“上帝之手”的見證者—萊昂?傅科

孫越高++袁海泉

當(dāng)你走進(jìn)法國巴黎國立工藝博物館時，你會看到一個金屬球被一根很長的金屬線吊在高高的圓穹頂上，它像鐘擺一樣不停的來回擺動著，這個裝置其實就是傅科擺.它是由法國偉大的物理學(xué)家萊昂·傅科發(fā)明的，就是這樣一個簡單的裝置，在哥白尼提出“日心說”的300年后，證明了地球在自轉(zhuǎn).傅科所做的“傅科擺實驗”，憑借其簡單的設(shè)備、巧妙的設(shè)計、明顯的現(xiàn)象和直觀的結(jié)論，被評為物理學(xué)史上最美麗的實驗之一.從現(xiàn)代的角度來看，傅科擺無疑是一項偉大的科學(xué)成果，然而在19世紀(jì)宗教神學(xué)還處于統(tǒng)治地位的歐洲，人們卻將其認(rèn)為是上帝之手在推動地球在轉(zhuǎn)動，傅科則被認(rèn)為是見證上帝之手的第一人.

1傅科簡介及生平

萊昂·傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault， 1819-1968，圖1 ） 是19世紀(jì)中期法國杰出的實驗物理學(xué)家.1853年獲物理學(xué)博士學(xué)位.1855年獲英國皇家學(xué)會的科普利獎?wù)拢?864年被選為會員.1862年被授予法國榮譽(yù)騎士二級勛章并受聘為經(jīng)度局的成員.1865年為法國科學(xué)院院士，柏林科學(xué)院和圣彼得堡科學(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.傅科出生于法國巴黎的一個出版商家庭，因為他幼年體弱多病，所以他并沒有接受學(xué)校教育而是選擇了家庭教育.小時候的傅科非常喜歡手工制作，但是在通過業(yè)士學(xué)位考試（業(yè)士考試相當(dāng)于我國高中畢業(yè)考試）之后，卻按照父親的意愿，開始學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué).大約在1844年，在阿爾弗雷德·多恩的關(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，并擔(dān)任多恩的助教，共同編寫顯微鏡學(xué)的教材.醫(yī)科學(xué)校的生活并不是傅科所想的那般美好，學(xué)校的工作要經(jīng)常接觸病人，但是，傅科實在難以忍受醫(yī)院血淋淋的情景和患者所遭受的痛苦.在他最彷徨的那段時間，他遇見了他的物理啟蒙導(dǎo)師-斐索，加上對科學(xué)實驗的愛好， 他決定放棄醫(yī)學(xué)工作， 從事物理實驗工作.1845年傅科開始了人生的新篇章，成為《討論周報》的科學(xué)通訊員， 他負(fù)責(zé)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.同時，傅科陸續(xù)為法國的業(yè)士畢業(yè)考試編寫并出版了幾何、算術(shù)和化學(xué)等教科書.此外， 他還在阿薩斯街自己家里建立的實驗室進(jìn)行科學(xué)實驗， 從事物理學(xué)研究， 發(fā)表學(xué)術(shù)論文.1850年， 傅科得到一項重要的實驗研究成果：光在空氣中的傳播速度大于光在水中的傳播速度.1851年， 傅科又提出了一篇論文，論述了他用擺對地球轉(zhuǎn)動作出的著名的證明.1852年， 他發(fā)明了回轉(zhuǎn)儀.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)家職位， 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(xiàn).1867 年，傅科患了腦病，患病七個月后，傅科于1868年2月11日不幸去世，并被葬于蒙馬特爾公墓，年僅49歲.

傅科一生做了許多重要的物理實驗和技術(shù)發(fā)明.在科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域解決了許多實際問題.他的工作不僅促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展， 而且在技術(shù)的發(fā)展中起了十分重要的作用.但是，傅科最讓人難忘的還是發(fā)明了測量地球自轉(zhuǎn)的傅科擺.

