這個(gè)科學(xué)史上最迷人的實(shí)驗(yàn)，解開地球“動(dòng)”“靜”之謎

? Trinity College Dublin

利維坦按：

看起來傅科擺是比較簡(jiǎn)單，但其實(shí)在架設(shè)的時(shí)候需要十分小心，因?yàn)槿魏尾淮_定的結(jié)構(gòu)都可能會(huì)導(dǎo)致擺球額外的轉(zhuǎn)向，從而被誤認(rèn)為是地球的影響。擺球的初始啟動(dòng)非常重要，傳統(tǒng)的操作方法是用火焰燒斷暫時(shí)束縛住鉛錘的棉線，以避免不必要的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。而且，空氣阻力會(huì)使振蕩衰減，因此如今博物館的傅科擺經(jīng)常會(huì)結(jié)合電磁的或其他驅(qū)動(dòng)裝置來保持鉛錘擺動(dòng)。

1851年3月31日，一群好奇的巴黎人聚集在先賢祠（Le Panthéon），觀看一場(chǎng)歷史性的科學(xué)演示。在建筑物中心其高聳的圓頂下方，他們發(fā)現(xiàn)了一件看似很簡(jiǎn)單的設(shè)備：一個(gè)28公斤重的鍍銅鉛球，通過一根67米長(zhǎng)的纜線懸掛在建筑物圓頂下方。地面放置了一個(gè)木制平臺(tái)，上面覆蓋著一層薄沙。金屬球被一根繩子固定在墻壁上。

人群逐漸安靜了下來。演示的組織者、32歲的業(yè)余科學(xué)家萊昂·傅科（Léon Foucault）走上前，用一根點(diǎn)燃的蠟燭將固定金屬球的繩子燒斷，釋放了球體。在眾目睽睽下，鐘擺在大廳中緩緩地?cái)[動(dòng)，每經(jīng)過沙地，球底部的錐尖都會(huì)在上面劃出一條線。

意大利米蘭達(dá)芬奇國(guó)家科學(xué)技術(shù)博物館（the Museo Nazionale della Scienza e Tecnica）中傅科擺實(shí)驗(yàn)的復(fù)制品。? Wikimedia Commons

起初，一切都沒有變化，但隨著時(shí)間的流逝，不可思議的事情發(fā)生了。逐漸地，沙子上的劃線開始移動(dòng)，圍繞平臺(tái)順時(shí)針穩(wěn)定地運(yùn)行。不到一個(gè)小時(shí)，它就旋轉(zhuǎn)了10多度，到了第二天，它已經(jīng)繞了一整圈，回到了原來的起點(diǎn)。

僅用最簡(jiǎn)單的設(shè)備，萊昂·傅科就最終證明了許多人長(zhǎng)期以來懷疑但無法證明的事情：地球確實(shí)繞其軸在自轉(zhuǎn)。這便是科學(xué)史上最優(yōu)雅、最有力的實(shí)驗(yàn)故事之一。

? vitotechnology

在人類歷史的大部分時(shí)間里，人們一直認(rèn)為地球位于宇宙的中心，而太陽、月亮、恒星和行星都圍繞著它旋轉(zhuǎn)——即宇宙的“地心說”模型。但到了十六七世紀(jì)，在哥白尼、開普勒、伽利略等科學(xué)家的努力下，人類逐漸采用了“日心說”模型，即地球和行星繞著太陽運(yùn)行。導(dǎo)致這一宇宙觀念變化的一個(gè)重要因素，是逆行的問題——這種奇特現(xiàn)象表明，行星有時(shí)會(huì)經(jīng)歷暫時(shí)“向后”移動(dòng)，再重新恢復(fù)其原有的運(yùn)動(dòng)軌跡。

公元二世紀(jì)，羅馬天文學(xué)家克勞迪烏斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）提出行星沿本輪（epicycles）運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)和了逆行運(yùn)動(dòng)與地心說。但是，托勒密模型盡管對(duì)于預(yù)測(cè)天文事件或設(shè)定日歷等實(shí)際目的來說效果很好，但本輪的概念卻很笨拙，無法用已知的運(yùn)動(dòng)定律來解釋。相比之下，地心模型要優(yōu)雅得多，可以輕松地解釋逆行運(yùn)動(dòng)是行星相互超越彼此軌道的結(jié)果。它也與一個(gè)世紀(jì)后艾薩克·牛頓爵士發(fā)現(xiàn)的萬有引力和運(yùn)動(dòng)定律完美契合。

不過，雖然這些理論和觀察清楚地證明了地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，但它們對(duì)于地球是否繞自身軸旋轉(zhuǎn)沒有提供任何信息。天文學(xué)家長(zhǎng)期以來一直認(rèn)為地球確實(shí)在旋轉(zhuǎn)，這是由于太陽和恒星在天空中所描繪的圓形路徑所致，但沒有人能夠提供這一事實(shí)的任何確鑿證據(jù)。

