地球繞著太陽轉，同時地球本身也在旋轉，這叫自轉。這似乎已經成為一個人所共知的常識。然而，憑什麼說地球在自轉呢？170年前的今天，一次既簡易美又高大上的實驗，讓人類對宇宙的認知實現了一次跨越，這就被譽為「史上最美物理實驗」之一的傅科單擺實驗。
傅科擺實驗（來源：圖蟲創意）
1851年1月8日，法國物理學家萊昂·傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault）在巴黎先賢祠（Panthéon）穹頂中央安裝了一條長67米的繩索，下方吊掛著一個直徑約30釐米，質量約27公斤的鐵球，鐵球的底部還鑲了一枚針，鐵球下方地面上擱著一個直徑6米的沙盤。傅科自信地向到場的觀眾講解：「我會讓擺錘擺起來。正如你們所見，擺錘下方有沙盤，當擺錘經過沙盤時，針尖會在沙盤上留下運動的痕跡。如果地球是靜止的，那麼根據生活經驗，擺錘只在一個方向上往復，在沙盤上畫出唯一一條軌跡。如果地球在旋轉，那麼擺錘的擺動方向會變化，軌跡便不是唯一的。」實驗開始了，人們瞪大眼睛注視著沙盤。結果大家驚奇地發現，擺錘每一次振蕩回到沙盤時，總會留下一道新的軌跡，與上一條軌跡偏轉一個角度。眾人譁然，地球自轉的秘密終於被證實了！
巴黎先賢祠中的傅科擺（來源：Wikipedia/Rémih）
日月星辰，東升西落，這是再平常不過的自然現象。點點繁星每天圍繞我們旋轉，這種感覺別提多美了，不是嗎？大地如此穩重，必然是固定不動的，要不然一定會暈頭轉向、山崩地裂，如果大地調轉過來，地上的所有東西所有人不都會掉下去了嗎？在古人看來，大地是靜止的，這是理所當然的事。
最早明確指出地球在自轉的是誰呢？正是那位成功將地球「降級」的人，波蘭天文學家，偉大的哥白尼。哥白尼在形成日心說宇宙體系的過程中就意識到了這一點。1514年，他提出地球圍繞太陽公轉的同時，還在做著自轉的運動。毫無疑問，這一點觀點極具顛覆性，推翻了數千年之久的公知。後來，通過觀測，日心說逐漸得到了證實，但是，如何證明地球在自轉呢？畢竟洞察地球自轉這件事，要比坐著旋轉木馬欣賞街景困難許多。
相機長時間曝光拍攝到的星軌就是地球自轉引起的現象（來源：APOD/Miles Lucas）
一群聰明的科學家絞盡腦汁思考各種實驗方法。比方說，地球如果存在著自轉，那麼赤道上一定會比兩極更鼓一些，也就是說，地球一定不是完美的正圓，而是略扁一些。根據牛頓力學定律，可以推測出比例大致為1:230。如果通俗地解釋，我們可以把這個現象理解為自轉時赤道上擁有更大的離心力。1673年，法國天文學家讓·裡歇爾（Jean Richer）在法屬蓋亞那的卡宴測量鐘擺的擺動高度，與在巴黎時存在細微差異，這是因為赤道附近的重力加速度比中緯度地區高，重力測量學就在不經意間誕生了。又如，地球如果存在著自轉，那麼從高空垂直掉落的小球不會正好砸到正下方（垂直投影點），而是會稍許偏離。1679年，胡克根據牛頓力學定律的指引，做了一次試驗，將小球從8.2米高度扔下，卻什麼也沒發現。18世紀末19世紀初，義大利物理學家古格裡歐米尼（Giovanni Battista Guglielmini）、德國物理學家本森伯格（Johann Friedrich Benzenberg）、萊西（ Ferdinand Reich）將小球從158.5米的高塔上讓小球自由落體，結果測出偏離垂直方向27.4毫米，而理論值為28.1毫米。
