谁告诉你地球在自转？

　　地球绕着太阳转，同时地球本身也在旋转，这叫自转。这似乎已经成为一个人所共知的常识。然而，凭什么说地球在自转呢？170年前的今天，一次既简易美又高大上的实验，让人类对宇宙的认知实现了一次跨越，这就被誉为“史上最美物理实验”之一的傅科单摆实验。

　　傅科摆实验（来源：图虫创意）
　　1851年1月8日，法国物理学家莱昂·傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault）在巴黎先贤祠（Panthéon）穹顶中央安装了一条长67米的绳索，下方吊挂着一个直径约30厘米，质量约27公斤的铁球，铁球的底部还镶了一枚针，铁球下方地面上搁着一个直径6米的沙盘。傅科自信地向到场的观众讲解：“我会让摆锤摆起来。正如你们所见，摆锤下方有沙盘，当摆锤经过沙盘时，针尖会在沙盘上留下运动的痕迹。如果地球是静止的，那么根据生活经验，摆锤只在一个方向上往复，在沙盘上画出唯一一条轨迹。如果地球在旋转，那么摆锤的摆动方向会变化，轨迹便不是唯一的。”实验开始了，人们瞪大眼睛注视着沙盘。结果大家惊奇地发现，摆锤每一次振荡回到沙盘时，总会留下一道新的轨迹，与上一条轨迹偏转一个角度。众人哗然，地球自转的秘密终于被证实了！

　　巴黎先贤祠中的傅科摆（来源：Wikipedia/Rémih）
　　日月星辰，东升西落，这是再平常不过的自然现象。点点繁星每天围绕我们旋转，这种感觉别提多美了，不是吗？大地如此稳重，必然是固定不动的，要不然一定会晕头转向、山崩地裂，如果大地调转过来，地上的所有东西所有人不都会掉下去了吗？在古人看来，大地是静止的，这是理所当然的事。
　　最早明确指出地球在自转的是谁呢？正是那位成功将地球“降级”的人，波兰天文学家，伟大的哥白尼。哥白尼在形成日心说宇宙体系的过程中就意识到了这一点。1514年，他提出地球围绕太阳公转的同时，还在做着自转的运动。毫无疑问，这一点观点极具颠覆性，推翻了数千年之久的公知。后来，通过观测，日心说逐渐得到了证实，但是，如何证明地球在自转呢？毕竟洞察地球自转这件事，要比坐着旋转木马欣赏街景困难许多。

　　相机长时间曝光拍摄到的星轨就是地球自转引起的现象（来源：APOD/Miles Lucas）
　　一群聪明的科学家绞尽脑汁思考各种实验方法。比方说，地球如果存在着自转，那么赤道上一定会比两极更鼓一些，也就是说，地球一定不是完美的正圆，而是略扁一些。根据牛顿力学定律，可以推测出比例大致为1:230。如果通俗地解释，我们可以把这个现象理解为自转时赤道上拥有更大的离心力。1673年，法国天文学家让·里歇尔（Jean Richer）在法属圭亚那的卡宴测量钟摆的摆动高度，与在巴黎时存在细微差异，这是因为赤道附近的重力加速度比中纬度地区高，重力测量学就在不经意间诞生了。又如，地球如果存在着自转，那么从高空垂直掉落的小球不会正好砸到正下方（垂直投影点），而是会稍许偏离。1679年，胡克根据牛顿力学定律的指引，做了一次试验，将小球从8.2米高度扔下，却什么也没发现。18世纪末19世纪初，意大利物理学家古格里欧米尼（Giovanni Battista Guglielmini）、德国物理学家本森伯格（Johann Friedrich Benzenberg）、莱西（ Ferdinand Reich）将小球从158.5米的高塔上让小球自由落体，结果测出偏离垂直方向27.4毫米，而理论值为28.1毫米。
　　种种迹象表明，地球确实隐藏着一个天大的秘密，就差捅破这层窗户纸了。结果伸出手指完成这历史性实验的是傅科。傅科是个天才，也是个奇才。他刚开始遵循着父亲“殷切的期望”，学习医学，后来也确实成为一名大夫。然而，他越来越觉得自己并不喜欢医学，物理学才能给自己带去快乐。正在犹豫不决之时，同乡兼同学，同样喜欢物理学的医生阿曼德·菲佐（Armand Hippolyte Louis Fizeau）果断决定改换门庭，弃医从理。就这样，经不住诱惑与“怂恿”的傅科也走上物理学大道。从此世界上多了一位引领人类前行的物理学家。而提供“神助攻”的菲佐也非等闲之辈，正是他发现了光的多普勒效应。如今天文学家全靠这种现象洞悉遥不可及的天体如何运动，发现了宇宙膨胀的奥秘。

