韓吉辰

你知道地球自轉(zhuǎn)的有關(guān)情況嗎？下面請韓教授給你娓娓道來.

19世紀(jì)中葉，在物理學(xué)家面前擺著一個難題：證明地球的自轉(zhuǎn).

有人會問，地球在不停地旋轉(zhuǎn)著，咱們怎么沒有感覺到？這是因?yàn)槲覀兣c周圍景物都在隨著地球一起旋轉(zhuǎn)的緣故.天文學(xué)家通過對恒星的測定，可以證明地球自西向東不停地旋轉(zhuǎn).

“我們在地球上，看到日月和星座每天東升西落，這就是地球自轉(zhuǎn)的證明.”物理學(xué)家們說，“這個道理就好比我們坐在旋轉(zhuǎn)的木馬上，看到周圍的景物在旋轉(zhuǎn)一樣.”可惜這樣講說服力不強(qiáng)，因?yàn)槿藗儭坝H眼”看到的畢竟是日月星辰在轉(zhuǎn).

能不能用實(shí)驗(yàn)來證明呢？

物理學(xué)家經(jīng)過一系列研究和實(shí)踐之后發(fā)現(xiàn)，這樣做簡直困難極了.地球那么巨大，要想在地球上用實(shí)驗(yàn)來證明“地球自轉(zhuǎn)”，幾乎很難想象.于是有權(quán)威斷言說：要想直接證明地球自轉(zhuǎn)，要想“親眼”看到地球自轉(zhuǎn)，除非人類離開地球！

1851年的一天，巴黎發(fā)生了一件轟動全市的奇聞.人們爭先恐后奔走相告：“去看地球自轉(zhuǎn)啦!”接連幾天，巴黎先賢祠（又稱名人紀(jì)念堂）門口人聲鼎沸，擁擠不堪.人們來到這座建筑里，只見高高的圓屋頂上懸掛著一個巨大的單擺，擺長67 m，下面是一個沉重的鉛球.單擺在緩慢、單調(diào)地?cái)[動，每分鐘還不到4個來回.“這有什么稀奇？不過是個巨大的單擺而已！”人們不禁有些失望.

“請注意單擺的擺動方向.”一個衣著樸素的年輕人提醒大家.人們安靜下來，順著他的手指望去，只見臺面上撒了一層細(xì)沙，巨擺緊貼著臺面擺動，細(xì)沙上留下了一條又一條清晰的痕跡.幾分鐘過去了，人們不禁驚奇起來：原來，單擺的每一次擺動，方向都有一點(diǎn)微小的變化.1 h以后，居然變化了十幾度.“擺平面在轉(zhuǎn)動呢!”這就是大家目睹的結(jié)論.“可是，是什么力使巨擺在轉(zhuǎn)動呢？”大家迷惘地四處張望，找不到這個力啊!

這時候，年輕人站出來大聲地說：“女士們，先生們，單擺擺動的方向并沒有變，是我們腳下的地球在時刻不停地轉(zhuǎn)動.”經(jīng)過幾秒鐘的安靜之后，人群又一次沸騰起來.大家被這個出色的實(shí)驗(yàn)征服了.在巨擺下面，地球自轉(zhuǎn)竟然表現(xiàn)得這樣明顯.一些頑固的教徒看得目瞪口呆，有人甚至?xí)灥乖诘?

更多的人們擁上去，緊緊地和年輕人握手，祝賀他第一次在地面上科學(xué)地證明了“地球的自轉(zhuǎn)”.

這個年輕人就是法國物理學(xué)家傅科（1819～1868），這一年他只有32歲.他從小熱愛科學(xué)，長大后很喜歡鉆研科學(xué)難題.在“用實(shí)驗(yàn)證明地球自轉(zhuǎn)”這個科學(xué)難題面前，他沒有被權(quán)威的斷言嚇倒，而是勇敢地向這個堡壘發(fā)起進(jìn)攻.

這一時期，傅科正在研究單擺的運(yùn)動規(guī)律.傅科認(rèn)為，單擺運(yùn)動看起來簡單，實(shí)際卻很復(fù)雜，還有很多規(guī)律值得繼續(xù)研究.他在家里懸掛了一個長長的單擺，從天花板直到地面，因?yàn)閿[線越長，擺動就越慢，空氣阻力影響就小些，單擺推動以后,可以幾十個小時連續(xù)擺動不會停下來.

在夜深人靜的時候，傅科推動了這只單擺，單擺沿一個平面緩慢地?cái)[起來.傅科測量了擺的擺動角度（也就是振幅），就打開一本書看起來.幾個小時過去了，傅科從沉思中抬起頭來，想看看擺動幅度減小了多少，這時看到了一個意想不到的現(xiàn)象：開始時單擺的擺動方向是跟自己接近于平行的，現(xiàn)在居然偏向自己了.傅科不相信地揉揉自己的眼睛，一點(diǎn)兒沒錯！他干脆放下書，找來一些細(xì)沙鋪在地板上，讓單擺下部的尖端在沙面上劃過.幾分鐘后，單擺留下的痕跡就偏離了原來的方向，沙面上形成兩個對頂?shù)纳刃?

