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要怎麼才能證明地球的自轉?傅科拿出56斤大擺錘表示:「讓我來」
2023/03/14

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每個國家的科技館里都有這樣一個裝置,一個盤上面懸掛著一個擺錘,仔細一看,盤上還畫著刻度。這個擺動裝置叫做傅科擺,是170年前法國科學家傅科為了證明地球自轉而進行的一個實驗。

傅科

一個我們現在人盡皆知的定律,需要科學家奮力證明,我們的科學之路上充滿了阻礙與挑戰。

傅科擺

法國物理學家傅科,在1851年進行了一個實驗,他在先賢祠架起了一個高約70米的擺錘,擺錘的重量有足足56斤,里面裝滿了沙子。傅科讓擺錘擺動,沙子從大鐵球里面漏出來,下面有個直徑6米的沙盤接著。然后傅科讓在場的各位各回各家,該干嘛干嘛,一切交給時間來解決。

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傅科擺實驗

很多人不知道傅科這個實驗能說明什麼,這不明擺著最后漏出一條線嗎?還能玩出什麼花腳烏龜?于是在大家在議論中散場,決定過一段時間再來看。

傅科擺在南半球時運動的動畫

時間來到了揭曉謎底的那天,人們懷著看笑話的態度來到了先賢祠,他們看到的是,沙盤上的沙子路線不單單是一條直線,而是多條路線,仿佛是沙盤中間開出了一朵「沙之花」。結果震驚了大家的三觀,為什麼會出現這種情況呢?傅科看見大家震驚的表情,很滿意地宣布:「我們的地球是時刻轉動著的!」

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巴黎先賢祠的傅科擺

至此,大家終于相信地球是在自轉的。因為如果地球是靜止的,傅科的擺錘漏出的沙線就是一條。可如果這個時候加上地球的自轉,擺錘就會有自轉慣性的影響,在擺動的同時自己也在轉動,最后出現多條路線相相交于沙盤中心點的情況。

傅科擺的模擬動畫

但是傅科擺不是萬能的,它不能在赤道上進行,這是因為在赤道上擺錘的運動方向與地軸平行。并且不同地區的傅科擺實驗會因為所處的緯度不同,「沙之花」的花瓣角度不一樣。

傅科做實驗的時候是19世紀中葉,按理說這個時候科學已經在歐洲成型了,為何他還要用這個方法來證明地球自轉呢?

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地球自轉

科學VS固執

在傅科做這個實驗的大約300年前,歐洲出現了一個叫哥白尼的人,他說地球圍繞太陽運轉。此話一出,教會對他一陣追殺,支持他的伽利略哪怕已經古稀的年紀也逃不過教會的懲罰,在人生最后的日子失明又失去自由。

哥白尼

歐洲經歷過燦爛的古希臘-羅馬時期,也經歷過黑暗的中世紀,賦予黑暗的正是教會。他們禁錮了人們的思想,將一切反對他們的人處以極刑,只要同他們意見不同的,都是異端,是巫師、女巫,要被燒死。他們將有利于自己的理論奉為宗旨,用來維護自己的統治。比如地心說、萬物不變等理論。

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按照教會的說法,我們的地球天生就是這樣的,我們人類也是自古就存在的,地球更是不會隨便動的,它還是宇宙的中心。這麼說的原因就在于找借口,說明教會的權力是與生俱來的,并且不會改變的。所以哥白尼的日心說簡直就是在打教會的臉,他們當然要將其趕盡殺絕。經過后世科學家們的不停抗爭,日心說終于被世人接受,萬物也不是一塵不變的,地球在轉動。

日心說

但是舊學派依舊不認為自己所在的地球是轉動的,因為觀察不到,他們講究眼見為實,看不見的就是不存在的。為此傅科才設計了這樣一個實驗,用來「看見」地球的自轉。

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傅科擺

為了消除空氣阻力的影響,傅科特意將實驗裝置設計得非常重,這樣在重力面前,空氣阻力的影響所占比例不會太大。如果真的想要親眼看見地球自轉,可以將傅科的這套裝置放在極點,就可以看見裝置發生轉動。在北極點是自西向東,在南極點看是自東向西。那麼我們的地球為何會出現自轉呢?

