博學多才的實驗物理學家傅科

緱秀琴 王吉旭

（滑縣第一高級中學 河南 安陽 456400）

在北京天文館老館大廳、中國科技館，都有一個用很長的金屬線栓著的大鐵球，類似鐘擺來回擺動，這個裝置叫傅科擺，由19世紀法國著名物理學家傅科發明.用這樣一個簡單的實驗裝置，證明了地球在自轉.2002年美國科學家評出了兩千年來十大最美的物理實驗，傅科擺榜上有名.傅科博學多才，除了傅科擺之外，對物理學有多方面的重要貢獻，在力學、光學、電學和技術方面也有多項發明，因此，受各國科學界垂青.1864年當選為英國皇家學會會員，以及柏林科學院、圣彼得堡科學院院士.1868年被選為巴黎科學院院士.為了紀念傅科，現在月球上有一座撞擊坑就是以他的名字命名的.

1 傅科生平

圖1 傅科

傅科（Jean Bernard Leon Foucault，圖1），1819年出生于巴黎一個出版商家庭，幼年時極喜歡精巧手工的創制活動.傅科自幼體弱多病，未能像其他孩子一樣去學校讀書，僅能在家接受啟蒙教育.經過專門輔導，傅科通過了業士學位考試（業士學位考試是法國對中學生進行的畢業水平測試，相當于我國的高中畢業會考）.此后，他開始學習醫學，大約在1844年，在阿爾弗雷德·多恩（A.doone）的關懷下，傅科獲得了在醫科學校臨床顯微鏡學的教師工作，擔任多恩的助教.在教學中他們共同編寫顯微鏡學的教材.因為他實在難以忍受醫院中血淋淋的情景和患者遭受的痛苦，再加上對科學實驗的愛好，在結識物理學家A.-H.-L.斐索以后，傅科就和他一起研究物理學.從此，傅科開始把他的畢生精力都獻給了物理學，成為當時最多才多藝的實驗物理學家之一.

1845年，傅科成為《討論周報》（Jouenal des dehais）的科學通訊員.從此，他從事科學寫作，在該報為廣大讀者開辟的科學專欄中討論一系列科學發展的最新成就.從1844年到1846年，傅科為法國的業士畢業考試編寫并出版了幾何、算術、化學等教科書.此外，他還在阿薩斯街（Rued′As-sas）自己家里建立的實驗室進行科學實驗，從事物理學研究，發表學術論文.1853年，傅科獲得物理學博士學位，他的博士論文是關于比較光在空氣中和在水中的傳播速度.由于傅科對地球轉動的實驗演示和回轉儀的發明，1854年拿破侖三世在巴黎天文臺為傅科找到一個物理學教授職位，從而使博科的許多工作和天文學研究聯系在一起.他為天文學儀器更加完善作出了許多重要貢獻.由于對地球轉動的演示和發明回轉儀，1855年，他被授于倫敦皇家學會柯普利獎章，后來又當選為皇家學會外籍會員、柏林科學院外籍院士、圣彼得堡科學院外籍院士 .1865年，傅科當選為法國科學院院士.1867年，傅科患了腦病，患病期間，他還精心安排并主持“科學家朋友”小組的活動.“科學家朋友”小組每星期四在阿薩斯街他的家中聚會，討論科學問題.傅科患病7個月后，于1868年2月1日去世，年僅49歲.

2 物理學方面的貢獻

傅科是一位偉大的實驗物理學家，對物理學的主要貢獻在實驗方面.而傅科擺無疑是傅科對物理學最大的貢獻之一.事實上，地球自轉的理論是16世紀時“太陽中心說”的創始人哥白尼提出的.此后的相當長一段時間內，這一理論只能停留在讓人們從主觀上接受的水平.1845年，傅科與斐索合作制作太陽的達蓋爾式照片.制作達蓋爾式照片，需要較長的曝光時間.這就要求拍攝恒星時，望遠鏡必須長時間指向某一天體.因而，在地球上拍攝恒星的達蓋爾照片，必須不斷調整望遠鏡的方向，使其始終對準某一天體.為了調節望遠鏡的軌跡，傅科做擺的實驗.在實驗過程中傅科聯想到用實驗來演示地球的自轉，從而發明了傅科擺.1851年，在拿破侖三世的贊助下，傅科選用直徑為30cm，重28kg的擺錘，擺長為67m，將它懸掛在巴黎萬神殿圓屋頂的中央，使它可以在任何方向自由擺動.下面放有直徑6m的沙盤和啟動栓.如果地球沒有自轉，則擺的振動面將保持不變；如果地球在不停地自轉，則擺的振動面在地球上的人看來將發生轉動.當人們親眼看到擺每振動一次（周期為16.5s），擺尖在沙盤邊沿畫出的路線移動約3mm，每小時偏轉11°20′（即31小時47分回到原處）時，都目瞪口呆.有人甚至在久久凝視以后說：“確實覺得自己腳底下的地球在轉動！”實驗的結果與傅科的設想完全吻合，擺的擺動顯示為由東向西的、緩慢而持續的方向旋轉.傅科的演示直接證明了地球自西向東的自轉.由此，傅科被授予榮譽騎士五級勛章.傅科的實驗引發了全世界的一股實驗熱潮，各地的人們紛紛效仿傅科，用長長的鐘擺來揭示地球的自轉.現在，在全球的許多大學和科研機構，包括在紐約的聯合國總部，我們都能看到傅科擺.

