任炳杰

(江蘇省白蒲高級(jí)中學(xué)，江蘇 如皋 226511)

萊昂·傅科是法國(guó)杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家,1819年出生于法國(guó)巴黎的一個(gè)中產(chǎn)階級(jí)家庭,父親是一位出版商．傅科少年時(shí)體弱多病,不便接受正規(guī)學(xué)校教育,只能在家接受家庭啟蒙教育,并通過(guò)了法國(guó)業(yè)士學(xué)位考試(相當(dāng)于高中畢業(yè)考試)．此后,傅科開(kāi)始學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué),1844年成為醫(yī)科學(xué)校臨床顯微鏡學(xué)的教師,由于難以忍受鮮血淋漓的醫(yī)療場(chǎng)面和患者遭受的痛苦,再加上自身對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣愛(ài)好,傅科決定放棄醫(yī)學(xué)事業(yè),把全部精力投入科學(xué)研究．1845年,傅科成為《討論周報(bào)》的科學(xué)通訊員,開(kāi)始科學(xué)寫作與教材編寫,為廣大讀者介紹科學(xué)發(fā)展的最新成就,同時(shí)在自己家中建立實(shí)驗(yàn)室,從事物理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究,并開(kāi)始發(fā)表物理學(xué)術(shù)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(xué)術(shù)論文獲得博士學(xué)位,次年擔(dān)任巴黎天文臺(tái)物理學(xué)教授,1855年獲得倫敦皇家學(xué)會(huì)最高榮譽(yù)柯普利獎(jiǎng)?wù)?隨后當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)外籍會(huì)員、柏林科學(xué)院和圣彼得堡科學(xué)院外籍院士,1865年當(dāng)選為法國(guó)科學(xué)院院士．傅科在光速測(cè)定、天文照相、渦旋電流、地球自轉(zhuǎn)等方面為物理學(xué)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn),其中又以證明地球自轉(zhuǎn)的“傅科擺”實(shí)驗(yàn)最為著名.本文從實(shí)驗(yàn)的研究背景、實(shí)驗(yàn)原理、歷史意義3個(gè)方面加以說(shuō)明．

1 研究背景

古希臘時(shí)期,著名學(xué)者費(fèi)羅勞斯第一次提及地球自轉(zhuǎn),他的地轉(zhuǎn)說(shuō)假設(shè)如圖1所示．費(fèi)羅勞斯認(rèn)為,月亮、太陽(yáng)、金星、水星、火星、木星、土星、天球(古希臘學(xué)者普遍認(rèn)同星空本身是一個(gè)巨大的天球)這8個(gè)天體圍繞中心爐灶(地核)做圓周運(yùn)動(dòng),爐灶周圍的火(巖漿)以及火圈外面的大地和對(duì)地也在圍繞中心爐灶旋轉(zhuǎn)．由于各個(gè)天體以及各個(gè)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(fèi)羅勞斯的觀點(diǎn),雖然沒(méi)有脫離古希臘大地是宇宙中心的哲學(xué)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(rèn)知已經(jīng)是一次巨大的超越．首先費(fèi)羅勞斯將太陽(yáng)、行星和月亮從天球整體背景中剝離,成為獨(dú)立存在的天體獲得各自旋轉(zhuǎn)軌道;其次是提出“對(duì)地”概念,并解釋由于大地阻擋導(dǎo)致無(wú)法看到“對(duì)地”,大地與對(duì)地都圍繞爐灶中心旋轉(zhuǎn),動(dòng)搖了大地絕對(duì)不動(dòng)的傳統(tǒng)觀念．這些樸素的觀點(diǎn)為日后天文學(xué)的發(fā)展以及對(duì)地球自轉(zhuǎn)的認(rèn)知打下了重要基礎(chǔ)．

