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怎麼證明地球在自轉?他只用一根繩子和一個球,讓所有科學家驚嘆!
2023/02/24

地球在自轉,人類是如何得出這個結論的?1514年,哥白尼提出了「日心說」,認為地球是圍繞太陽在自轉的,但當時無人能證明該理論。

經過漫長時間的實驗探索,直到1851年,來自巴黎的物理學家萊昂·傅科做到了。他的傅科擺實驗,不僅首次成功地向全世界證明了「地球在自轉」,還被稱為物理史上「十大最美實驗之一」。

傅科擺實驗

16世紀,哥白尼提出了「日心說」,理論上認為地球是自己在轉動的。其后伽利略也贊同「地球不是靜止的」的說法。

但是當時的宗教徒卻癡迷奉行「地心說」為真理,他們狂妄地認為整個宇宙都在為地球的轉動而存在,地球是中心,是靜止不動。要如何讓人們相信地球在轉動?這是個巨大的難題。

曾有英國物理學家通過高處落下的子彈偏離原來位置,來證明地球在動,也有德國科學家在礦井進行落體運動,也證明了落體物掉落在垂直點的東南方向。

遺憾的是,這些實驗不完美之處在于,無法確保落體物不受氣流干擾而保持垂直,加上偏離的方向肉眼幾乎無法辨明。更為致命的是,這個實驗無法向大眾直觀展示,畢竟當時沒有任何攝影監控等高科技設備。

直到1851年,法國巴黎物理學家傅科完美解決了以上實驗問題。他選擇了空間大縱向高的巴黎萬神殿作為實驗場所。

他首先把一條足足67米長的鋼索系上一個56斤重的大擺錘,然后將鋼索吊掛在高高的穹頂上,整條鋼索呈現垂直無偏移的狀態,隨后他再在大擺錘下面放置一個直徑6米的大沙盤,沙盤周圍360度安置了刻度盤,以此來記錄大擺錘的運動軌跡。

重點來了,在這樣的配置下,大擺錘將會如何運動?

在當時,幾乎所有現場的人都認為大擺錘落下的運動軌跡是固定的。因為以人為參考物,人站著不動,而且如果地球也是靜止不動的情況下,那麼大擺錘呈現在沙盤上的運動軌跡必然是固定不動的。

但讓人震驚的是,大擺錘竟然每經過一個周期,出現在沙盤上的運動軌跡卻偏離了原點。

現場的人看著這個實驗結果,瞬間被折服。這恰恰說明了地球在自轉。因為地球只有不斷自轉,地球表面物體才會轉動。同理,垂掛在萬神殿穹頂的大擺錘,由于慣性保持運動軌跡不變是正常的,但底下沙盤出現的運動痕跡卻偏離原點。這完全與「地球靜止不動」的看法相背離。人們終于相信,地球確實在轉動。

這是傅科擺首次向世界成功地證明了「地球在自轉」。經過不斷觀測和計算得出,大擺錘在沙盤上留下的兩個運動軌跡之間,相差大約3毫米左右。也就是每經過31小時47分,發生偏轉11°20‘之后,都會回到原點,而這扭轉的方向速率恰恰是巴黎緯度。這不是巧合,而是真實存在。

隨后傅科擺實驗也證明了,隨著地點緯度不一樣,大擺錘擺動的旋轉周期就會不一樣。例如北京天文館里的傅科擺復制品,它的運動每周期大約為37小時,也就是每間隔6分鐘左右,沿著順時針方向轉過1度后才回到原點。

這些關于地球自轉的發現,都來自于傅科擺的實驗。這對于當時工具落后,手段有限且無法以太空視角探索地球轉動的物理學家來說,是一次突破性的成功。

傅科擺原理

傅科擺為什麼能成功證明地球在自轉?它的具體原理是什麼呢?

剖析這個實驗的關鍵點在于三大使用的裝置。首先是擺長為67米的大鋼索。67米這個長度的設置,就是為了增加鋼索擺動的時間長度。時間越長,越能方便呈現細微觀察的效果,解決偏移角度小的問題。

其次是56斤重的大擺錘。它就能解決氣流受阻的問題,確保垂直擺錘不受到絲毫偏移的影響,且避免了在實驗過程中額外增加任何外來能量。

最后,傅科還設計了一個萬向節,目的是為了確保鋼索隨意擺動而不受地球自轉影響。

最終擺錘受力開始運動后,沙盤上的運動軌跡出現了偏離原點的跡象,在其他參考物靜止的狀態下,只有地球在轉動能解釋此時的現象。

再通俗點從傅科擺原理上來講,其實就是是利用慣性來觀測「誰在動」的一個實驗游戲。大擺錘只受重力影響的話,在不受任何外力作用下,將會保持運動狀態,且當擺錘運動受到啟動力之后,會一直朝著一個方向,或者在某一個平面一直運動。

此刻假設你固定站在某個地點,一個擺錘在你面前的一個平板面上保持勻速運動,如果地球靜止,平板面不會變動,但是平板面卻出現轉動痕跡,此時人也不動,誰在動?是地球在動。這樣那麼就可以確定地球自轉的理論了。

但有個例外,在地球上的赤道,傅科擺是無法出現方向偏移的。因為緯度越高,越靠近兩極,偏轉的角速度就越大,例如南北極偏轉速度在每個小時15度的時候,但赤道幾乎是沒有偏轉速度的,所以看不到擺動方向的偏移。

沒有想到傅科擺,竟然能趣味性地解決了遺留上千年的真理問題,這里面充滿著科學知識應用的智慧和邏輯思考。

傅科擺的意義

地球自轉,影響著我們的生活方式。例如太陽東升西落,日夜更替。其實遠古圣人伏羲在反復觀察天象后,提出的陰陽學說,就證明了晝夜更替的規律:陰為黑夜,陽為白天,兩者陰陽調和。

只是這肉眼觀察的規律,畢竟不如西方科學家,能采用具體實驗來證明。太陽東升西落和日夜更替的自然現象,就是地球由西向東方向自轉的結果。如今我們也已經把地球自轉一周等于一天的24小時,列為科學常識。

再例如時差的出現。在現有常識里,地球不管在什麼時候,太陽通過發射光能量來照著地球的其中一半。照亮的一半我們叫白天,那麼剩下的另一半就是黑夜,由此造成了時差。

當北京時間晚上10點的時候,人們準備洗漱睡覺,烏魯木齊這個城市也才7點,剛好是吃晚餐的時間;而當國內北京當天下午4點的時候,在巴黎大概就是當天早上9點的樣子,恰恰是享受完早餐的時間。

地球不眠不休的自轉在不斷影響著世界萬物,同時似乎也是是宇宙在釋放信號:地球是自己轉動的,我們只能發現并看著它轉動,人類不能改變絲毫任何。

證明了地球自轉,科學家們探索宇宙的腳步沒有停下來,他們開始思考,地球自轉會停下嗎?停下了對人類有什麼影響?

但不管怎麼樣,傅科擺的出現,讓真理徹底戰勝了謬誤,那些因為「日心說」被審判致死的物理學家終于被正名了。

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