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这是一个看似很常识，却也是很奇妙的事情！ 据记载，300多年以前伽利略受到罗马教廷的审判,当他被迫承认地心说的时候，伽利略喃喃自语道:“可是地球仍然在动啊!'伽利略是否说过这句话已经不可考证。很难想像有人听见了伽利略低声说出的“异端”言论，并且把它记录了下来,更何况当时伽利略已经神志不太清醒。圣经说大地是不动的:而现在,即使是小学三年级的学生也知道地球存在自转和公转。那么，人们是如何证明地球的运动比如自转呢?  1851年,法国科学家傅科在巴黎的先贤祠大厅里,进行了一项有趣的实验。傅科在大厅的穹顶上悬挂了一条67米长的绳索,绳索的下面是一个重达28千克的摆锤。摆锤的下方是巨大的沙盘。每当摆锤经过沙盘上方的时候，摆锤上的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹。按照日常生活的经验，这个硕大无朋的摆应该在沙盘上面画出惟一一条轨迹。 当实验开始时，人们惊奇地发现，傅科设置的摆每经过一个周期的震荡，在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹。准确地说，在这个直径6米的沙盘边缘，两个轨迹之间相差大约3毫米。 傅科的这个摆是一个演示地球自转的实验。摆的轨迹的偏差,正好说明了地球是在自转的。这种摆也因此被命名为“傅科摆'。傅科摆为什么能够演示出地球自转呢?简单地说,因为惯性。  首先，我们要明白，当我们说“地球在自转'的时候，要明确指出它到底相对于什么自转。这是一个非常重要的问题，如果没有参照物，谈论运动是不可想像的。当然，我们不可能在广阔无际的太空中敲上:一根钉子作为地球的绝对参照物。因此，只能依靠较远的、看起来似乎是静止的天体作为参照物。事实上，那些天体也绝不是太空中一动不动地待着的“钉子”，只不过因为它们实在太遥远了，我们不妨把它们作为参照物，事实上,以遥远的恒星作为参照物恐怕也是惟一的选择。 经典力学中，牛顿第一定律规定，一个物体不受外力作用的时候，将-直保持它的运动状态。摆就是-种可以证明这一定律的有趣装置，只要给它-个恰当的起始作用，它就会-直沿着某- 方向，或者说某一平面运动。 我们先设想一种简 单的情况，把傅科摆放置在北极点上。很显然，地球在自转---相对于通远的恒星自转。傅科摆的摆锤相对于遇远恒星的运动方向(平面)是不变的。你可以想像，有3颗遥远的恒星确定了一个平面，而傅科摆恰好在这个平面内运动。由f惯性，当地球以及用来吊起摆锤的架子转动的时候,摆锤仍然在那个平面内运动。因此，你站在傅科摆附近的地球表面上,显然会发现摆动的平面正在缓级地转动，它转动的速度大约是钟表时针转动速度的一半，也就是说，每小时傅科摆都会顺时针转过15%。 如果把傅科摆放置赤道上呢?那样的话，我们将观察不到任何转动。由于它的运动方向与地轴平行，而地轴相对遥远的恒星是静止的，所以我们观测不到傅科摆相对地面的转动。 现在把傅科摆移回巴黎。摆锤的运动可以分解为沿地轴方向b 和与之垂直方向上的两个分运动。后者会产生相对地面的旋转，正如北极的傅科摆。这两个分运动合成的结果是，从地面上的人看来，傅科摆以某种角速度缓慢的旋转一介于傅科摆在北极和赤道的角速度之间。如果在北极观测到的傅科摆旋转--周的时间是24小时，那么在任意纬度r上,傅科摆旋转一周所需的时间是24小时/sinr.对于巴黎,这个数字是31.8小时。 也许有人要问了,为什么要使用这么巨大的摆呢?傅科使用如此巨大的摆当然有他的道理。摆线越长,摆的周期就越长,由于相对一般小型摆的周期而言,地球转动得要算很缓慢了,所以需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异。又因为空气阻力的影响，这个系统必须拥有足够的机械能，一旦摆开始运动，就不能给它增加能量。所以傅科选择了一个28千克的铁球作为摆锤。此外，悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动，需要一 -个比较广阔的空间。傅科的实验E是因为实现了这三点，才能成功地演示出地球的自转现象。  傅科于1819年生在巴黎。他从小喜欢动手做试验,最初傅科学的是医学,后来才转行学习物理学。1862 年傅科使用旋转镜法成功地测定了光速为289000km/s,这是当时相当了不起的成绩,因此他被授予了骑士二级勋章。此外，傅科还在实验物理方面做出了-些贡献。例如,改进了照相术，拍摄到了钠的吸收光谱。傅科摆实验的第二年，即1852年,他制造出了回转仪(陀螺仪)-也就是现代航空、军事领域使用的惯性制导装置的前身。此外，他还发现了在磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流,这被命名为“傅科电流”。当然,不能忘记的是傅科摆实验,因为这个非常简单的演示了地球自转现象的实验,傅科获得了荣誉骑士五级勋章。 现在，巴黎的先贤祠中依然保留着150年前傅科摆实验所用的沙盘和标尺。不仅仅是在巴黎，在世界各地你都可以看到傅科摆的身影，在北京天文馆你就可以看到一个傅科摆的复制品。 当你有机会凝视这个缓慢转动着的傅科摆的时候，一定也会像150年前观看傅科摆实验的观众那样,发出由衷的赞叹:“地球真的是在转动啊!” |
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