奇跡！真是個奇跡！因?yàn)楦鶕?jù)牛頓運(yùn)動定律，運(yùn)動著的物體在沒有受到外力的時候，總是保持著勻速直線運(yùn)動狀態(tài).也就是說，單擺在沒有受到外力作用的時候，擺動的方向不應(yīng)該發(fā)生變化.那么，眼前的奇怪現(xiàn)象又該如何解釋呢？傅科絞盡腦汁，苦苦地思索著.

突然,一道閃光在他腦中劃過：單擺的擺動方向確實(shí)沒有變化,真正變化方向的是地球,因?yàn)榈厍蛟谵D(zhuǎn)動.傅科緊緊抓住這個“逆向思維”的思路，進(jìn)行認(rèn)真思考和推理，一個科學(xué)的答案在頭腦中逐漸形成.

傅科興奮極了，這是一個多么重要的發(fā)現(xiàn)啊！他馬上找來有關(guān)資料，拿起筆和紙,緊張地計(jì)算起來.當(dāng)太陽在東方噴薄欲出的時候,傅科終于得出了滿意的結(jié)果：計(jì)算證明，自己的設(shè)想完全正確.

傅科的公開實(shí)驗(yàn)取得了成功，可是一些頑固的權(quán)威們?nèi)匀辉趽u腦袋.有人說，傅科是在搗鬼，是在表演“魔術(shù)”，這個巨擺是“魔鬼擺”.還有人說傅科褻瀆了神圣的教堂，揚(yáng)言要控告他.

在權(quán)威們的攻擊和誹謗面前，傅科毫不退讓，在巴黎公開舉行科學(xué)講座，說明巨擺為什么可以證明“地球轉(zhuǎn)動”.如果我們在北極豎起一個巨大的支架，掛上巨擺，由于北極處于地球自轉(zhuǎn)軸的頂端，支架就會隨著地球一起轉(zhuǎn)動，每過1 h變化15°，24 h轉(zhuǎn)1圈.而巨擺的擺動方向是不會變化的，仍在那里按原方向擺動，當(dāng)我們站在支架下面的時候，卻看到巨擺的擺動方向變了，這僅僅是一個錯覺，真正改變了方向的是地球、支架和我們自己.

“可是，為什么我們眼前的巨擺擺動面轉(zhuǎn)得慢一些，要32 h才變化1 周？”一個性急的人問道.

“這是因?yàn)榫迶[不在地球自轉(zhuǎn)軸上的緣故.”傅科耐心地解釋，“計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都說明，地理緯度越低，巨擺擺動方向的變化就越慢.如果我們在赤道架起巨擺，擺動的方向?qū)⒉话l(fā)生任何變化了，因?yàn)檫@時支架的方向已經(jīng)不隨地球的轉(zhuǎn)動而改變了.”

“你把擺掛在了一個多么薄的支架上?。　币粋€觀眾驚訝地叫喊.“這是一個非常重要的條件.”傅科微笑著回答，“讓擺支撐在吊環(huán)上的接觸點(diǎn)越小，摩擦也就越小.只有這樣，才是一個不隨著地球轉(zhuǎn)動而保持著自己的固定方向的自由擺，才能看到地球的自轉(zhuǎn).”

“為什么要把擺做得這么長這么重呢？普通單擺行嗎？”又一個好學(xué)的青年問道.“其實(shí)也是可以的.”傅科轉(zhuǎn)向這位青年，“我把擺做得長一些，擺錘重一些，是為了使擺動持續(xù)較長的時間.擺線長，擺動就緩慢；擺錘重，本身的慣性就大，這樣空氣阻力影響就小些，可以使我們把擺動方向的變化看得更清楚.”

真理的聲音是封鎖不住的，在鐵一般的事實(shí)面前，那些頑固的權(quán)威們最后都低下了腦袋，由此，年輕的傅科被授予榮譽(yù)騎士勛章.科學(xué)家一致決定,把巨擺命名為“傅科擺”.從此，世界各地的博物館、天文館和物理教學(xué)樓里都經(jīng)常安排這個出色的經(jīng)典實(shí)驗(yàn).

北京天文館的大廳里就有一座傅科擺，它有10 m長，每分鐘擺動10個來回.由于北京所處的緯度比巴黎還低，所以每隔37 h 15 min，單擺的擺動方向才順時針轉(zhuǎn)動1圈.你只要耐心地在旁邊觀察一會兒，就可以自豪地說：“我也看到了地球自轉(zhuǎn)!”