地球確實(shí)自轉(zhuǎn)的第一個(gè)可靠線索很大程度上是偶然產(chǎn)生的。1573年，英國(guó)天文學(xué)家托馬斯·迪格斯（Thomas Digges）預(yù)測(cè)，如果地球確實(shí)繞太陽公轉(zhuǎn)，恒星的位置應(yīng)該會(huì)在一年中出現(xiàn)輕微的變化，這種現(xiàn)象稱為恒星視差（Stellar parallax）。

在接下來的一個(gè)世紀(jì)里，包括法國(guó)人讓·皮卡德（Jean Picard）、英國(guó)人約翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）和羅伯特·胡克（Robert Hooke）在內(nèi)的幾位天文學(xué)家證實(shí)情況確實(shí)如此。

來自年周視差的恒星視差運(yùn)動(dòng)。? vitotechnology

不幸的是，這種變化的程度和年度周期并不符合由視差產(chǎn)生的情況。這種差異一直讓天文學(xué)家感到十分困惑，直到1728年，英國(guó)第三任皇家天文學(xué)家詹姆斯·布拉德利（James Bradley）意識(shí)到，這種變化（他稱之為光行差[stellar aberration]）不是由地球繞太陽公轉(zhuǎn)引起的，而是由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。

這種現(xiàn)象最簡(jiǎn)單的類比就是在雨中行走。如果你站著不動(dòng)，沒有風(fēng)或其他類似的因素，那么雨只是從上面落下來的。但當(dāng)你走路或跑步時(shí)，雨滴會(huì)迎面打到你；因此，盡管雨是筆直向下落的，但從你的參照系來看，你的動(dòng)作卻使雨看起來像是以一定角度落下的。同樣，地球在太空中的運(yùn)動(dòng)，使得來自遙遠(yuǎn)恒星的光（沿直線傳播）看起來以微小的角度偏差到達(dá)，從而導(dǎo)致光源的視位置發(fā)生變化。

早在1687年，艾薩克·牛頓爵士提出過地球自轉(zhuǎn)的一個(gè)實(shí)證檢驗(yàn)。在其開創(chuàng)性的著作《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）中，牛頓預(yù)測(cè)，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將導(dǎo)致地球在赤道周圍隆起。如果這是真的，那么赤道處的重力會(huì)比兩極處的重力稍強(qiáng)——這種現(xiàn)象可以通過例如鐘擺擺動(dòng)的計(jì)時(shí)來測(cè)量。

事實(shí)上，法國(guó)天文學(xué)家讓·里歇爾（Jean Richer）在1673年就已經(jīng)進(jìn)行過這樣的實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)，秒擺（即每?jī)擅胪瓿梢淮螖[動(dòng)的擺錘）在法屬圭亞那，比在巴黎的擺幅少了2.8毫米。1736年，法國(guó)派遣了兩支探險(xiǎn)隊(duì)分別去測(cè)量極點(diǎn)和赤道附近子午線一度的弧度。他們的確發(fā)現(xiàn)地球在兩極偏扁平，赤道是隆起的，這證實(shí)了牛頓的猜測(cè)，進(jìn)一步支持了地球繞地軸旋轉(zhuǎn)的觀點(diǎn)。

? Wikimedia Commons

牛頓的另一個(gè)猜測(cè)是，一個(gè)自由落體的物體會(huì)在其釋放點(diǎn)稍微向東邊落下——這個(gè)現(xiàn)象現(xiàn)在被稱為科里奧利效應(yīng)（Coriolis Effect）。這種效應(yīng)是導(dǎo)致颶風(fēng)和氣旋等大型天氣系統(tǒng)在北半球順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、南半球逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的原因，在遠(yuǎn)距離發(fā)射炮彈時(shí)必須考慮到這種效應(yīng)。

然而，與流行的觀念相反，科里奧利效應(yīng)并不會(huì)導(dǎo)致不同半球的馬桶沖水旋轉(zhuǎn)方向的不同。颶風(fēng)可能有數(shù)百公里的直徑，持續(xù)多天；而水槽或馬桶相對(duì)較小，科里奧利效應(yīng)影響排水水量的時(shí)間也非常短。

? Giphy

事實(shí)上，當(dāng)我們討論水槽、馬桶和浴缸的排水方向時(shí)，科里奧利效應(yīng)的影響微乎其微，特別是與水槽的形狀、馬桶出水口方向等其他影響水流的因素相比。在這種情況下，科里奧利效應(yīng)對(duì)馬桶中渦流的影響，幾乎和蝴蝶振翅對(duì)龍卷風(fēng)的影響一樣微不足道。

