“上帝之手”的见证者—莱昂?傅科

孙越高++袁海泉

当你走进法国巴黎国立工艺博物馆时，你会看到一个金属球被一根很长的金属线吊在高高的圆穹顶上，它像钟摆一样不停的来回摆动着，这个装置其实就是傅科摆.它是由法国伟大的物理学家莱昂·傅科发明的，就是这样一个简单的装置，在哥白尼提出“日心说”的300年后，证明了地球在自转.傅科所做的“傅科摆实验”，凭借其简单的设备、巧妙的设计、明显的现象和直观的结论，被评为物理学史上最美丽的实验之一.从现代的角度来看，傅科摆无疑是一项伟大的科学成果，然而在19世纪宗教神学还处于统治地位的欧洲，人们却将其认为是上帝之手在推动地球在转动，傅科则被认为是见证上帝之手的第一人.

1傅科简介及生平

莱昂·傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault， 1819-1968，图1 ） 是19世纪中期法国杰出的实验物理学家.1853年获物理学博士學位.1855年获英国皇家学会的科普利奖章，1864年被选为会员.1862年被授予法国荣誉骑士二级勋章并受聘为经度局的成员.1865年为法国科学院院士，柏林科学院和圣彼得堡科学院院士.为了纪念傅科，现在月球上有一座撞击坑就是以他的名字命名的.傅科出生于法国巴黎的一个出版商家庭，因为他幼年体弱多病，所以他并没有接受学校教育而是选择了家庭教育.小时候的傅科非常喜欢手工制作，但是在通过业士学位考试（业士考试相当于我国高中毕业考试）之后，却按照父亲的意愿，开始学习医学.大约在1844年，在阿尔弗雷德·多恩的关怀下，傅科获得了在医科学校临床显微镜学的教师工作，并担任多恩的助教，共同编写显微镜学的教材.医科学校的生活并不是傅科所想的那般美好，学校的工作要经常接触病人，但是，傅科实在难以忍受医院血淋淋的情景和患者所遭受的痛苦.在他最彷徨的那段时间，他遇见了他的物理启蒙导师-斐索，加上对科学实验的爱好， 他决定放弃医学工作， 从事物理实验工作.1845年傅科开始了人生的新篇章，成为《讨论周报》的科学通讯员， 他负责科学写作，在该报为广大读者开辟的科学专栏中讨论一系列科学发展的最新成就.同时，傅科陆续为法国的业士毕业考试编写并出版了几何、算术和化学等教科书.此外， 他还在阿萨斯街自己家里建立的实验室进行科学实验， 从事物理学研究， 发表学术论文.1850年， 傅科得到一项重要的实验研究成果：光在空气中的传播速度大于光在水中的传播速度.1851年， 傅科又提出了一篇论文，论述了他用摆对地球转动作出的著名的证明.1852年， 他发明了回转仪.1853年，傅科获得物理学博士学位， 他的博士论文是关于比较光在空气中和在水中的传播速度.由于傅科对地球转动的实验演示和回转仪的发明，1854年拿破仑三世在巴黎天文台为傅科找到一个物理学家职位， 从而使博科的许多工作和天文学研究联系在一起，他为天文学仪器更加完善作出了许多重要贡献.1867 年，傅科患了脑病，患病七个月后，傅科于1868年2月11日不幸去世，并被葬于蒙马特尔公墓，年仅49岁.

傅科一生做了许多重要的物理实验和技术发明.在科学和技术领域解决了许多实际问题.他的工作不仅促进了物理学的发展， 而且在技术的发展中起了十分重要的作用.但是，傅科最让人难忘的还是发明了测量地球自转的傅科摆.

2见证上帝之手-发明傅科摆

地球自转的理论是16世纪时“太阳中心说”的创始人哥白尼提出的.此后的相当长一段时间内，这一理论只能停留在让人们从主观上接受的水平.1845年，傅科与斐索合作制作太阳的达盖尔式照片，而制作达盖尔式照片，需要较长的曝光时间，这就要求拍摄恒星时，望远镜必须长时间指向某一天体.因而，在地球上拍摄恒星的达盖尔照片，必须不断调整望远镜的方向，使其始终对准某一天体.如何将望远镜的方向始终对准某一天体呢，傅科想到仿照17 世纪惠更斯未曾实现的圆锥摆钟的设计方案， 他做了一台特殊的钟，用一根钢棒支撑摆锤，在实验过程中他发现， 当把钢棒夹在车床的卡子上，用手转动车床时， 钢棒振动总是要维持它原来的振动平面，不随车床转动.这一奇妙的现象，引起了傅科极大的兴趣， 而他对物理的敏锐直觉使感觉这是一很有价值的实验，接下来他联想到是不是可以用类似的方法，做一个演示来证明地球的自转的实验.这个想法一直在他的脑海中萦绕了很久，经过很长时间的深思熟虑和精心设计，后来傅科终于想到了一个简单而绝纱的实验办法证明了地球的自转.