圖1 費(fèi)羅勞斯地轉(zhuǎn)說(shuō)示意圖

14～15世紀(jì)后,隨著生產(chǎn)力水平的日益提升,人們逐漸開(kāi)始懷疑中世紀(jì)神學(xué)世界觀,嘗試擺脫宗教教會(huì)的思想束縛和經(jīng)院哲學(xué)的傳統(tǒng)教條,文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)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(jì)神學(xué)世界觀的重要支柱,但天文學(xué)的發(fā)展卻使得人們?cè)絹?lái)越多地感受到地心體系的荒謬之處,因此天文學(xué)成為文藝復(fù)興思想解放運(yùn)動(dòng)沖破神學(xué)禁錮的突破口．16世紀(jì),波蘭天文學(xué)家哥白尼,分析了“亞里士多德——托勒密”地心體系,經(jīng)過(guò)數(shù)十年系統(tǒng)科學(xué)研究,建立起嶄新的宇宙模型即日心體系．哥白尼在《天體運(yùn)行論》中指出,地球也是一顆行星,和其他行星一樣圍繞太陽(yáng)運(yùn)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(shí)也被地球帶著圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng),其他眾多恒星則固定在遙遠(yuǎn)的空間,并不圍繞地球或者太陽(yáng)日夜旋轉(zhuǎn);星空旋轉(zhuǎn)是地球自轉(zhuǎn)的視覺(jué)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(yáng)旋轉(zhuǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)果．哥白尼通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),用地球自轉(zhuǎn)代替星空旋轉(zhuǎn),天體運(yùn)行規(guī)律將變得更為簡(jiǎn)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(jué)效果,而對(duì)于地球自轉(zhuǎn)本身的規(guī)律和表述,并沒(méi)有嚴(yán)謹(jǐn)而科學(xué)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(shí)驗(yàn)證據(jù)．

2 實(shí)驗(yàn)原理

1851年1月傅科第一次進(jìn)行地球自轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在傅科位于巴黎阿薩斯街家中的地下室．傅科最初的實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)陋,擺線是一根細(xì)線,擺錘由一個(gè)5 kg重的黃銅球制成,用另一根細(xì)線系住擺線末端并固定,實(shí)驗(yàn)時(shí)待到擺錘完全靜止,用火燒斷細(xì)線讓擺錘自由擺動(dòng)．傅科的第一次的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很粗糙,但是依然清晰地觀察到擺動(dòng)平面不斷旋轉(zhuǎn),實(shí)際上便是將地球自轉(zhuǎn)的客觀事實(shí)用實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出來(lái)．隨后傅科從幾個(gè)方面嘗試對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn): (1) 增加擺線的長(zhǎng)度,使得擺錘的擺動(dòng)周期增加,從而有足夠時(shí)間觀察擺動(dòng)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(dòng)伊始便具有足夠的機(jī)械能,同時(shí)也可以減小空氣阻力的影響; (3) 改變擺線懸點(diǎn)的固定裝置,使得擺線在擺動(dòng)過(guò)程中不會(huì)受到固定裝置處的扭轉(zhuǎn)力,從而有利于保持?jǐn)[動(dòng)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(tái)的大樓上重新進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).這次實(shí)驗(yàn)中傅科有條件將擺線的長(zhǎng)度增加至11 m．隨后,傅科又在拿破侖三世贊助下,在法國(guó)先賢祠進(jìn)行了第3次實(shí)驗(yàn)如圖2所示.這次實(shí)驗(yàn)中傅科將擺線改成67 m長(zhǎng)的鐵絲,擺錘則使用直徑30 cm、質(zhì)量28 kg的金屬球,整個(gè)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(dòng)裝置．實(shí)驗(yàn)時(shí)每次當(dāng)擺錘從沙盤上方經(jīng)過(guò)時(shí),擺錘下面的指針便會(huì)在沙盤上面留下運(yùn)動(dòng)的軌跡．實(shí)驗(yàn)開(kāi)始以后,人們可以非常明顯地觀察到,擺錘的擺動(dòng)平面沿順時(shí)針?lè)较虬l(fā)生了旋轉(zhuǎn),擺錘擺動(dòng)的周期約為16.42 s,而指針在沙盤上留下的印跡移動(dòng)大約3 mm．?dāng)[錘持續(xù)擺動(dòng)大概1h以后,其擺動(dòng)平面約順時(shí)針旋轉(zhuǎn)11°20′,也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)大概31.76h,擺動(dòng)平面將會(huì)旋轉(zhuǎn)一周回到原處．由于當(dāng)時(shí)的擺動(dòng)裝置無(wú)法進(jìn)行能量補(bǔ)償,實(shí)驗(yàn)當(dāng)然不可能持續(xù)擺動(dòng)31.76 h的時(shí)間,但是一段時(shí)間后擺動(dòng)平面的旋轉(zhuǎn)確是非常明顯的,以至于當(dāng)時(shí)圍觀的人們紛紛感嘆:“如果擺動(dòng)平面沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng),那么一定是自己發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng),地球好像真的在轉(zhuǎn)動(dòng)?。?/p>

