Foucault_Pendulum

敬邀一睹地球轉動——傅科擺首次公開演示

敬邀一睹地球轉動——傅科擺首次公開演示

敬邀一睹地球轉動——傅科擺首次公開演示

哥白尼於 1543 年臨終前發表日心說後,原本沒人相信。經過後來伽利略、克卜勒、牛頓等人的努力,使得日心說模型完全符合各種天文觀測,又有明確的科學原理,到了十八世紀,人們才終於接受地球真的在轉動。

然而這純粹是理性思維的結果,並不是有什麼方法讓人真的能察覺到地球的轉動。因此當 1851 年 2 月初,巴黎的科學家們收到物理學家傅科 (Jean Bernard Léon Foucault) 的請柬,看見上面寫著「敬邀一睹地球轉動」(“You are invited to see the Earth turn”) 時,莫不感到驚奇與期待。

傅科於 1819 年在巴黎出生,原本學醫的他發現自己有懼血症而放棄醫科,轉向物理領域。他與另一位同樣放棄醫學的同學菲佐 (Hippolyte Fizeau),一起研究銀版照相法的改良,成功在 1845 年拍下第一張清楚的太陽照片。他們還共同發明利用轉動的葉片與反射鏡測量光速的裝置,不過兩人不久後就鬧翻而分道揚鑣,各自研究。

傅科攝於 1882 年。圖片來源:Wikipedia

1850 年底,傅科著手改良拍攝恆星的攝影裝置。星光黯淡,必須長時間曝光才足以讓恆星在底片上顯影,但由於星星在天空會一直移動,拍攝出來的照片變成拖曳成線的星軌圖。若要讓恆星在底片上保持在固定位置,必須讓對準恆星的鏡頭也以同樣速度跟著轉動才行。

傅科想到或許可以利用驅動鐘錶的擺桿,做為轉動照相機的依據。於是他將相機放在活動的車床底座,然後將一根金屬擺桿安裝在車床上方的支架,試圖藉由擺桿擺動來控制底座轉動。不久後他發現擺桿來回擺動的方向並沒有隨著底座旋轉而改變;根據牛頓的慣性定律,這一點兒也不奇怪,但他卻靈光一閃,腦中浮現了一幅景象:

如果車床底座擴大為整個房間地板,我們站在地板上一起慢慢旋轉,從天花板垂吊而下的擺桿來回擺盪,在我們眼中看來就會逐漸改變擺盪方向。等等,其實根本不用讓地板旋轉,地球本身就在自轉,我們站在地面上不就也會看到擺桿改變擺盪方向?

當然,理論上在南北極做這實驗的效果最佳,繩擺應該會在整整 24 小時後——也就是地球自轉一圈的時間——剛好轉動 360 度,回到原來的擺動方向。在巴黎一天只會改變 270 度,不過沒差,還是可以顯示地球自轉的效應。

傅科從 1851 年 1 月 3 日開始在家中進行實驗,他用 2 公尺長的細繩懸掛 5 公斤重的擺錘,經過多次嘗試後,終於在第五天成功觀察到繩擺逐漸順時針地改變擺盪方向,正是對應地球由西向東轉。

如果繩子可以再加長,讓擺錘的機械能增加,就能減少繩子摩擦力與空氣阻力的影響,也更能顯示出擺盪軌跡的改變。巴黎天文台的中央大廳夠高,於是傅科和天文台長聯繫,安排在那裏公開演示。

1851 年 2 月 3日這一天,受邀的科學家們來到巴黎天文台,即使早就知道地球自轉的事實,但在親眼目睹 11 公尺長的繩擺來回擺動,並逐漸改變方向時,心中仍不免讚嘆:地球真的在轉動啊!

這個公開演示傳開後,拿破崙三世要傅科在萬神殿公開演示。三月,高聳的萬神殿掛起 67 公尺長的鋼絲,底下吊著 28 公斤重的砲彈,以每 16 秒往返一次的速度緩慢擺動,在這神聖的場地更顯莊嚴。前來觀賞的一般市民不禁屏息注視這規律卻深刻的現象,此刻,他們就算對科學所知不多,也能體會到科學家們的感受。

傅科擺的演示如此簡潔有力、直覺又深刻,因此被列為史上最美的實驗之一。一般大眾都可以因此感受到宇宙無形的秩序以及自然的巨大力量,而在心中升起一種敬畏的感動。

就像傅科自己在日誌中所形容的:

「這現象靜默地展現,既無形也永不停止。一個人可以感受到、目睹到它堅定地生成、開展,而且不因人為力量而加快或是減緩。……被帶到這件事實之前的任何一個人,都會駐足沉思、沉默片刻。即使離去時,對於我們持續不停穿越太空此一事實的敏銳深刻感受,也將永遠伴隨著他。」

參考資料:

  1. Foucault pendulum – Wikipedia
  2. This Month in Physics History (aps.org)
  3. 《如何幫地球量體重》,Robert Crease 著,蔡承志 譯,貓頭鷹出版社
  4. Leon Foucault Quotes. QuotesGram

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