薩斯街自己家里建立的實驗室進行科學實驗， 從事物理學研究， 發(fā)表學術論文.1850年， 傅科得到一項重要的實驗研究成果：光在空氣中的傳播速度大于光在水中的傳播速度.1851年， 傅科又提出了一篇論文，論述了他用擺對地球轉動作出的著名的證明.1852年， 他發(fā)明了回轉儀.1853年，傅科獲得物理學博士學位， 他的博士論文是關于比較光在空氣中和在水中的傳播速度.由于傅科對地球轉動的實驗演示和回轉儀的發(fā)明，1854年拿破侖三世在巴黎天文臺為傅科找到一個物理學家職位， 從而使博科的許多工作和天文學研究聯系在一起，他為天文學儀器更加完善作出了許多重要貢獻.1867 年，傅科患了腦病，患病七個月后，傅科于1868年2月11日不幸去世，并被葬于蒙馬特爾公墓，年僅49歲.

傅科一生做了許多重要的物理實驗和技術發(fā)明.在科學和技術領域解決了許多實際問題.他的工作不僅促進了物理學的發(fā)展， 而且在技術的發(fā)展中起了十分重要的作用.但是，傅科最讓人難忘的還是發(fā)明了測量地球自轉的傅科擺.

2見證上帝之手-發(fā)明傅科擺

地球自轉的理論是16世紀時“太陽中心說”的創(chuàng)始人哥白尼提出的.此后的相當長一段時間內，這一理論只能停留在讓人們從主觀上接受的水平.1845年，傅科與斐索合作制作太陽的達蓋爾式照片，而制作達蓋爾式照片，需要較長的曝光時間，這就要求拍攝恒星時，望遠鏡必須長時間指向某一天體.因而，在地球上拍攝恒星的達蓋爾照片，必須不斷調整望遠鏡的方向，使其始終對準某一天體.如何將望遠鏡的方向始終對準某一天體呢，傅科想到仿照17 世紀惠更斯未曾實現的圓錐擺鐘的設計方案， 他做了一臺特殊的鐘，用一根鋼棒支撐擺錘，在實驗過程中他發(fā)現， 當把鋼棒夾在車床的卡子上，用手轉動車床時， 鋼棒振動總是要維持它原來的振動平面，不隨車床轉動.這一奇妙的現象，引起了傅科極大的興趣， 而他對物理的敏銳直覺使感覺這是一很有價值的實驗，接下來他聯想到是不是可以用類似的方法，做一個演示來證明地球的自轉的實驗.這個想法一直在他的腦海中縈繞了很久，經過很長時間的深思熟慮和精心設計，后來傅科終于想到了一個簡單而絕紗的實驗辦法證明了地球的自轉.

1851年，傅科在法國巴黎、國葬院的大廳進行了一項非常有趣而意義非凡的實驗，如圖2，實驗在當時就非常惹人矚目，吸引了成千上萬的人都趕來觀看，傅科做實驗時選用了直徑為30厘米、重28 千克的擺錘，擺長更是長達67 米， 擺由傅科親自吊上，懸掛在大廳屋頂的中央，并且可以在任何方向自由擺動.擺錘的下面放有直徑6 米的巨大沙盤和啟動栓，每當擺錘經過沙盤上方的時候， 擺錘下面的指針就會在沙盤上面留下運動的軌跡.實驗開始后，圍觀的人們親自看到了奇跡的發(fā)生，擺在他們的面前悄悄地產生了“移動”——沿著順時針方向發(fā)生了旋轉.擺每振動一次（ 周期為16.5 秒） ，擺尖在沙盤邊沿畫出的路線就會移動約3毫米， 每小時偏轉11度20分（即31小時47分回到原處）.有的人在擺動開始時， 明明看到擺球在自己的面前蕩來蕩去，但經過一段時間以后， 卻發(fā)現擺動發(fā)生了明顯的變化，擺球離自己越來越遠.對于當時圍觀的人們來說， 通過自己親自的觀測，都可以得出這么一個“簡單” 的道理： 自己沒有移動， 那一定是擺平面發(fā)生了“移動”.就連在場的許多教徒也都目瞪口呆， 有的甚至私下偷偷地說： “腳下的地球真的好像在轉動??！”轟動巴黎的“傅科擺”實驗是第一個能夠向廣大觀眾演示地球自轉的實驗，它生動而形象地證明了地球的自轉， 極大地促進了人們對科學的信任和熱愛.傅科的這個演示地球自轉的裝置，也從此被命名為“傅科擺”，傅科也因此根據地球自轉的理論提出：除地球赤道以外的其他地方，單擺的振動面會發(fā)生旋轉的現象.如果地球沒有自轉，則擺的振動面將保持不變：如果地球在不停地自轉，則擺的振動面在地球上的人看來將發(fā)生轉動.事實上，這是擺底下的地面在轉動，因為對于一個自由擺動的擺來說，其擺動平面是不會發(fā)生移動的.而傅科則被當時許多信徒稱為見證上帝之手的第一人.

