证明地球在自转

http://www.economicdaily.com.cn 时间:2015-02-14 10:16 字号:

著名的“科学难题”

19世纪中叶,在全世界物理学家面前摆着一个难题:证明地球的自转!

“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,因为人们所看到的毕竟是日月星辰在转啊!能不能用实验来证明呢?物理学家们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,人们在随着地球日夜不停地转动,就像在水中平稳行驶的船舱中,“船行而人不觉”。要想在地球上证明“地球自转”,几乎很难想象。于是有的权威断言说:要想直接证明地球自转,除非人类离开地球。

震惊巴黎的实验

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:“我看见地球自转啦!”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。人们来到这座高大建筑里,只见高高的圆屋顶上悬挂着一个巨大的单摆,摆长67米,相当于一座20层楼房的高度,下面是一个沉重的铅球,在缓慢,单调地摆动,每分钟还不到四个来回。“这有什么稀奇,不过是巨大的单摆而已!”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砂,巨摆紧贴着台面摆动,细砂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。一小时以后,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,那个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!”经过几分钟的安静之后,人群又一次沸腾起来,“简直是不可思议!”大家完全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清楚,这样分明!大家拥上去紧紧地和年轻人握手,向他表示祝贺,祝贺他第一次在地面上科学地证明了“地球的自转”!

改变方向的是地球

这个年轻人就是法国物理学家——傅科,这一年他只有32岁。他从小热爱科学,学习刻苦,长大后很喜欢钻研科学难题。在“用实验证明地球自转”这个有名的难题面前,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。

“必须设计一个巧妙的实验,”傅科想。可是一时却想不出什么好办法。这一时期,傅科正在深入研究单摆的运动规律。早在傅科之前,意大利科学家伽利略已经用实验发现:尽管单摆每一次摆动的角度都不相同,但是它往返一次所需要的时间却总是相同的,这叫做“单摆的等时性”。根据这个道理,后来荷兰的惠更斯发明了摆钟。但是傅科认为,单摆运动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,傅科推动了这只沉重的单摆,单摆在自己面前沿一个平面缓慢的摆起来。傅科仔细地测量了摆的摆动角度(也就是振幅)以后,就打开一本书看起来,想过一会儿再量一次,看看空气阻力对单摆运动的影响到底多大。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。这时一个意想不到的现象出现了: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,找来一些细砂铺在地板上,让单摆下部的尖端在砂面上划过。几分钟后,单摆留下的痕迹就偏离了原来的方向,砂面上形成两个对顶的扇形!      真是个奇迹!根据牛顿运动的定律,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,摆动的方向是不应该发生变化的!摆动的方向应该永远和开始的时候完全一致。

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:“单摆的摆动方向并没有变化,真正变化方向的是地球,因为地球在转动!”

傅科兴奋极了,这是一个多么重要的发现呀,原来在屋内看见地球“自转”竟是这么容易。他马上找来笔和纸,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。

在其他科学家的支持下,傅科勇敢地在先贤祠挂起了67米的巨摆,当众实验。让人们亲眼看看地球的“自转”。

权威们低下了脑袋

傅科的公开实验取得了完全成功。可是一些顽固的权威仍然在摇脑袋。有人说,傅科是在捣鬼,这个巨摆是“魔鬼摆”;有人说傅科的实验亵渎了神圣的教堂,扬言要控告他!

在权威的攻击和诽谤面前,傅科毫不退让。他在巴黎公开举行科学讲座,向广大群众说明巨摆为什么可以证明地球的转动。如果我们在北极竖起一个巨大的支架,挂上巨摆,让摆动方向和支架方向平行;由于北极处于地球自转轴的顶端,支架就随着地球一起转动,每过一小时变化15度,24小时转一圈。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。

“可是我们眼前的巨摆转得慢一些,要32小时才变化一周呀?”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。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,我们才可以把它看做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?”又一个学的青年问道。“其实也是可以的。”傅科转向这一位青年,“我把摆做得长一些,摆锤重一些,都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,这样空气阻力对摆动的影响就小些。这都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,那些顽固的权威们都低下了脑袋。各国科学家一致决定,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实验。