證明地球自轉(zhuǎn)的一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)

1851年，正當(dāng)中國的太平軍和清兵之間刀兵相見,、土炮聲隆隆,，整日廝殺得人仰馬翻、人頭滾滾,、遍尸千里,、血流成河的時候，法國人卻安閑自得地在做著一項(xiàng)對人類進(jìn)步有趣的一種實(shí)驗(yàn),，以證明我們腳下這塊大地確實(shí)是在轉(zhuǎn)動著,。如果人類誰都不來做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，我們站在這里確實(shí)感覺不到大地在動,，鬼才會相信地球會轉(zhuǎn)動呢,！那么人類的文明要推遲許多年。

又因?yàn)樽詮?/span>1616年伽利略被羅馬教廷的審判,，迫使他低頭認(rèn)罪日心說是異端邪說,。據(jù)說伽利略當(dāng)時曾喃喃自語道：“可是地球仍然在動啊,！”但是誰也不理睬他這個瘋子,，因?yàn)閭ゴ蟮摹妒ソ?jīng)》中所說大地是不動的，是太陽和星辰繞著地球轉(zhuǎn)的,，又有誰來推翻它呢,？誰來證明地球確實(shí)存在著自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的現(xiàn)象呢？人類的認(rèn)識首先是要先證明地球自轉(zhuǎn),，然后才能證明地球是公轉(zhuǎn),。

直到1851年，為了證明地球在自轉(zhuǎn),，法國物理學(xué)家讓·傅科在國葬院（先賢祠）的大廳里,，當(dāng)眾做了一次成功的擺動實(shí)驗(yàn)，“傅科擺”由此而得名,。傅科在大廳的穹頂上懸掛了一條67米長的繩索,，繩索的下面是一個重達(dá)28千克的擺錘,，懸掛點(diǎn)經(jīng)過特殊設(shè)計使摩擦減少到最低限度,。擺錘的下方是一個直徑6米的沙盤。在不給任何外力作用的情況下,，擺錘發(fā)生了緩緩的轉(zhuǎn)動,，擺錘上的指針清楚地在沙盤上面留下運(yùn)動的痕跡。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，人們驚奇的發(fā)現(xiàn),，傅科設(shè)置的擺每旋轉(zhuǎn)一個圈，在沙盤上畫出的軌跡都會偏離原來的軌跡（準(zhǔn)確地說，在這個直徑6米的沙盤邊緣,，兩個軌跡之間相差大約3毫米）,。“地球真的是在轉(zhuǎn)動??！”有的人不禁發(fā)出了這樣的感慨。這個自轉(zhuǎn)力從何而來,？而且旋轉(zhuǎn)方向正好又與地球自西向東同步,，這不就是正好有力地證明了地球是在自轉(zhuǎn)了嗎！

 以后又有其它國家的人做了相同的實(shí)驗(yàn)證明,，傅科擺放置的位置不同,，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,。而且緯度越高,，轉(zhuǎn)動速度越快，在赤道上的擺幾乎不轉(zhuǎn)動,，在兩極極點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周的周期則為一恒星日（23小時56分4秒）,，簡單計算中可視為24小時。傅科擺擺動平面偏轉(zhuǎn)的角度可用公式θ°=15°tsinφ來求,，單位是度,。式中φ代表當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋?/span>t為偏轉(zhuǎn)所用的時間，用小時作單位,，因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)角速度1小時等于15°,，所以，為了換算,，公式中乘以15°,。從此，傅科擺時時刻刻提醒著人們,，地球在自西向東24小時自轉(zhuǎn)著,。

傅科使用了如此巨大的擺是有道理的。由于地球轉(zhuǎn)動的比較緩慢（相對擺的周期而言）,，需要一個比較長的擺線才能顯示出軌跡的差異,。又因?yàn)榭諝庾枇Φ挠绊懀@個系統(tǒng)必須擁有足夠的機(jī)械能（一旦擺開始運(yùn)動,，就不能給它增加能量）,。所以傅科選擇了一個28千克的鐵球作為擺錘,。此外，懸掛擺線的地方必須允許擺線在任意方向運(yùn)動,。傅科正是因?yàn)樽龅搅诉@三點(diǎn),，才能成功地演示出地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

擺的運(yùn)動可以超然于地球的自轉(zhuǎn),，但懸掛擺的支架一般卻要帶動它參與地球的自轉(zhuǎn),。為解決這一問題，傅科采取了一種簡單而巧妙的裝置－萬向節(jié),，從而使擺動平面超然于地球的自轉(zhuǎn),。傅科擺為什么能夠演示出地球自轉(zhuǎn)呢？簡單的說,，是因?yàn)閼T性,。

通常，我們說“地球具有自轉(zhuǎn)”的時候,，我們并沒有明確出它到底相對于什么自轉(zhuǎn),。這是一個非常重要的問題，如果沒有參照物,，談?wù)撨\(yùn)動是不可想象的,。還沒有辦法在空間中打上一根釘子作為絕對的參照物，因此,，我們只能依靠較遠(yuǎn)的,、看起來似乎是靜止的天體作為參照物。事實(shí)上,，那些天體也絕不是“空間中的釘子”,，只不過因?yàn)樗鼈儗?shí)在太遙遠(yuǎn)了，我們不妨——事實(shí)上恐怕也是唯一的選擇——把它們作為參照物,。以遙遠(yuǎn)的恒星作為參照物,，一個物體不受外力作用的時候，將一直保持它的運(yùn)動狀態(tài),。這也是牛頓第一定律的內(nèi)容,。