地球自轉

地球圍繞太陽公轉這一理論在日心說被接受的時候就同時被接受了,後來又有牛頓的萬有引力,我們知道了引起公轉的原因是太陽對地球的引力。可是地球的自轉是怎樣產生的呢?關于地球的自轉有幾種說法。

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太陽和地球

第一種說法是星云旋轉,我們的太陽系誕生在一片星云之中,在形成恒星的過程中,星云里的粒子會因為碰撞、反應而產生能量,造成星云旋轉。整個太陽系就是在旋轉中出現的,所以地球的自轉是從「娘胎」里就帶出來的。

星云旋轉

後來人類利用太空天文望遠鏡發現,一些星云的確有旋轉的跡象。可是這個假說有一個很難解釋的點,太陽系的大部分行星的自轉都是自西向東的,唯獨金星這個「逆子」自東向西。如果行星自轉是因為星云旋轉,那麼大家都是從一個星云里面出來的,為何偏偏金星與眾不同?

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金星自東向西

因此誕生了第二種說法角動量堆積。這個假說提到,行星的自轉并非一開始就有的,星云旋轉帶來的是公轉,自轉則是在形成的過程中被無數次撞擊,造成了角動量在行星中出現堆積。由于撞擊的方向不同,最終自轉取決于合力朝向。

金星

地球等行星的角動量堆積最終呈現自西向東的趨勢,而金星的撞擊與其他行星不同,最后的角動量堆積呈現自東向西。按照這個假說,行星的自轉的方向是隨機的,只不過太陽系的行星們大部分都是自西向東,說明當時的撞擊基本上都是一個方向來的。

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地球自轉

由于宇宙是真空,也就不存在什麼空氣阻力,理論上只要天體一旦發生自轉,就會停不下來。可是根據研究,我們的地球自轉其實是在變慢的,因為我們的地球正在消耗自己的角動量。

最大的消耗體是月球,地球的唯一天然衛星。月球雖然比起地球來說很小,可它畢竟還是有7350億億噸,要說對地球完全沒有影響是不可能的。我們地球上的潮起潮落就是月球引力引起的,因此它會牽制地球的自轉速度。

月球潮汐

另一種消耗則是人造衛星,因為人類一股腦發射上去卻沒考慮回收,導致這些衛星堆積在地球的附近。根據估計,這些年人類留在太空中的廢棄人造天體,品質已經接近一顆小行星,相當于無形中給地球添置了另一個圍繞物。它們在地球的引力下轉動,有些廢棄衛星的位置非常接近大氣層,甚至與大氣層發生了摩擦,這樣也會減少自轉的角動量。

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人造衛星

自轉對地球的影響非常大,洋流和季風就是地球自轉產生的,想象一下沒有了自轉地球會變成什麼樣子,必定不是什麼好結果。因此面對變慢的地球,人類不得不選擇重視。

另外的驗證方法

除了傅科擺可以證明地球自轉,還有其他的驗證方法。隨著人類的技術進步,對于炮彈發射越來越精益求精就越能發現,每次發射炮彈的落點會有一定的偏移,而且這個偏移量會與炮彈的射程成正相關。

炮彈發射

而且還有個神奇的現象,北半球的炮彈會朝右邊偏,而南半球的炮彈會朝左邊偏。

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這種偏移就是因為地球的自轉慣性導致的,如果沒有自轉,炮彈的落點會與炮台在同一條直線上。

開采石油

同理,因為人類開采石油,鉆探技術也越來越強,打的井也是越來越深。如果這個時候將一個鐵球扔進井里,按照預計鐵球會直直落到井底。可是只要井的深度達到一定數值,鐵球就會撞擊到井壁,而不是井底。而且在北半球扔出鐵球的話,鐵球會碰到井的東壁,在南半球,鐵球會碰到井的西壁。

傅科擺

這兩種方法同樣能驗證地球自轉,但是實現起來難度很大。炮彈實驗受天氣影響太大,而落井實驗,井必須達到一定的深度。并且這樣的實驗,其最后的結果并不如傅科擺那麼直觀,所以最能代表地球自轉實驗的裝置,還得看傅科擺動。

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