博學(xué)多才的實驗物理學(xué)家傅科

緱秀琴 王吉旭

（滑縣第一高級中學(xué) 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(jì)法國著名物理學(xué)家傅科發(fā)明.用這樣一個簡單的實驗裝置，證明了地球在自轉(zhuǎn).2002年美國科學(xué)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(xué)多才，除了傅科擺之外，對物理學(xué)有多方面的重要貢獻，在力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和技術(shù)方面也有多項發(fā)明，因此，受各國科學(xué)界垂青.1864年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員，以及柏林科學(xué)院、圣彼得堡科學(xué)院院士.1868年被選為巴黎科學(xué)院院士.為了紀(jì)念傅科，現(xiàn)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(chuàng)制活動.傅科自幼體弱多病，未能像其他孩子一樣去學(xué)校讀書，僅能在家接受啟蒙教育.經(jīng)過專門輔導(dǎo)，傅科通過了業(yè)士學(xué)位考試（業(yè)士學(xué)位考試是法國對中學(xué)生進行的畢業(yè)水平測試，相當(dāng)于我國的高中畢業(yè)會考）.此后，他開始學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，大約在1844年，在阿爾弗雷德·多恩（A.doone）的關(guān)懷下，傅科獲得了在醫(yī)科學(xué)校臨床顯微鏡學(xué)的教師工作，擔(dān)任多恩的助教.在教學(xué)中他們共同編寫顯微鏡學(xué)的教材.因為他實在難以忍受醫(yī)院中血淋淋的情景和患者遭受的痛苦，再加上對科學(xué)實驗的愛好，在結(jié)識物理學(xué)家A.-H.-L.斐索以后，傅科就和他一起研究物理學(xué).從此，傅科開始把他的畢生精力都獻給了物理學(xué)，成為當(dāng)時最多才多藝的實驗物理學(xué)家之一.

1845年，傅科成為《討論周報》（Jouenal des dehais）的科學(xué)通訊員.從此，他從事科學(xué)寫作，在該報為廣大讀者開辟的科學(xué)專欄中討論一系列科學(xué)發(fā)展的最新成就.從1844年到1846年，傅科為法國的業(yè)士畢業(yè)考試編寫并出版了幾何、算術(shù)、化學(xué)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(xué)實驗，從事物理學(xué)研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文.1853年，傅科獲得物理學(xué)博士學(xué)位，他的博士論文是關(guān)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(zhuǎn)動的實驗演示和回轉(zhuǎn)儀的發(fā)明，1854年拿破侖三世在巴黎天文臺為傅科找到一個物理學(xué)教授職位，從而使博科的許多工作和天文學(xué)研究聯(lián)系在一起.他為天文學(xué)儀器更加完善作出了許多重要貢獻.由于對地球轉(zhuǎn)動的演示和發(fā)明回轉(zhuǎn)儀，1855年，他被授于倫敦皇家學(xué)會柯普利獎?wù)拢髞碛之?dāng)選為皇家學(xué)會外籍會員、柏林科學(xué)院外籍院士、圣彼得堡科學(xué)院外籍院士 .1865年，傅科當(dāng)選為法國科學(xué)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(xué)家朋友”小組的活動.“科學(xué)家朋友”小組每星期四在阿薩斯街他的家中聚會，討論科學(xué)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(xué)方面的貢獻