種種跡象表明，地球確實隱藏著一個天大的秘密，就差捅破這層窗戶紙了。結果伸出手指完成這歷史性實驗的是傅科。傅科是個天才，也是個奇才。他剛開始遵循著父親「殷切的期望」，學習醫學，後來也確實成為一名大夫。然而，他越來越覺得自己並不喜歡醫學，物理學才能給自己帶去快樂。正在猶豫不決之時，同鄉兼同學，同樣喜歡物理學的醫生阿曼德·菲佐（Armand Hippolyte Louis Fizeau）果斷決定改換門庭，棄醫從理。就這樣，經不住誘惑與「慫恿」的傅科也走上物理學大道。從此世界上多了一位引領人類前行的物理學家。而提供「神助攻」的菲佐也非等閒之輩，正是他發現了光的都卜勒效應。如今天文學家全靠這種現象洞悉遙不可及的天體如何運動，發現了宇宙膨脹的奧秘。
傅科像（來源：網絡）
傅科的單擺實驗之所以列為最美實驗之一，不僅因為它揭示了地球自轉現象，也因為它是如此簡單而精巧。傅科選擇了很重的擺錘和很細的鋼索，目的就是希望擺錘能幾乎完全依賴於自身慣性來擺動，把地球自轉帶來的影響降低到最小，這樣才能出現「地球管地球轉，鐵球管鐵球擺」的情況。1835年，法國物理學家科裡奧利（Gaspard-Gustave de Coriolis）解釋了生活中的一種自然現象——在一個水平放置並在做順時針旋轉的轉盤的中心放一個小球，並賦予它一個徑向（沿半徑方向）的初始速度，小球不會走出一條直線，而是順時針地劃出一道大弧線移動到轉盤的邊緣。傅科擺的實驗實際上也是科裡奧利效應的體現。
傅科擺原理動畫。傅科擺依靠慣性在一個平面裡擺動，真正在旋轉的是地球。（來源：Wikipedia/Nbrouard）
傅科的實驗效果非常好，在沙盤的邊緣，相鄰的兩條軌跡的間隔相差了3毫米左右。軌跡實際上是傅科擺的擺動平面，平面的偏移速率與實驗所處地理緯度有關係。在巴黎，這個偏移量是每小時11°20′，完成一周回到原位需要大約31小時50分。如果放到北京，周期為37.4小時，放到上海天文館，周期大約46小時35分43秒，放到南北極點，周期應當剛好是地球自轉周期23小時56分04秒。你還別說，在南極阿蒙森-斯科特科考站還真的做過這項實驗，完美驗證了理論。
傅科擺留下的軌跡（來源：Marjolijn Dijkman）
當年傅科做實驗的鐵球已經於1855年被搬到了巴黎音樂學院（Conservatoire national des arts et Métiers），現存於 先賢祠的傅科擺是為紀念實驗50周年而製作。現如今，經典已經在全世界範圍得到傳播，傅科擺成為許多博物館、天文館的保留展項。許多遊客都會情不自禁地圍觀，並痴醉於它的極簡極美。為了紀念這項偉大而美麗的實驗，每年的1月8日被確定為「地球自轉日」。
讓我們一起旋轉！
【後記】
關於傅科擺實驗的具體日期有許多版本。有的說是1851年1月2日或3日，他在自己家中突發靈感，做了一次成功的實驗。2月3日在巴黎天文臺的大廳裡，用11米長的擺錘重複，並提交了計算結果。又過幾個星期，才在先賢祠向公眾做了展示，由於擺繩更長，效果極佳。有的說是1月8日向公眾演示，2月份向法國科學院報告。但這已經不重要了，不管在哪一天，都是人類文明的經典瞬間。
參考資料：
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Foucault_pendulum
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Coriolis_force
[3] 李論科學. 簡單的傅科擺，為什麼可以證明地球在自轉？
(https://baijiahao.baidu.com/s?id=1675982044840088504&wfr=spider&for=pc)
[4] 張小李. 證明地球自轉的發明——傅科擺
(http://story.kedo.gov.cn/c/2019-12-26/732900.shtml)
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