除了傅科擺之外，傅科最出色的工作還有光速的測定和渦電流的發現.1850年，傅科改進了斐索用齒輪法測定光速，采用旋轉鏡法測量了光在空氣和在水中的速度.原理如下：設想光線照到A鏡上，然后，成某個角度反射到第二面鏡B上，B又反射過來將光線反射到A鏡上.假如兩面鏡子均不動，那么從理論上講，光就會這樣來回地永遠反射下去.然而，如果使A鏡迅速轉動，那么當光從B鏡回射到A鏡時，A鏡已發生了輕微移動，而會將光反射到一個新的位置.根據A鏡轉動的速度，并根據光程的總長度和反射光束移動的角度，傅科能以從未有的精度測定光速.他的光速值比斐索的值更加精確，僅稍低于邁克耳孫后來最終求得的值.傅科又用他的旋鏡法測量光在水和其他透明介質中的速度.1853年，傅科證明光速在水中比在空氣中小，這是光的波動說的一個有力證據.同年，他被授予榮譽騎士二級勛章，并被聘為經度局成員.

1851年傅科發現，一個移動的磁場與金屬導體相交，或是由移動的金屬導體與磁場垂直交會時導體內會出現循環的電流.這個電流類似于劃船過程中槳帶動水面形成的漩渦，因此，稱其為渦電流也稱傅科電流.這是傅科在電磁學方面的重要發現.同年，他被英國皇家學會授予科普利獎章.渦電流可以用于無損檢測與監看多種金屬制品的結構，如飛機機身與零件等.現在日常生活中用的電磁爐就是用渦電流來發熱的.

3 技術方面的主要貢獻

傅科一生對技術的發展作出了巨大貢獻.他的技術發明和對技術的改進不僅解決了當時的實踐問題，而且對現代科學技術的發展也具有重要意義.從時間先后順序大致有如下幾個方面.

（1）改進了達蓋爾照相術.1839年達蓋爾發明了照相術，隨后傅科抱著極大的興趣去研究照相術并對其進行了改進.1845年，傅科與斐索（Fizeau）合作，首次將“達蓋爾照相術”應用于天文照相，拍攝太陽的達蓋爾式照片.

（2）為弧光燈研制調節器.19世紀初葉，電力照明問題引起越來越多的人注意，當時已經發明了電弧燈.電弧燈使用過程中需要調整碳棒間的距離.而用手工調整過于麻煩，因而傅科為弧光燈研制了調節器，并將弧光燈應用于顯微鏡照明.1843年，他制造了為顯微鏡接物臺照明用的弧光燈.1849年，他又對調節器作了一些改進，并將弧光燈用于劇院的照明裝置.

（3）用玻璃鍍銀制作反射鏡.此鏡較以前的金屬反射鏡優越得多.1857年，傅科在制造反射望遠鏡的過程中，首次用鍍銀玻璃作望遠鏡的反射鏡.他研制出了測試和修正反射鏡和透鏡參數的方法，其方法不僅簡單易行，而且比較精確.

（4）研制了一系列機械調節器.19世紀中葉，蒸汽機已廣泛用于工業生產領域.蒸汽機應用于工業生產，要求它的轉速要比較穩定.這個問題當時并未得到很好解決，于是傅科在1860年前后致力于研究使機械轉動均勻的問題，并研制了一系列機械調節器.傅科的調節器性能優于其他調節器，其效果比當時使用的瓦特調節器好得多.傅科還把機械調節器用于定日鏡和定星鏡上.

除了上述成就之外，傅科的貢獻還有很多.例如，1852年，他制造出了回轉儀——也就是現代航空、軍事領域使用的慣性制導裝置的前身.1855年設計了光度計.1857年創制了“傅科棱鏡”，用于偏振光的研究.1858年，又設計了反射式望遠鏡的橢球面鏡等.

物理學是科技發展的基礎，物理學理論是科技發展的基石，而另一方面，技術的發展也為物理學研究創造了條件.理論物理學家固然偉大，然而，實驗物理學家的功績也是不容忽視的，甚至后者的工作對我們的日常生活影響更直接.雖然傅科沒有受過正規的學校教育，但由于對物理實驗強烈的興趣，傅科把畢生精力都獻給了物理學.傅科的一生雖然短暫，但他思路巧妙，工藝精湛，動手能力極強，再加上他的勤奮努力，有多方面的發明創造，不愧為19世紀最偉大的實驗物理學家之一.盡管傅科的貢獻很多，但生活平靜，只對他的研究感興趣，這也值得我們當代的科學工作者深思.飲水思源，今天享受著現代科技的我們應該感謝傅科，感謝所有對物理學和科學技術做出貢獻的人們.