2見證上帝之手-發(fā)明傅科擺

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(dá)蓋爾式照片，而制作達(dá)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(yuǎn)鏡必須長時間指向某一天體.因而，在地球上拍攝恒星的達(dá)蓋爾照片，必須不斷調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的方向，使其始終對準(zhǔn)某一天體.如何將望遠(yuǎn)鏡的方向始終對準(zhǔn)某一天體呢，傅科想到仿照17 世紀(jì)惠更斯未曾實現(xiàn)的圓錐擺鐘的設(shè)計方案， 他做了一臺特殊的鐘，用一根鋼棒支撐擺錘，在實驗過程中他發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)把鋼棒夾在車床的卡子上，用手轉(zhuǎn)動車床時， 鋼棒振動總是要維持它原來的振動平面，不隨車床轉(zhuǎn)動.這一奇妙的現(xiàn)象，引起了傅科極大的興趣， 而他對物理的敏銳直覺使感覺這是一很有價值的實驗，接下來他聯(lián)想到是不是可以用類似的方法，做一個演示來證明地球的自轉(zhuǎn)的實驗.這個想法一直在他的腦海中縈繞了很久，經(jīng)過很長時間的深思熟慮和精心設(shè)計，后來傅科終于想到了一個簡單而絕紗的實驗辦法證明了地球的自轉(zhuǎn).

1851年，傅科在法國巴黎、國葬院的大廳進(jìn)行了一項非常有趣而意義非凡的實驗，如圖2，實驗在當(dāng)時就非常惹人矚目，吸引了成千上萬的人都趕來觀看，傅科做實驗時選用了直徑為30厘米、重28 千克的擺錘，擺長更是長達(dá)67 米， 擺由傅科親自吊上，懸掛在大廳屋頂?shù)闹醒耄⑶铱梢栽谌魏畏较蜃杂蓴[動.擺錘的下面放有直徑6 米的巨大沙盤和啟動栓，每當(dāng)擺錘經(jīng)過沙盤上方的時候， 擺錘下面的指針就會在沙盤上面留下運動的軌跡.實驗開始后，圍觀的人們親自看到了奇跡的發(fā)生，擺在他們的面前悄悄地產(chǎn)生了“移動”——沿著順時針方向發(fā)生了旋轉(zhuǎn).擺每振動一次（ 周期為16.5 秒） ，擺尖在沙盤邊沿畫出的路線就會移動約3毫米， 每小時偏轉(zhuǎn)11度20分（即31小時47分回到原處）.有的人在擺動開始時， 明明看到擺球在自己的面前蕩來蕩去，但經(jīng)過一段時間以后， 卻發(fā)現(xiàn)擺動發(fā)生了明顯的變化，擺球離自己越來越遠(yuǎn).對于當(dāng)時圍觀的人們來說， 通過自己親自的觀測，都可以得出這么一個“簡單” 的道理： 自己沒有移動， 那一定是擺平面發(fā)生了“移動”.就連在場的許多教徒也都目瞪口呆， 有的甚至私下偷偷地說： “腳下的地球真的好像在轉(zhuǎn)動啊！”轟動巴黎的“傅科擺”實驗是第一個能夠向廣大觀眾演示地球自轉(zhuǎn)的實驗，它生動而形象地證明了地球的自轉(zhuǎn)， 極大地促進(jìn)了人們對科學(xué)的信任和熱愛.傅科的這個演示地球自轉(zhuǎn)的裝置，也從此被命名為“傅科擺”，傅科也因此根據(jù)地球自轉(zhuǎn)的理論提出：除地球赤道以外的其他地方，單擺的振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象.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.事實上，這是擺底下的地面在轉(zhuǎn)動，因為對于一個自由擺動的擺來說，其擺動平面是不會發(fā)生移動的.而傅科則被當(dāng)時許多信徒稱為見證上帝之手的第一人.

然而任何科學(xué)成功都不是一蹴而就的，科學(xué)家本身不僅要具備扎實的科學(xué)功底和科學(xué)理念，同時還要付出異于常人的努力和汗水.傅科發(fā)明傅科擺來證明地球的自轉(zhuǎn)也經(jīng)歷了同樣的過程.傅科曾經(jīng)在4個地方進(jìn)行實驗，不斷的對實驗進(jìn)行改進(jìn)，最終給后人展示了完美的“傅科擺”實驗.而它的成功之處在于傅科在做這個實驗時巧妙處理了幾個關(guān)鍵性的問題.第一，他利用了很長的擺線，可以讓擺動的時間足夠長而便于觀察；第二，他使用了質(zhì)量很大的擺球，這是非常必要的， 質(zhì)量大可以增大慣性，在擺動開始的時候具有足夠的機(jī)械能（因為實驗過程中無法補(bǔ)充能量） ， 并可以減少空氣阻力帶來的影響；第三， 擺線可以在任意方向運動， 這有利于保持?jǐn)[動平面不變化.正是這三點精妙的處理才使得傅科成功的演示了地球的自轉(zhuǎn).利用這些簡單實用的技巧，得到了很好的實驗結(jié)果.3“傅科擺”的歷史影響