無論如何，根據(jù)牛頓的預(yù)測(cè)，1679年，英國(guó)科學(xué)家羅伯特·胡克嘗試測(cè)量從8.2米高度落下的物體的向東偏轉(zhuǎn)。然而，這個(gè)距離太短，無法獲得測(cè)量的結(jié)果。直到100年后，三位科學(xué)家，喬瓦尼·古格里爾米尼（Giovanni Guglielmini）、約翰·本岑伯格（Johan Benzenberg）和費(fèi)迪南德·賴希（Ferdinand Reich），通過從150米高的塔樓上落下物體，才證實(shí)了科氏效應(yīng)的存在。

盡管這些實(shí)驗(yàn)足以使科學(xué)界信服，但這些結(jié)果對(duì)一般公眾來說過于微小和玄奧，他們?nèi)匀粦延袑?duì)地球自轉(zhuǎn)的疑慮。這時(shí)，便出現(xiàn)了萊昂·傅科和他著名的擺錘。

讓·貝爾納·萊昂·傅科1819年9月18日出生在巴黎。他的父親是一名出版商，傅科9歲時(shí)父親去世，而他的母親經(jīng)常身體不適，因此他大部分時(shí)間在家里接受教育。孩童時(shí)期，他就表現(xiàn)出了非凡的機(jī)械天賦，能夠制造出電報(bào)機(jī)和蒸汽機(jī)等裝置。在完成文學(xué)學(xué)士學(xué)位后，傅科開始學(xué)醫(yī)。然而，暈血的他很快便輟學(xué)，后成為細(xì)菌學(xué)家阿爾弗雷德·多內(nèi)（Alfred Donné）的實(shí)驗(yàn)室助手。

三年后，傅科與物理學(xué)家伊波利特·斐索（Hippolyte Fizeau）合作，進(jìn)行了有關(guān)光性質(zhì)和特性的各種實(shí)驗(yàn)。他還對(duì)路易·達(dá)蓋爾（Louis Daguerre）新發(fā)明的銀版攝影法產(chǎn)生了濃厚興趣，并對(duì)其進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)。

然而，到了1850年，傅科和斐索已經(jīng)鬧翻并分道揚(yáng)鑣了。1851年，兩人獨(dú)立進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出的光速與目前公認(rèn)的值相差不超過5%。傅科還確定光在水中的傳播速度比在空氣中慢，這有助于反駁艾薩克·牛頓爵士的光的“微?！被蛄Ｗ永碚?，并使科學(xué)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向光的波動(dòng)理論——但這是另一個(gè)故事主題了。

萊昂·傅科（1819-1868）。? Astronoo

1851年1月上旬的一個(gè)晚上，?？掠辛怂钪亩匆姡嚎梢杂靡粋€(gè)大的鐘擺來證明地球的自轉(zhuǎn)。傅科擺的原理與科里奧利效應(yīng)相同：就像飛行的炮彈或下落的重物一樣，擺動(dòng)的擺在直線或固定平面上運(yùn)動(dòng)，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)——換句話說，它處于一個(gè)慣性參考系。

只要沒有外力作用于它，鐘擺將繼續(xù)沿著這個(gè)平面擺動(dòng)，這意味著當(dāng)?shù)厍蛟谒路叫D(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)平面將相對(duì)于起始位置旋轉(zhuǎn)——在北半球是順時(shí)針，南半球是逆時(shí)針。

這個(gè)旋轉(zhuǎn)的速度取決于鐘擺所在的緯度。在兩極，它每24小時(shí)旋轉(zhuǎn)一圈，而在赤道，它則不會(huì)旋轉(zhuǎn)。在任何其他緯度，自轉(zhuǎn)速率與緯度角的正弦值成正比。例如，在北緯48.85度的巴黎，傅科擺每31.85小時(shí)旋轉(zhuǎn)一圈。由于鐘擺的懸掛點(diǎn)固定在地球上，因此振蕩平面并不真正保持固定，而是以每天180度的速度旋轉(zhuǎn)，每?jī)商旆祷氐皆瓉淼奈恢谩?/p>

為了達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，傅科必須非常仔細(xì)地構(gòu)造擺錘。懸索的錨點(diǎn)必須采用萬向節(jié)，以便不偏向任何擺動(dòng)方向，同時(shí)繩索本身必須盡可能有韌性、均勻且無缺陷，以防止不必要的諧振。由于不均勻的空氣阻力也會(huì)使擺錘偏轉(zhuǎn)，因此擺球必須具有流線型、對(duì)稱的特性，并且盡可能質(zhì)量大。最后，釋放擺錘過程中的任何外力都會(huì)嚴(yán)重影響擺動(dòng)——這就是為什么傅科擺通常通過燒斷一根繩子來釋放擺錘（如今科學(xué)博物館中的許多實(shí)例還配備了電磁系統(tǒng)，以抵消空氣阻力的影響并保持鐘擺無限期擺動(dòng)）。

