傅科擺——坐地日行八萬里

齊莉

“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河。”

毛主席的著名詩句描繪了由于地球在宇宙中運(yùn)行，就算我們坐地不動也能日行八萬里，欣賞無數(shù)星系的壯美浪漫景象。

自從16 世紀(jì)哥白尼發(fā)表《天體運(yùn)行論》，人類首次知道了地球自轉(zhuǎn)的存在。現(xiàn)在，地球自轉(zhuǎn)已經(jīng)成為了人人皆知的基本常識。那么，如何能夠證明地球在自轉(zhuǎn)呢？

1851 年，法國物理學(xué)家傅科在巴黎先賢祠的最高穹頂下懸掛了一條67 米長的繩索，繩索的下端是一個(gè)重達(dá)28 千克的擺錘。傅科用這個(gè)裝置完成了一次成功的擺動實(shí)驗(yàn)，向世人證明了地球自轉(zhuǎn)的存在。這個(gè)裝置也因此而得名：傅科擺。傅科擺作為科技史上赫赫有名的經(jīng)典物理學(xué)裝置，在中國科學(xué)技術(shù)館中也能看到。它就像實(shí)驗(yàn)與發(fā)展館的“掃地僧”，始終沉靜地向世人展示著地球自轉(zhuǎn)的軌跡。

中國科學(xué)技術(shù)館傅科擺展品

所有的傅科擺都有著共同的特點(diǎn)：一個(gè)標(biāo)示旋轉(zhuǎn)角度的表盤，一根吊線和一個(gè)重重的擺錘，懸掛點(diǎn)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)使摩擦減少到最低限度。這樣的擺慣性和動量大，可以把地球?qū)[的影響降到最低，讓擺能夠自行擺動，提高實(shí)驗(yàn)的精度，延長擺動時(shí)間。

擺錘在表盤上自行擺動

表盤上的LED燈帶顯示擺動的方向

不同的是，1851 年的傅科擺通過下方的長針在細(xì)沙上劃出擺動軌跡，向人們展示擺的軌跡緩慢地沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。而在中國科學(xué)技術(shù)館，為了能讓大家清晰地看到擺動方向的變化，直接用LED燈帶與數(shù)字刻度做成標(biāo)示旋轉(zhuǎn)角度的表盤。擺錘每擺動到一個(gè)新的位置，其下方的燈帶就會亮起。

傅科擺在北京的擺動周期約37個(gè)小時(shí)

傅科擺是一個(gè)近似于單擺的裝置。在初始擺動起來后，按照慣性定律，應(yīng)該始終在一個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行擺動，針在細(xì)沙上劃出的軌跡線應(yīng)該是一條直線。然而，在傅科擺受到的外力沒有變化的情況下，擺動方向卻發(fā)生了轉(zhuǎn)動。是誰“改變”了它呢？這是參照系選擇的問題。就像我們坐火車時(shí)，車上的人是靜是動取決于我們是選擇火車還是大地作為參照系。

把地球看作我們所乘坐的“宇宙火車”，我們身在其中，如果以地球?yàn)閰⒄障担覀冏匀粺o法證明它在自轉(zhuǎn)。而傅科擺卻是基本不受地球自轉(zhuǎn)影響而自行擺動的“窗外景色”。所以，我們看到傅科擺轉(zhuǎn)動了，不是擺的方向變了，而是我們所在的地球沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的結(jié)果，這有力地證明了地球是在自轉(zhuǎn)的。

傅科擺的位置不同，擺動的情況也不同。在北半球時(shí)，傅科擺的擺動平面順時(shí)針轉(zhuǎn)動，在南半球則是逆時(shí)針。而且緯度越高，傅科擺轉(zhuǎn)動的速度越快。在兩極，傅科擺與地球自轉(zhuǎn)同步，約24 小時(shí)轉(zhuǎn)一周，在北京約37 個(gè)小時(shí)，在廣州則為61 小時(shí)左右。而赤道上的傅科擺幾乎不轉(zhuǎn)動。

雖然人們長久以來很難直觀地感受到地球的自轉(zhuǎn)，但是臺風(fēng)的旋轉(zhuǎn)方向、洋流的流動方向，地球上的每一樣事物無不受到地球自轉(zhuǎn)的影響。甚至，是地球自轉(zhuǎn)帶來的日夜交替才讓我們能夠有節(jié)律地生活。

我們常說的日夜交替、斗轉(zhuǎn)星移就是選擇了以太陽、星星作為參照系來證明地球自轉(zhuǎn)的“上帝視角”，只是星星太過遙遠(yuǎn)。如果你想感受大地的轉(zhuǎn)動，領(lǐng)略宇宙規(guī)律的奧妙，沒有一顆星星能比傅科擺更懂你。

（本欄目合作單位：中國科學(xué)技術(shù)館）