“傅科擺”實驗引起了人們極大的興趣， 在此后的若干年中， 世界上許多地方多次重復(fù)了該實驗， 并相繼發(fā)表了許多相關(guān)的文章.人們發(fā)現(xiàn)在地球上不同的地方， 擺動情況也不同：在北半球時， 擺動平面順時針轉(zhuǎn)動；在南半球時，擺動平面逆時針轉(zhuǎn)動；而且發(fā)現(xiàn)擺動平面轉(zhuǎn)動的速率與當(dāng)時的地理緯度有關(guān). 后來人們的研究又發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)使地表水平運動物體產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)， 北半球運動物體向右偏，南半球運動物體向左偏， 偏轉(zhuǎn)力的大小可用科里奧利力表示.這些工作使長期以來對河流、海洋這一類因地球自轉(zhuǎn)有明顯影響的現(xiàn)象研究，獲得堅實的力學(xué)基礎(chǔ)，同時還為研究地球上的氣壓帶和風(fēng)帶的形成， 氣旋、反氣旋和臺風(fēng)的發(fā)生和發(fā)展， 提供了力學(xué)基礎(chǔ)，甚至對于我們今天發(fā)射遠(yuǎn)程炮彈、火箭升空以及衛(wèi)星上天等高科技的航天事業(yè)， 依然具有重要的理論指導(dǎo)意義.如今， 在世界各地的演示實驗室或者科學(xué)館，都有根據(jù)巴黎的“ 傅科擺” 的原理制作的小型或者微型的傅科擺向觀眾展示地球的自轉(zhuǎn)運動.北京天文館的大廳里就有一個傅科擺， 一個系在圓彎頂上垂下的長長細(xì)線下端的金屬球來回擺動著， 下面是一個刻著度數(shù)的鐵制大圓盤， 人們可以由此讀取擺動平面旋轉(zhuǎn)的度數(shù).有興趣人們都喜歡在這里停留一段時間， 親眼看一看地球是怎樣自轉(zhuǎn)的.

“傅科擺”實驗充分體現(xiàn)了傅科的聰明才智， 然而這一成功并沒有影響他在科學(xué)上前進(jìn)的步.1852 年他發(fā)明了回轉(zhuǎn)儀（圖3）， 并發(fā)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)羅盤效應(yīng)；1855 年設(shè)計了光度計；1857 年創(chuàng)制了“傅科棱鏡” ， 用于偏振光的研究并提出用鍍銀玻璃反射鏡代替金屬反射鏡；1858年， 還設(shè)計了反射式望遠(yuǎn)鏡的橢球面鏡；1860 年又發(fā)明了定日鏡的跟蹤系統(tǒng).傅科的一生對物理學(xué)有著多方面的重要貢獻(xiàn)，在力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)方面都建樹頗豐.基于他的興趣， 所以他的研究側(cè)重于實驗儀器的制備、實驗方法的設(shè)計、以及對物理量的精確測量.其對光速的測定以及渦電流理論的提出，也是傅科對人類做出的巨大貢獻(xiàn).

傅科這些眾多的發(fā)明雖然歸功于他敏銳的直覺和聰穎的大腦， 但是更重要的是他的努力和勤奮，這值得我們每一個人向他學(xué)習(xí).如今盡管我們已經(jīng)進(jìn)人了高科技的21 世紀(jì)，科學(xué)發(fā)展日新月異，然而，傅科擺實驗簡單而實用的設(shè)計思想，利用最簡單的儀器和設(shè)備， 發(fā)現(xiàn)最根本、最單純的科學(xué)概念對于我們今天設(shè)計實驗來說，仍然具有很好的啟發(fā)性，依然起著啟迪思維、激發(fā)興趣的作用，以及對于創(chuàng)新意識和動手能力的培養(yǎng)等方面必將依然產(chǎn)生深刻而久遠(yuǎn)的影響.