傅科是一位偉大的實驗物理學(xué)家，對物理學(xué)的主要貢獻在實驗方面.而傅科擺無疑是傅科對物理學(xué)最大的貢獻之一.事實上，地球自轉(zhuǎn)的理論是16世紀(jì)時“太陽中心說”的創(chuàng)始人哥白尼提出的.此后的相當(dāng)長一段時間內(nèi)，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(diào)整望遠鏡的方向，使其始終對準(zhǔn)某一天體.為了調(diào)節(jié)望遠鏡的軌跡，傅科做擺的實驗.在實驗過程中傅科聯(lián)想到用實驗來演示地球的自轉(zhuǎn)，從而發(fā)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?shù)闹醒耄顾梢栽谌魏畏较蜃杂蓴[動.下面放有直徑6m的沙盤和啟動栓.如果地球沒有自轉(zhuǎn)，則擺的振動面將保持不變；如果地球在不停地自轉(zhuǎn)，則擺的振動面在地球上的人看來將發(fā)生轉(zhuǎn)動.當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動！”實驗的結(jié)果與傅科的設(shè)想完全吻合，擺的擺動顯示為由東向西的、緩慢而持續(xù)的方向旋轉(zhuǎn).傅科的演示直接證明了地球自西向東的自轉(zhuǎn).由此，傅科被授予榮譽騎士五級勛章.傅科的實驗引發(fā)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(zhuǎn).現(xiàn)在，在全球的許多大學(xué)和科研機構(gòu)，包括在紐約的聯(lián)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(fā)現(xiàn).1850年，傅科改進了斐索用齒輪法測定光速，采用旋轉(zhuǎn)鏡法測量了光在空氣和在水中的速度.原理如下：設(shè)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(zhuǎn)動，那么當(dāng)光從B鏡回射到A鏡時，A鏡已發(fā)生了輕微移動，而會將光反射到一個新的位置.根據(jù)A鏡轉(zhuǎn)動的速度，并根據(jù)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(zhì)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(jù).同年，他被授予榮譽騎士二級勛章，并被聘為經(jīng)度局成員.

1851年傅科發(fā)現(xiàn)，一個移動的磁場與金屬導(dǎo)體相交，或是由移動的金屬導(dǎo)體與磁場垂直交會時導(dǎo)體內(nèi)會出現(xiàn)循環(huán)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(xué)方面的重要發(fā)現(xiàn).同年，他被英國皇家學(xué)會授予科普利獎?wù)?渦電流可以用于無損檢測與監(jiān)看多種金屬制品的結(jié)構(gòu)，如飛機機身與零件等.現(xiàn)在日常生活中用的電磁爐就是用渦電流來發(fā)熱的.

3 技術(shù)方面的主要貢獻

傅科一生對技術(shù)的發(fā)展作出了巨大貢獻.他的技術(shù)發(fā)明和對技術(shù)的改進不僅解決了當(dāng)時的實踐問題，而且對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(shù).1839年達蓋爾發(fā)明了照相術(shù)，隨后傅科抱著極大的興趣去研究照相術(shù)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(shù)”應(yīng)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(diào)節(jié)器.19世紀(jì)初葉，電力照明問題引起越來越多的人注意，當(dāng)時已經(jīng)發(fā)明了電弧燈.電弧燈使用過程中需要調(diào)整碳棒間的距離.而用手工調(diào)整過于麻煩，因而傅科為弧光燈研制了調(diào)節(jié)器，并將弧光燈應(yīng)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(diào)節(jié)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(yōu)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(shù)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(diào)節(jié)器.19世紀(jì)中葉，蒸汽機已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域.蒸汽機應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，要求它的轉(zhuǎn)速要比較穩(wěn)定.這個問題當(dāng)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(zhuǎn)動均勻的問題，并研制了一系列機械調(diào)節(jié)器.傅科的調(diào)節(jié)器性能優(yōu)于其他調(diào)節(jié)器，其效果比當(dāng)時使用的瓦特調(diào)節(jié)器好得多.傅科還把機械調(diào)節(jié)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(zhuǎn)儀——也就是現(xiàn)代航空、軍事領(lǐng)域使用的慣性制導(dǎo)裝置的前身.1855年設(shè)計了光度計.1857年創(chuàng)制了“傅科棱鏡”，用于偏振光的研究.1858年，又設(shè)計了反射式望遠鏡的橢球面鏡等.

物理學(xué)是科技發(fā)展的基礎(chǔ)，物理學(xué)理論是科技發(fā)展的基石，而另一方面，技術(shù)的發(fā)展也為物理學(xué)研究創(chuàng)造了條件.理論物理學(xué)家固然偉大，然而，實驗物理學(xué)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(guī)的學(xué)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(xué).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(fā)明創(chuàng)造，不愧為19世紀(jì)最偉大的實驗物理學(xué)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(dāng)代的科學(xué)工作者深思.飲水思源，今天享受著現(xiàn)代科技的我們應(yīng)該感謝傅科，感謝所有對物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)做出貢獻的人們.