　　傅科像（来源：网络）
　　傅科的单摆实验之所以列为最美实验之一，不仅因为它揭示了地球自转现象，也因为它是如此简单而精巧。傅科选择了很重的摆锤和很细的钢索，目的就是希望摆锤能几乎完全依赖于自身惯性来摆动，把地球自转带来的影响降低到最小，这样才能出现“地球管地球转，铁球管铁球摆”的情况。1835年，法国物理学家科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）解释了生活中的一种自然现象——在一个水平放置并在做顺时针旋转的转盘的中心放一个小球，并赋予它一个径向（沿半径方向）的初始速度，小球不会走出一条直线，而是顺时针地划出一道大弧线移动到转盘的边缘。傅科摆的实验实际上也是科里奥利效应的体现。

　　傅科摆原理动画。傅科摆依靠惯性在一个平面里摆动，真正在旋转的是地球。（来源：Wikipedia/Nbrouard）
　　傅科的实验效果非常好，在沙盘的边缘，相邻的两条轨迹的间隔相差了3毫米左右。轨迹实际上是傅科摆的摆动平面，平面的偏移速率与实验所处地理纬度有关系。在巴黎，这个偏移量是每小时11°20′，完成一周回到原位需要大约31小时50分。如果放到北京，周期为37.4小时，放到上海天文馆，周期大约46小时35分43秒，放到南北极点，周期应当刚好是地球自转周期23小时56分04秒。你还别说，在南极阿蒙森-斯科特科考站还真的做过这项实验，完美验证了理论。

　　傅科摆留下的轨迹（来源：Marjolijn Dijkman）
　　当年傅科做实验的铁球已经于1855年被搬到了巴黎音乐学院（Conservatoire national des arts et Métiers），现存于 先贤祠的傅科摆是为纪念实验50周年而制作。现如今，经典已经在全世界范围得到传播，傅科摆成为许多博物馆、天文馆的保留展项。许多游客都会情不自禁地围观，并痴醉于它的极简极美。为了纪念这项伟大而美丽的实验，每年的1月8日被确定为“地球自转日”。
　　让我们一起旋转！

　　【后记】
　　关于傅科摆实验的具体日期有许多版本。有的说是1851年1月2日或3日，他在自己家中突发灵感，做了一次成功的实验。2月3日在巴黎天文台的大厅里，用11米长的摆锤重复，并提交了计算结果。又过几个星期，才在先贤祠向公众做了展示，由于摆绳更长，效果极佳。有的说是1月8日向公众演示，2月份向法国科学院报告。但这已经不重要了，不管在哪一天，都是人类文明的经典瞬间。
　　参考资料：
　　[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Foucault_pendulum
　　[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Coriolis_force
　　[3] 李论科学. 简单的傅科摆，为什么可以证明地球在自转？
　　(https://baijiahao.baidu.com/s?id=1675982044840088504&wfr=spider&for=pc)
　　[4] 张小李. 证明地球自转的发明——傅科摆
　　(http://story.kedo.gov.cn/c/2019-12-26/732900.shtml)
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