我看到了地球自转

韩吉辰

你知道地球自转的有关情况吗？下面请韩教授给你娓娓道来.

19世纪中叶，在物理学家面前摆着一个难题：证明地球的自转.

有人会问，地球在不停地旋转着，咱们怎么没有感觉到？这是因为我们与周围景物都在随着地球一起旋转的缘故.天文学家通过对恒星的测定，可以证明地球自西向东不停地旋转.

“我们在地球上，看到日月和星座每天东升西落，这就是地球自转的证明.”物理学家们说，“这个道理就好比我们坐在旋转的木马上，看到周围的景物在旋转一样.”可惜这样讲说服力不强，因为人们“亲眼”看到的毕竟是日月星辰在转.

能不能用实验来证明呢？

物理学家经过一系列研究和实践之后发现，这样做简直困难极了.地球那么巨大，要想在地球上用实验来证明“地球自转”，几乎很难想象.于是有权威断言说：要想直接证明地球自转，要想“亲眼”看到地球自转，除非人类离开地球！

1851年的一天，巴黎发生了一件轰动全市的奇闻.人们争先恐后奔走相告：“去看地球自转啦!”接连几天，巴黎先贤祠（又称名人纪念堂）门口人声鼎沸，拥挤不堪.人们来到这座建筑里，只见高高的圆屋顶上悬挂着一个巨大的单摆，摆长67 m，下面是一个沉重的铅球.单摆在缓慢、单调地摆动，每分钟还不到4个来回.“这有什么稀奇？不过是个巨大的单摆而已！”人们不禁有些失望.

“请注意单摆的摆动方向.”一个衣着朴素的年轻人提醒大家.人们安静下来，顺着他的手指望去，只见台面上撒了一层细沙，巨摆紧贴着台面摆动，细沙上留下了一条又一条清晰的痕迹.几分钟过去了，人们不禁惊奇起来：原来，单摆的每一次摆动，方向都有一点微小的变化.1 h以后，居然变化了十几度.“摆平面在转动呢!”这就是大家目睹的结论.“可是，是什么力使巨摆在转动呢？”大家迷惘地四处张望，找不到这个力啊!

这时候，年轻人站出来大声地说：“女士们，先生们，单摆摆动的方向并没有变，是我们脚下的地球在时刻不停地转动.”经过几秒钟的安静之后，人群又一次沸腾起来.大家被这个出色的实验征服了.在巨摆下面，地球自转竟然表现得这样明显.一些顽固的教徒看得目瞪口呆，有人甚至晕倒在地.

更多的人们拥上去，紧紧地和年轻人握手，祝贺他第一次在地面上科学地证明了“地球的自转”.

这个年轻人就是法国物理学家傅科（1819～1868），这一年他只有32岁.他从小热爱科学，长大后很喜欢钻研科学难题.在“用实验证明地球自转”这个科学难题面前，他没有被权威的断言吓倒，而是勇敢地向这个堡垒发起进攻.

这一时期，傅科正在研究单摆的运动规律.傅科认为，单摆运动看起来简单，实际却很复杂，还有很多规律值得继续研究.他在家里悬挂了一个长长的单摆，从天花板直到地面，因为摆线越长，摆动就越慢，空气阻力影响就小些，单摆推动以后,可以几十个小时连续摆动不会停下来.

在夜深人静的时候，傅科推动了这只单摆，单摆沿一个平面缓慢地摆起来.傅科测量了摆的摆动角度（也就是振幅），就打开一本书看起来.几个小时过去了，傅科从沉思中抬起头来，想看看摆动幅度减小了多少，这时看到了一个意想不到的现象：开始时单摆的摆动方向是跟自己接近于平行的，现在居然偏向自己了.傅科不相信地揉揉自己的眼睛，一点儿没错！他干脆放下书，找来一些细沙铺在地板上，让单摆下部的尖端在沙面上划过.几分钟后，单摆留下的痕迹就偏离了原来的方向，沙面上形成两个对顶的扇形.

奇迹！真是个奇迹！因为根据牛顿运动定律，运动着的物体在没有受到外力的时候，总是保持着匀速直线运动状态.也就是说，单摆在没有受到外力作用的时候，摆动的方向不应该发生变化.那么，眼前的奇怪现象又该如何解释呢？傅科绞尽脑汁，苦苦地思索着.

突然,一道闪光在他脑中划过：单摆的摆动方向确实没有变化,真正变化方向的是地球,因为地球在转动.傅科紧紧抓住这个“逆向思维”的思路，进行认真思考和推理，一个科学的答案在头脑中逐渐形成.

傅科兴奋极了，这是一个多么重要的发现啊！他马上找来有关资料，拿起笔和纸,紧张地计算起来.当太阳在东方喷薄欲出的时候,傅科终于得出了满意的结果：计算证明，自己的设想完全正确.

傅科的公开实验取得了成功，可是一些顽固的权威们仍然在摇脑袋.有人说，傅科是在捣鬼，是在表演“魔术”，这个巨摆是“魔鬼摆”.还有人说傅科亵渎了神圣的教堂，扬言要控告他.

在权威们的攻击和诽谤面前，傅科毫不退让，在巴黎公开举行科学讲座，说明巨摆为什么可以证明“地球转动”.如果我们在北极竖起一个巨大的支架，挂上巨摆，由于北极处于地球自转轴的顶端，支架就会随着地球一起转动，每过1 h变化15°，24 h转1圈.而巨摆的摆动方向是不会变化的，仍在那里按原方向摆动，当我们站在支架下面的时候，却看到巨摆的摆动方向变了，这仅仅是一个错觉，真正改变了方向的是地球、支架和我们自己.

“可是，为什么我们眼前的巨摆摆动面转得慢一些，要32 h才变化1 周？”一个性急的人问道.

“这是因为巨摆不在地球自转轴上的缘故.”傅科耐心地解释，“计算和实验都说明，地理纬度越低，巨摆摆动方向的变化就越慢.如果我们在赤道架起巨摆，摆动的方向将不发生任何变化了，因为这时支架的方向已经不随地球的转动而改变了.”

“你把摆挂在了一个多么薄的支架上啊！”一个观众惊讶地叫喊.“这是一个非常重要的条件.”傅科微笑着回答，“让摆支撑在吊环上的接触点越小，摩擦也就越小.只有这样，才是一个不随着地球转动而保持着自己的固定方向的自由摆，才能看到地球的自转.”

“为什么要把摆做得这么长这么重呢？普通单摆行吗？”又一个好学的青年问道.“其实也是可以的.”傅科转向这位青年，“我把摆做得长一些，摆锤重一些，是为了使摆动持续较长的时间.摆线长，摆动就缓慢；摆锤重，本身的惯性就大，这样空气阻力影响就小些，可以使我们把摆动方向的变化看得更清楚.”

真理的声音是封锁不住的，在铁一般的事实面前，那些顽固的权威们最后都低下了脑袋，由此，年轻的傅科被授予荣誉骑士勋章.科学家一致决定,把巨摆命名为“傅科摆”.从此，世界各地的博物馆、天文馆和物理教学楼里都经常安排这个出色的经典实验.

北京天文馆的大厅里就有一座傅科摆，它有10 m长，每分钟摆动10个来回.由于北京所处的纬度比巴黎还低，所以每隔37 h 15 min，单摆的摆动方向才顺时针转动1圈.你只要耐心地在旁边观察一会儿，就可以自豪地说：“我也看到了地球自转!”