擺是一種很有趣的裝置。給擺一個恰當(dāng)?shù)钠鹗甲饔?，它就會一直沿著某一方向,，或者說某一平面運(yùn)動。如果擺的擺角小于5度的話,，(高中物理書允許在10°之內(nèi))擺錘甚至可以視為做一維運(yùn)動的諧振子,。

如果把傅科擺放置赤道上呢,？那樣的話,，我們將觀察不到任何轉(zhuǎn)動,。把擺錘的運(yùn)動看做一維諧振（單擺），由于它的運(yùn)動方向與地軸平行,，而地軸相對遙遠(yuǎn)的恒星是靜止的,，所以我們觀測不到傅科擺相對地面的轉(zhuǎn)動。

如果在把傅科擺移回巴黎,。擺錘的運(yùn)動可以分解為沿地軸方向的和與之垂直方向上的兩個分運(yùn)動,。后者會產(chǎn)生相對地面的旋轉(zhuǎn)（正如北極的傅科擺）。這兩個分運(yùn)動合成的結(jié)果是,，從地面上的人看來,，傅科擺以某種角速度緩慢的旋轉(zhuǎn)——介于傅科擺在北極和赤道的角速度之間。（也可以從科里奧利力的角度解釋,，得出的結(jié)論是一樣的）如果在北極的觀測到傅科擺旋轉(zhuǎn)一周的時間是A（A=24h）,，那么在任意緯度γ上，傅科擺旋轉(zhuǎn)一周所需的時間是A/sinγ,。

讓·傅科（1819—1868）出生于法國巴黎,。從小喜歡動手做試驗(yàn)，最初傅科學(xué)習(xí)的是醫(yī)學(xué),，后來才轉(zhuǎn)行學(xué)習(xí)物理學(xué),。1851年，傅科擺做了這個非常簡單的演示了地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn),，獲得了榮譽(yù)騎士五級勛章,。1852年，他制造出了回轉(zhuǎn)儀（陀螺儀）——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,。此外，他還發(fā)現(xiàn)了在磁場中的運(yùn)動圓盤因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生渦電流,，這被命名為“傅科電流”,。1862年，傅科使用旋轉(zhuǎn)鏡法成果的測定了光速為289 000km/s,，這是當(dāng)時相當(dāng)了不起的成績,，因此他被授予了騎士二級勛章。此外,，傅科還在實(shí)驗(yàn)物理方面做出了一些貢獻(xiàn),。例如改進(jìn)了照相術(shù)、拍攝到了鈉的吸收光譜（但是解釋是由基爾霍夫做出的）,。

為了觀察春夏秋冬是怎么來的,，這才發(fā)現(xiàn)了地球公轉(zhuǎn)與地球傾斜角的原理。據(jù)科學(xué)家推測：四十億年以前,，一顆小行星撞到地球,，造成地軸傾斜于是產(chǎn)生地球四季氣候,。

地球自擺角有多少度？目前已知地軸的傾斜約以四萬年的周期變動,，變動幅度在22.1～24.5度間,，現(xiàn)在的傾斜度是23.5度。太陽系九大行星當(dāng)中,，除了水星幾乎垂直于黃道面之外,，其余行星都或多或少是傾斜的，例如火星傾斜25度,，土星27度,，木星3度，甚至連我們的太陽也傾斜7度,，月球則傾斜 6.5度,，而天王星更傾斜高達(dá)98度，簡直是躺著轉(zhuǎn)了,！如果傾角變大,，南、北半球夏季日照量會大增,，而冬季劇減,。此外，尚有影響地球氣候的其它軌道因素,，例如地球軌道橢圓的偏心率大約以10萬左右的周期在變化,。

歲差就是自轉(zhuǎn)軸繞圈圈（就像陀螺要倒地之前，陀螺會傾斜著轉(zhuǎn)圈圈的樣子）的現(xiàn)象,，地球歲差的周期大約是兩萬六千年左右,；進(jìn)動就是歲差，兩者名稱不同,，在于進(jìn)動是物理學(xué)的名詞,，而歲差則是天文學(xué)上的用法。 與進(jìn)動有關(guān)的一種作用,，稱為章動,，是進(jìn)動過程中，地球自轉(zhuǎn)軸輕微擺動的現(xiàn)象,。這兩種作用,，都是因?yàn)樘祗w自轉(zhuǎn)軸傾斜，以及因?yàn)樽赞D(zhuǎn)所造成的形狀改變,，還有周遭天體位置的改變所產(chǎn)生,。

歲差現(xiàn)象使地軸在黃道極轉(zhuǎn)圓圈，周期大約25800年,，春分點(diǎn)平均每年后退50弧秒,；現(xiàn)今太陽運(yùn)行,，每月所在的黃道十二星座，與三千多年以前發(fā)明的占星術(shù)中太陽所在的星座已經(jīng)不同,。北極星也逐漸移動,，在公元一萬四千多年以后,，織女星將成為北極星,。

我寫本篇的目的就是要說明，做任何事情都要考證和實(shí)驗(yàn),，不要迫于“偉大權(quán)威”的淫威去接受事物,，不要單評臆想去下結(jié)論。人類靠一步步的科學(xué)實(shí)驗(yàn),，才推動了人類文明進(jìn)步不斷地向前移動,，也包括社會科學(xué)領(lǐng)域。

    2015.7.20