傳世經(jīng)典最美實驗 科學巧證地球自轉(zhuǎn)
——傅科對“地球自轉(zhuǎn)”的實驗研究

任炳杰

(江蘇省白蒲高級中學，江蘇 如皋 226511)

萊昂·傅科是法國杰出的實驗物理學家,1819年出生于法國巴黎的一個中產(chǎn)階級家庭,父親是一位出版商．傅科少年時體弱多病,不便接受正規(guī)學校教育,只能在家接受家庭啟蒙教育,并通過了法國業(yè)士學位考試(相當于高中畢業(yè)考試)．此后,傅科開始學習醫(yī)學,1844年成為醫(yī)科學校臨床顯微鏡學的教師,由于難以忍受鮮血淋漓的醫(yī)療場面和患者遭受的痛苦,再加上自身對科學實驗的興趣愛好,傅科決定放棄醫(yī)學事業(yè),把全部精力投入科學研究．1845年,傅科成為《討論周報》的科學通訊員,開始科學寫作與教材編寫,為廣大讀者介紹科學發(fā)展的最新成就,同時在自己家中建立實驗室,從事物理學實驗研究,并開始發(fā)表物理學術論文．1853年,傅科以“比較光在空氣和水中的傳播速度”方面的學術論文獲得博士學位,次年擔任巴黎天文臺物理學教授,1855年獲得倫敦皇家學會最高榮譽柯普利獎章,隨后當選為英國皇家學會外籍會員、柏林科學院和圣彼得堡科學院外籍院士,1865年當選為法國科學院院士．傅科在光速測定、天文照相、渦旋電流、地球自轉(zhuǎn)等方面為物理學發(fā)展作出了重要貢獻,其中又以證明地球自轉(zhuǎn)的“傅科擺”實驗最為著名.本文從實驗的研究背景、實驗原理、歷史意義3個方面加以說明．

1 研究背景

古希臘時期,著名學者費羅勞斯第一次提及地球自轉(zhuǎn),他的地轉(zhuǎn)說假設如圖1所示．費羅勞斯認為,月亮、太陽、金星、水星、火星、木星、土星、天球(古希臘學者普遍認同星空本身是一個巨大的天球)這8個天體圍繞中心爐灶(地核)做圓周運動,爐灶周圍的火(巖漿)以及火圈外面的大地和對地也在圍繞中心爐灶旋轉(zhuǎn)．由于各個天體以及各個圈層旋轉(zhuǎn)的速度各不相同,從而產(chǎn)生了白天黑夜、日食月食等自然現(xiàn)象．費羅勞斯的觀點,雖然沒有脫離古希臘大地是宇宙中心的哲學論斷,而且?guī)в蟹浅Ｃ黠@的憑空想象色彩,但是相比人們以往的認知已經(jīng)是一次巨大的超越．首先費羅勞斯將太陽、行星和月亮從天球整體背景中剝離,成為獨立存在的天體獲得各自旋轉(zhuǎn)軌道;其次是提出“對地”概念,并解釋由于大地阻擋導致無法看到“對地”,大地與對地都圍繞爐灶中心旋轉(zhuǎn),動搖了大地絕對不動的傳統(tǒng)觀念．這些樸素的觀點為日后天文學的發(fā)展以及對地球自轉(zhuǎn)的認知打下了重要基礎．

圖1 費羅勞斯地轉(zhuǎn)說示意圖

14～15世紀后,隨著生產(chǎn)力水平的日益提升,人們逐漸開始懷疑中世紀神學世界觀,嘗試擺脫宗教教會的思想束縛和經(jīng)院哲學的傳統(tǒng)教條,文藝復興運動的浪潮席卷歐洲大地．“亞里士多德——托勒密”地心體系是中世紀神學世界觀的重要支柱,但天文學的發(fā)展卻使得人們越來越多地感受到地心體系的荒謬之處,因此天文學成為文藝復興思想解放運動沖破神學禁錮的突破口．16世紀,波蘭天文學家哥白尼,分析了“亞里士多德——托勒密”地心體系,經(jīng)過數(shù)十年系統(tǒng)科學研究,建立起嶄新的宇宙模型即日心體系．哥白尼在《天體運行論》中指出,地球也是一顆行星,和其他行星一樣圍繞太陽運行,行星以水星、金星、地球、火星、木星、土星順序依次向外排列;月亮圍繞地球旋轉(zhuǎn),同時也被地球帶著圍繞太陽運動,其他眾多恒星則固定在遙遠的空間,并不圍繞地球或者太陽日夜旋轉(zhuǎn);星空旋轉(zhuǎn)是地球自轉(zhuǎn)的視覺效果,地球上看到其他行星的順行和逆行,是所有行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的相對運動結果．哥白尼通過計算發(fā)現(xiàn),用地球自轉(zhuǎn)代替星空旋轉(zhuǎn),天體運行規(guī)律將變得更為簡單明了．因此哥白尼之所以提出地球自轉(zhuǎn),更多的還是為了解釋星空旋轉(zhuǎn)的視覺效果,而對于地球自轉(zhuǎn)本身的規(guī)律和表述,并沒有嚴謹而科學的論證,人們雖然在主觀上逐漸接受了地球自轉(zhuǎn),但是地球自轉(zhuǎn)依然缺乏直接的實驗證據(jù)．