1851年，傅科在法国巴黎、国葬院的大厅进行了一项非常有趣而意义非凡的实验，如图2，实验在当时就非常惹人瞩目，吸引了成千上万的人都赶来观看，傅科做实验时选用了直径为30厘米、重28 千克的摆锤，摆长更是长达67 米， 摆由傅科亲自吊上，悬挂在大厅屋顶的中央，并且可以在任何方向自由摆动.摆锤的下面放有直径6 米的巨大沙盘和启动栓，每当摆锤经过沙盘上方的时候， 摆锤下面的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹.实验开始后，围观的人们亲自看到了奇迹的发生，摆在他们的面前悄悄地产生了“移动”——沿着顺时针方向发生了旋转.摆每振动一次（ 周期为16.5 秒） ，摆尖在沙盘边沿画出的路线就会移动约3毫米， 每小时偏转11度20分（即31小时47分回到原处）.有的人在摆动开始时， 明明看到摆球在自己的面前荡来荡去，但经过一段时间以后， 却发现摆动发生了明显的变化，摆球离自己越来越远.对于当时围观的人们来说， 通过自己亲自的观测，都可以得出这么一个“简单” 的道理： 自己没有移动， 那一定是摆平面发生了“移动”.就连在场的许多教徒也都目瞪口呆， 有的甚至私下偷偷地说： “脚下的地球真的好像在转动啊！”轰动巴黎的“傅科摆”实验是第一个能够向广大观众演示地球自转的实验，它生动而形象地证明了地球的自转， 极大地促进了人们对科学的信任和热爱.傅科的这个演示地球自转的装置，也从此被命名为“傅科摆”，傅科也因此根据地球自转的理论提出：除地球赤道以外的其他地方，单摆的振动面会发生旋转的现象.如果地球没有自转，则摆的振动面将保持不变：如果地球在不停地自转，则摆的振动面在地球上的人看来将发生转动.事实上，这是摆底下的地面在转动，因为对于一个自由摆动的摆来说，其摆动平面是不会发生移动的.而傅科则被当时许多信徒称为见证上帝之手的第一人.

然而任何科学成功都不是一蹴而就的，科学家本身不仅要具备扎实的科学功底和科学理念，同时还要付出异于常人的努力和汗水.傅科发明傅科摆来证明地球的自转也经历了同样的过程.傅科曾经在4个地方进行实验，不断的对实验进行改进，最终给后人展示了完美的“傅科摆”实验.而它的成功之处在于傅科在做这个实验时巧妙处理了几个关键性的问题.第一，他利用了很长的摆线，可以让摆动的时间足够长而便于观察；第二，他使用了质量很大的摆球，这是非常必要的， 质量大可以增大惯性，在摆动开始的时候具有足够的机械能（因为实验过程中无法补充能量） ， 并可以減少空气阻力带来的影响；第三， 摆线可以在任意方向运动， 这有利于保持摆动平面不变化.正是这三点精妙的处理才使得傅科成功的演示了地球的自转.利用这些简单实用的技巧，得到了很好的实验结果.3“傅科摆”的历史影响

“傅科摆”实验引起了人们极大的兴趣， 在此后的若干年中， 世界上许多地方多次重复了该实验， 并相继发表了许多相关的文章.人们发现在地球上不同的地方， 摆动情况也不同：在北半球时， 摆动平面顺时针转动；在南半球时，摆动平面逆时针转动；而且发现摆动平面转动的速率与当时的地理纬度有关. 后来人们的研究又发现地球自转使地表水平运动物体产生偏转， 北半球运动物体向右偏，南半球运动物体向左偏， 偏转力的大小可用科里奥利力表示.这些工作使长期以来对河流、海洋这一类因地球自转有明显影响的现象研究，获得坚实的力学基础，同时还为研究地球上的气压带和风带的形成， 气旋、反气旋和台风的发生和发展， 提供了力学基础，甚至对于我们今天发射远程炮弹、火箭升空以及卫星上天等高科技的航天事业， 依然具有重要的理论指导意义.如今， 在世界各地的演示实验室或者科学馆，都有根据巴黎的“ 傅科摆” 的原理制作的小型或者微型的傅科摆向观众展示地球的自转运动.北京天文馆的大厅里就有一个傅科摆， 一个系在圆弯顶上垂下的长长细线下端的金属球来回摆动着， 下面是一个刻着度数的铁制大圆盘， 人们可以由此读取摆动平面旋转的度数.有兴趣人们都喜欢在这里停留一段时间， 亲眼看一看地球是怎样自转的.

“傅科摆”实验充分体现了傅科的聪明才智， 然而这一成功并没有影响他在科学上前进的步.1852 年他发明了回转仪（图3）， 并发现了回转罗盘效应；1855 年设计了光度计；1857 年创制了“傅科棱镜” ， 用于偏振光的研究并提出用镀银玻璃反射镜代替金属反射镜；1858年， 还设计了反射式望远镜的椭球面镜；1860 年又发明了定日镜的跟踪系统.傅科的一生对物理学有着多方面的重要贡献，在力学、光学、电学方面都建树颇丰.基于他的兴趣， 所以他的研究侧重于实验仪器的制备、实验方法的设计、以及对物理量的精确测量.其对光速的测定以及涡电流理论的提出，也是傅科对人类做出的巨大贡献.

傅科这些众多的发明虽然归功于他敏锐的直觉和聪颖的大脑， 但是更重要的是他的努力和勤奋，这值得我们每一个人向他学习.如今尽管我们已经进人了高科技的21 世纪，科学发展日新月异，然而，傅科摆实验简单而实用的设计思想，利用最简单的仪器和设备， 发现最根本、最单纯的科学概念对于我们今天设计实验来说，仍然具有很好的启发性，依然起着启迪思维、激发兴趣的作用，以及对于创新意识和动手能力的培养等方面必将依然产生深刻而久远的影响.