然而任何科學成功都不是一蹴而就的，科學家本身不僅要具備扎實的科學功底和科學理念，同時還要付出異于常人的努力和汗水.傅科發(fā)明傅科擺來證明地球的自轉也經歷了同樣的過程.傅科曾經在4個地方進行實驗，不斷的對實驗進行改進，最終給后人展示了完美的“傅科擺”實驗.而它的成功之處在于傅科在做這個實驗時巧妙處理了幾個關鍵性的問題.第一，他利用了很長的擺線，可以讓擺動的時間足夠長而便于觀察；第二，他使用了質量很大的擺球，這是非常必要的， 質量大可以增大慣性，在擺動開始的時候具有足夠的機械能（因為實驗過程中無法補充能量） ， 并可以減少空氣阻力帶來的影響；第三， 擺線可以在任意方向運動， 這有利于保持擺動平面不變化.正是這三點精妙的處理才使得傅科成功的演示了地球的自轉.利用這些簡單實用的技巧，得到了很好的實驗結果.3“傅科擺”的歷史影響

“傅科擺”實驗引起了人們極大的興趣， 在此后的若干年中， 世界上許多地方多次重復了該實驗， 并相繼發(fā)表了許多相關的文章.人們發(fā)現在地球上不同的地方， 擺動情況也不同：在北半球時， 擺動平面順時針轉動；在南半球時，擺動平面逆時針轉動；而且發(fā)現擺動平面轉動的速率與當時的地理緯度有關. 后來人們的研究又發(fā)現地球自轉使地表水平運動物體產生偏轉， 北半球運動物體向右偏，南半球運動物體向左偏， 偏轉力的大小可用科里奧利力表示.這些工作使長期以來對河流、海洋這一類因地球自轉有明顯影響的現象研究，獲得堅實的力學基礎，同時還為研究地球上的氣壓帶和風帶的形成， 氣旋、反氣旋和臺風的發(fā)生和發(fā)展， 提供了力學基礎，甚至對于我們今天發(fā)射遠程炮彈、火箭升空以及衛(wèi)星上天等高科技的航天事業(yè)， 依然具有重要的理論指導意義.如今， 在世界各地的演示實驗室或者科學館，都有根據巴黎的“ 傅科擺” 的原理制作的小型或者微型的傅科擺向觀眾展示地球的自轉運動.北京天文館的大廳里就有一個傅科擺， 一個系在圓彎頂上垂下的長長細線下端的金屬球來回擺動著， 下面是一個刻著度數的鐵制大圓盤， 人們可以由此讀取擺動平面旋轉的度數.有興趣人們都喜歡在這里停留一段時間， 親眼看一看地球是怎樣自轉的.

“傅科擺”實驗充分體現了傅科的聰明才智， 然而這一成功并沒有影響他在科學上前進的步.1852 年他發(fā)明了回轉儀（圖3）， 并發(fā)現了回轉羅盤效應；1855 年設計了光度計；1857 年創(chuàng)制了“傅科棱鏡” ， 用于偏振光的研究并提出用鍍銀玻璃反射鏡代替金屬反射鏡；1858年， 還設計了反射式望遠鏡的橢球面鏡；1860 年又發(fā)明了定日鏡的跟蹤系統.傅科的一生對物理學有著多方面的重要貢獻，在力學、光學、電學方面都建樹頗豐.基于他的興趣， 所以他的研究側重于實驗儀器的制備、實驗方法的設計、以及對物理量的精確測量.其對光速的測定以及渦電流理論的提出，也是傅科對人類做出的巨大貢獻.

傅科這些眾多的發(fā)明雖然歸功于他敏銳的直覺和聰穎的大腦， 但是更重要的是他的努力和勤奮，這值得我們每一個人向他學習.如今盡管我們已經進人了高科技的21 世紀，科學發(fā)展日新月異，然而，傅科擺實驗簡單而實用的設計思想，利用最簡單的儀器和設備， 發(fā)現最根本、最單純的科學概念對于我們今天設計實驗來說，仍然具有很好的啟發(fā)性，依然起著啟迪思維、激發(fā)興趣的作用，以及對于創(chuàng)新意識和動手能力的培養(yǎng)等方面必將依然產生深刻而久遠的影響.