1851年1月3日，傅科用懸掛在自家地下室的一個(gè)小擺錘嘗試了他的想法。在確認(rèn)了基本原理后，他向包括拿破侖三世皇帝在內(nèi)的一群科學(xué)家和政要發(fā)出了邀請(qǐng)函，其中寫道：

“邀請(qǐng)你來看看地球的轉(zhuǎn)動(dòng)?！?/p>

傅科擺的首次公開演示于1851年2月3日在巴黎天文臺(tái)的子午線室進(jìn)行。盡管受邀科學(xué)家對(duì)這個(gè)戲劇性的實(shí)驗(yàn)感到驚訝，但由于傅科缺乏正規(guī)教育，科學(xué)界遲遲沒有認(rèn)真對(duì)待這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

一個(gè)月后，傅科的傳世之作得到了確立，當(dāng)時(shí)他在先賢祠進(jìn)行了著名的公開演示，迅速使他成名，并吸引了大批游客涌向展覽。傅科擺很快便消除了公眾對(duì)腳下行星旋轉(zhuǎn)的疑慮。同年，傅科發(fā)表了他的研究結(jié)果，科學(xué)界這才勉強(qiáng)接受了他。

1855年，他被授予了倫敦皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng)?wù)拢–opley Medal）——這是該學(xué)會(huì)的最高榮譽(yù)——以表彰他在機(jī)械能、熱量和磁力方面的科學(xué)貢獻(xiàn)。同年，他被任命為巴黎帝國(guó)天文臺(tái)的物理學(xué)家——這是專門為他設(shè)立的職位。最終在1865年，他當(dāng)選為法國(guó)科學(xué)院院士。

盡管傅科因其鐘擺而被人們所銘記，但他后來在物理和技術(shù)領(lǐng)域做出了許多重要貢獻(xiàn)亦不能被忽視。例如，他發(fā)現(xiàn)磁鐵在移動(dòng)的銅片中產(chǎn)生渦流——這種現(xiàn)象現(xiàn)在被應(yīng)用于減慢高速列車的速度；他還創(chuàng)建了一種使電弧照明實(shí)用化的機(jī)制；研制并命名了陀螺儀，并用它再次演示了地球的自轉(zhuǎn)；發(fā)明了新型蒸汽機(jī)調(diào)速器；對(duì)望遠(yuǎn)鏡鏡頭進(jìn)行了許多改進(jìn)。

但正如人們常說的：燭火越耀眼，燃燒越短暫——萊昂·傅科于1868年2月11日因多發(fā)性硬化癥在巴黎去世，年僅49歲。

先賢祠內(nèi)的傅科擺。? Astronoo

1855年，用于原始1851年演示的擺球被移至巴黎藝術(shù)與工藝博物館，1902年，另一個(gè)擺球被臨時(shí)安置在先賢祠，以紀(jì)念傅科擺實(shí)驗(yàn)50周年。到了1995年，原始擺球被送回先賢祠。

然而，2010年4月6日，懸掛擺球的纜繩斷裂，對(duì)歷史悠久的擺球和博物館大理石地板都造成了無法修復(fù)的破壞。因此，擺球后被放置在一個(gè)獨(dú)立的玻璃箱中展示，而一臺(tái)復(fù)制的傅科擺被安裝在原來的位置。

西班牙巴塞羅那科斯莫卡沙博物館（the CosmoCaixa museum）內(nèi)的一臺(tái)受傅科擺啟發(fā)的鐘擺裝置。由于地球自轉(zhuǎn)，鐘擺的運(yùn)動(dòng)路徑會(huì)逐漸使擺球推倒環(huán)繞圓周的垂直桿。? Wikimedia Commons

史密森尼擺錘（The Smithsonian pendulum）最終被停用，理由是它與美國(guó)歷史關(guān)系不大。? Smithsonian Institution Archives

自1995年以來，先賢祠還安裝了另一臺(tái)復(fù)制品，現(xiàn)如今，數(shù)十臺(tái)傅科鐘擺復(fù)制品出現(xiàn)在世界各地的科學(xué)博物館中。除了用電磁驅(qū)動(dòng)維持它們擺動(dòng)外，這些鐘擺通常還具有其他功能，如擺球逐漸推倒的一圈立桿。但歸根結(jié)底，所有這些都是基于同一優(yōu)雅原理在運(yùn)作——最強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)往往就是最簡(jiǎn)單的。

? Wikipedia

文/Gilles Messier

譯/tamiya2

校對(duì)/兔子的凌波微步

原文/www.todayifoundout.com/index.php/2024/02/the-fascinating-story-of-one-of-the-most-elegant-and-powerful-experiments-in-the-history-of-science/

本文基于創(chuàng)作共享協(xié)議（BY-NC），由tamiya2在利維坦發(fā)布

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