圖2 傅科先賢祠實(shí)驗(yàn)裝置想象圖

圖3 傅科擺實(shí)驗(yàn)原理圖

3 歷史意義

傅科對(duì)“地球自轉(zhuǎn)”的實(shí)驗(yàn)研究,第一次找到了地球自轉(zhuǎn)的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)證據(jù),引發(fā)了全世界對(duì)地球自轉(zhuǎn)研究的實(shí)驗(yàn)熱潮．至今在全球許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu),甚至在紐約的聯(lián)合國(guó)總部,依然能夠看到“傅科擺”的實(shí)驗(yàn)裝置．傅科以后,很多科學(xué)家在全世界范圍內(nèi)重復(fù)了傅科的實(shí)驗(yàn),除了進(jìn)一步驗(yàn)證擺動(dòng)平面轉(zhuǎn)動(dòng)周期隨緯度升高而減小的定量關(guān)系外,人們還發(fā)現(xiàn)在南半球觀察到的擺動(dòng)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(shí)驗(yàn)引發(fā)了人們從動(dòng)力學(xué)角度,開(kāi)始思考地球自轉(zhuǎn)對(duì)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(dú)立的物理學(xué)分支,傅科對(duì)“地球自轉(zhuǎn)”的實(shí)驗(yàn)研究無(wú)疑對(duì)大氣物理學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展起到了劃時(shí)代的重要作用．

傅科對(duì)“地球自轉(zhuǎn)”的實(shí)驗(yàn)研究,利用最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置,巧妙而直觀地揭示了困擾人類千百年的物理學(xué)難題,毫無(wú)疑問(wèn)是物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典作品．用最簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)裝置和最巧妙的實(shí)驗(yàn)原理,精確地揭示最深刻的物理學(xué)規(guī)律,掃除人們長(zhǎng)久以來(lái)的困惑和含糊,開(kāi)辟對(duì)自然界的嶄新認(rèn)識(shí),向來(lái)是物理學(xué)家們所積極推崇的實(shí)驗(yàn)方法．2002年,美國(guó)的兩位學(xué)者在物理學(xué)家們中間做了一次調(diào)查,要求他們提名物理學(xué)歷史上最美麗的十大物理實(shí)驗(yàn),調(diào)查結(jié)果發(fā)表在美國(guó)《物理學(xué)世界》雜志,傅科的實(shí)驗(yàn)成功入選最美麗的十大物理實(shí)驗(yàn)．由此可見(jiàn),傅科的實(shí)驗(yàn)無(wú)愧于物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的傳世經(jīng)典之作,也已成為物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法寶庫(kù)中熠熠生輝的明珠,帶給后世物理學(xué)家們無(wú)盡的贊嘆與啟迪．

參考文獻(xiàn)：

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

2 雷元星.人類的科學(xué):在這個(gè)星球上我們的探索[M].北京:中國(guó)友誼出版公司,2007:91-93.

3 王較過(guò),史志強(qiáng).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(zhuǎn)啊——米歇爾傅科擺實(shí)驗(yàn)——“最美麗”的十大物理實(shí)驗(yàn)之四[J].物理通報(bào),2003(7):42-45.