傳世經典最美實驗 科學巧證地球自轉
——傅科對“地球自轉”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,不便接受正規學校教育,只能在家接受家庭啟蒙教育,并通過了法國業士學位考試(相當于高中畢業考試)．此后,傅科開始學習醫學,1844年成為醫科學校臨床顯微鏡學的教師,由于難以忍受鮮血淋漓的醫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,傅科決定放棄醫學事業,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、地球自轉等方面為物理學發展作出了重要貢獻,其中又以證明地球自轉的“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,他的地轉說假設如圖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．由于各個天體以及各個圈層旋轉的速度各不相同,從而產生了白天黑夜、日食月食等自然現象．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,而且帶有非常明顯的憑空想象色彩,但是相比人們以往的認知已經是一次巨大的超越．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,動搖了大地絕對不動的傳統觀念．這些樸素的觀點為日后天文學的發展以及對地球自轉的認知打下了重要基礎．

圖1 費羅勞斯地轉說示意圖

14～15世紀后,隨著生產力水平的日益提升,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院哲學的傳統教條,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,經過數十年系統科學研究,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,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;星空旋轉是地球自轉的視覺效果,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的相對運動結果．哥白尼通過計算發現,用地球自轉代替星空旋轉,天體運行規律將變得更為簡單明了．因此哥白尼之所以提出地球自轉,更多的還是為了解釋星空旋轉的視覺效果,而對于地球自轉本身的規律和表述,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,但是地球自轉依然缺乏直接的實驗證據．

2 實驗原理

1851年1月傅科第一次進行地球自轉的實驗研究,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象很粗糙,但是依然清晰地觀察到擺動平面不斷旋轉,實際上便是將地球自轉的客觀事實用實驗表現出來．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情況; (2) 增加擺錘的質量,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力,從而有利于保持擺動平面不隨地球自轉而變化．

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生了旋轉,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．擺錘持續擺動大概1h以后,其擺動平面約順時針旋轉11°20′,也就是說經過大概31.76h,擺動平面將會旋轉一周回到原處．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擺動31.76 h的時間,但是一段時間后擺動平面的旋轉確是非常明顯的,以至于當時圍觀的人們紛紛感嘆:“如果擺動平面沒有轉動,那么一定是自己發生了轉動,地球好像真的在轉動啊．”

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”的實驗研究,第一次找到了地球自轉的物理學實驗證據,引發了全世界對地球自轉研究的實驗熱潮．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重復了傅科的實驗,除了進一步驗證擺動平面轉動周期隨緯度升高而減小的定量關系外,人們還發現在南半球觀察到的擺動平面旋轉方向與北半球相反,即北半球向右邊旋轉,南半球向左邊旋轉．傅科的實驗引發了人們從動力學角度,開始思考地球自轉對洋流、大氣、海洋、天氣等一系列自然現象的影響,并逐漸形成一門獨立的物理學分支,傅科對“地球自轉”的實驗研究無疑對大氣物理學的產生與發展起到了劃時代的重要作用．

傅科對“地球自轉”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查,要求他們提名物理學歷史上最美麗的十大物理實驗,調查結果發表在美國《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：

1 郭亦玲,沈慧君.物理學史(第2版)[M].北京:清華大學出版社,2005:3-5.

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3 王較過,史志強.傅科和他的科技成就 [J].自然雜志,1997(2):114-116.

4 王巖松,王文全,苗元華,曾敏.地球真的在自轉啊——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.