2 實驗原理

1851年1月傅科第一次進行地球自轉(zhuǎn)的實驗研究,實驗地點在傅科位于巴黎阿薩斯街家中的地下室．傅科最初的實驗裝置非常簡陋,擺線是一根細線,擺錘由一個5 kg重的黃銅球制成,用另一根細線系住擺線末端并固定,實驗時待到擺錘完全靜止,用火燒斷細線讓擺錘自由擺動．傅科的第一次的實驗現(xiàn)象很粗糙,但是依然清晰地觀察到擺動平面不斷旋轉(zhuǎn),實際上便是將地球自轉(zhuǎn)的客觀事實用實驗表現(xiàn)出來．隨后傅科從幾個方面嘗試對實驗裝置進行了改進: (1) 增加擺線的長度,使得擺錘的擺動周期增加,從而有足夠時間觀察擺動平面的旋轉(zhuǎn)情況; (2) 增加擺錘的質(zhì)量,使得擺錘的慣性大大增加,在擺動伊始便具有足夠的機械能,同時也可以減小空氣阻力的影響; (3) 改變擺線懸點的固定裝置,使得擺線在擺動過程中不會受到固定裝置處的扭轉(zhuǎn)力,從而有利于保持擺動平面不隨地球自轉(zhuǎn)而變化．

同年4月,傅科在阿拉果的支持下,在巴黎天文臺的大樓上重新進行了實驗.這次實驗中傅科有條件將擺線的長度增加至11 m．隨后,傅科又在拿破侖三世贊助下,在法國先賢祠進行了第3次實驗如圖2所示.這次實驗中傅科將擺線改成67 m長的鐵絲,擺錘則使用直徑30 cm、質(zhì)量28 kg的金屬球,整個裝置懸掛在先賢祠大廳的屋頂,擺錘下方放置有直徑6 m的巨大沙盤和啟動裝置．實驗時每次當擺錘從沙盤上方經(jīng)過時,擺錘下面的指針便會在沙盤上面留下運動的軌跡．實驗開始以后,人們可以非常明顯地觀察到,擺錘的擺動平面沿順時針方向發(fā)生了旋轉(zhuǎn),擺錘擺動的周期約為16.42 s,而指針在沙盤上留下的印跡移動大約3 mm．擺錘持續(xù)擺動大概1h以后,其擺動平面約順時針旋轉(zhuǎn)11°20′,也就是說經(jīng)過大概31.76h,擺動平面將會旋轉(zhuǎn)一周回到原處．由于當時的擺動裝置無法進行能量補償,實驗當然不可能持續(xù)擺動31.76 h的時間,但是一段時間后擺動平面的旋轉(zhuǎn)確是非常明顯的,以至于當時圍觀的人們紛紛感嘆:“如果擺動平面沒有轉(zhuǎn)動,那么一定是自己發(fā)生了轉(zhuǎn)動,地球好像真的在轉(zhuǎn)動?。?/p>

圖2 傅科先賢祠實驗裝置想象圖

圖3 傅科擺實驗原理圖

3 歷史意義

傅科對“地球自轉(zhuǎn)”的實驗研究,第一次找到了地球自轉(zhuǎn)的物理學實驗證據(jù),引發(fā)了全世界對地球自轉(zhuǎn)研究的實驗熱潮．至今在全球許多大學和研究機構,甚至在紐約的聯(lián)合國總部,依然能夠看到“傅科擺”的實驗裝置．傅科以后,很多科學家在全世界范圍內(nèi)重復了傅科的實驗,除了進一步驗證擺動平面轉(zhuǎn)動周期隨緯度升高而減小的定量關系外,人們還發(fā)現(xiàn)在南半球觀察到的擺動平面旋轉(zhuǎn)方向與北半球相反,即北半球向右邊旋轉(zhuǎn),南半球向左邊旋轉(zhuǎn)．傅科的實驗引發(fā)了人們從動力學角度,開始思考地球自轉(zhuǎn)對洋流、大氣、海洋、天氣等一系列自然現(xiàn)象的影響,并逐漸形成一門獨立的物理學分支,傅科對“地球自轉(zhuǎn)”的實驗研究無疑對大氣物理學的產(chǎn)生與發(fā)展起到了劃時代的重要作用．

傅科對“地球自轉(zhuǎn)”的實驗研究,利用最簡單的實驗裝置,巧妙而直觀地揭示了困擾人類千百年的物理學難題,毫無疑問是物理學實驗中的經(jīng)典作品．用最簡潔的實驗裝置和最巧妙的實驗原理,精確地揭示最深刻的物理學規(guī)律,掃除人們長久以來的困惑和含糊,開辟對自然界的嶄新認識,向來是物理學家們所積極推崇的實驗方法．2002年,美國的兩位學者在物理學家們中間做了一次調(diào)查,要求他們提名物理學歷史上最美麗的十大物理實驗,調(diào)查結果發(fā)表在美國《物理學世界》雜志,傅科的實驗成功入選最美麗的十大物理實驗．由此可見,傅科的實驗無愧于物理學實驗的傳世經(jīng)典之作,也已成為物理學實驗方法寶庫中熠熠生輝的明珠,帶給后世物理學家們無盡的贊嘆與啟迪．

參考文獻：

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4 王巖松,王文全,苗元華,曾敏.地球真的在自轉(zhuǎn)啊——米歇爾傅科擺實驗——“最美麗”的十大物理實驗之四[J].物理通報,2003(7):42-45.