第1節 瘋狂的魔咒(3 / 3)

埃拉托色尼能有這樣的成就,與他廣博的學識密不可分。他公元前276年出生於北非,曾經在希臘的文化之都雅典求學。埃拉托色尼所學知識廣泛,地理、天文、數學、曆史、哲學等無所不鑽,人們稱他為“五項全能”的博學家。埃拉托色尼可以說是最早的百科全書派。他一生的大多數歲月是在亞曆山大城度過的,曾應埃及國王的聘請,任皇家教師,並被任命為亞曆山大裏亞圖書館一級研究員,從公元前234年起接任圖書館館長。當時亞曆山大裏亞圖書館是古代西方世界的最高科學和知識中心,那裏收藏了古代各種科學和文學論著。館長之職在當時是希臘學術界最有權威的職位,通常被授予德高望重的學者。埃拉托色尼擔任館長直到他逝世為止,這也說明了他在古希臘學術界享有很高的聲譽。據說晚年由於患眼病,導致雙目失明,他無法忍受不能讀書的苦楚,竟然絕食而死,時已年逾八旬。埃拉托色尼真是一位不學習毋寧死的執著學者。他也是古希臘學者的一個代表人物,此後的許多科學家和思想家都繼承和發揚了古希臘文明的成果。埃拉托色尼在人類探索之路上,留下了深深的足跡。

在這漫長的探索中,對地球的探索始終是一個最重要的課題。

1.1.5 證明地球自轉的實驗

在人類曆史上很長的一個時期,人們都認為地球是宇宙的中心,天上的所有星球包括太陽和月亮都是圍繞地球旋轉的。這就是所謂的“地心說”。

當然,這不是事實。一些天文觀測者在測繪天上星星的分布圖時,通過長期觀測一些星球在天上位置的變動,發現它們不是在圍繞地球旋轉。堅守“地心說”的人用很多修正理論,如行星運行“黃道線”彌合這種矛盾,但越來越多被觀測的星星運動規律所顯示的結果,挑戰著“地心說”,直到哥白尼提出“日心說”,才使得這些矛盾迎刃而解。

要證明地球圍繞太陽旋轉,先得證明地球是在自轉。因為隻有地球是自轉的,才能解釋為什麼每天可以看到太陽從東邊的地平線上升起,然後在每天的傍晚從西邊的地平線上落下去。

提起地球的自轉,在科學技術高度發達的今天,它是一個不容置疑的真理,但是,如果讓人們對此做出證明,或許並不是一件簡單的事情。“日心說”的創始人哥白尼早在16世紀就依據相對運動原理提出了地球自轉的理論。可在他提出這一理論後的相當長一段時間內,這一理論隻能停留在讓人們從主觀上接受的水平,要證明地球確實在自轉,得拿出令人信服的證據。

地球體積龐大,當時既沒有直接觀測地球的地點,也沒有可以用來觀測地球轉動的工具,要證明地球在自轉確實是一個難題。

但是,有人用一個簡單的實驗做到了。

1851年的一天,法國物理學家傅科帶著他早已準備好的實驗道具來到巴黎萬神廟。他要在這裏進行證明地球自轉的實驗。

這是他進行的第三次實驗。傅科的第一次實驗效果不夠明顯,他認為需要一個更長的擺。於是在法國天文台大樓做了第二次實驗,有了比較明顯的效果。消息傳出後,拿破侖三世把巴黎萬神廟安排給他進行最有名的第三次實驗。因為這個教堂大堂中央有一個極高的穹頂,適合用來進行這項實驗。傅科用一根200多英尺長的鋼絲繩將一個直徑約2英尺的大鐵球吊在教堂的圓頂下。擺的下一端是一個尖頭,正好從地板上掠過,可在撒於教堂地板的沙上劃出記號來。再將鐵球高高地拉向一側,用繩子拴在牆上。

一切準備就緒,傅科請大家保持安靜,並且不要來回走動,保持教堂內空氣的平靜和避免可能的振動,以免幹擾這個巨擺的穩定擺動。確認無誤後,他用火燭燒斷拴擺的繩子(如用剪刀或刀子切斷繩子,就會產生振動,幹擾實驗結果)。繩子被燒斷,擺開始擺動。為數眾多的觀測者都靜聲屏息。隨著時間的推移,擺尖劃出的記號明顯地改變著方向。它扭轉的方向和速率正巧符合巴黎的緯度,即31小時47分扭轉1周。觀測者實際上等於觀察了地球在擺下的自轉。這個實驗引起了極大反響。

聰明的傅科是如何設計出這個實驗的呢?

當時的歐洲,鍾表業已經非常發達。鍾擺穩定而有規律地擺動是公認的事實,對一個“靜止”的掛鍾,它的擺會恒定地在原地來回擺動。而傅科注意到,鍾擺雖然有保持自己振動麵的趨向,但擺的係著點會扭轉。這也許與地球的自轉有關。傅科以此推理,假如使一個大型擺擺動,它就會保持其振動麵,同時,地球將在擺下扭轉,擺錘就不會再沿著原來的直線來回擺動,而是劃出一個圓。這個擺如果處於北極,地球就會在每24小時扭轉1周。越往南,地球扭轉得越慢,因為地球在北部區域裏運行的速度比在南部區域裏稍慢一些,越往南,則速度差越小,而在赤道則完全不轉動。由赤道往南,扭轉就會重新開始(但方向相反),到了南極則又具有24小時的周期。對觀察擺的人來說(他本身也跟著地球運動),就顯得好像是擺在緩慢地改變方向。他這樣推理以後,就開始著手進行上麵說的3次實驗。

當時在萬神廟等著觀賞的人們,非常耐心地觀看了這一奇妙的實驗。隨著時間一分一秒地流逝,他們發現了奇跡,那就是擺在悄悄地發生著“移動”,並且是沿順時針方向發生旋轉。有的人在擺動開始時,看到擺球運動到自己眼前,可經過一段時間後,擺球離自己越來越遠。圍觀的人們通過對現象的觀測都得出這樣的結論:自己沒有移動,那一定是擺平麵發生了“移動”。

其實擺動的平麵是不會發生移動的。我們知道作為一種物質運動形式,擺是無法擺脫地球自轉的。傅科選用較長的金屬絲,是為了讓擺動的時間達到足夠的長度,這樣便於觀察擺動的變化,同時選用較重的擺球,是為了增加擺本身的慣性和動量,以克服空氣的阻力,一旦它擺動起來,作為一種運動狀態,有滯後於地球自轉的慣性,即能夠減少地球自轉的影響。知道了這一點,我們就不難分析,由於地球的自轉,每一個觀測者都被地球帶著運動,盡管觀測者站在原地沒有動,可腳下的地麵動了,也就等於把觀測者悄悄地帶離了原地。因此,真正沒有移動的是擺動平麵。

傅科擺的擺動作為地球自轉的有力證據,現已為世界所公認。我國北京天文館的大廳裏就有一個傅科擺,一個金屬球在一根係在圓穹頂上的長長細線下來回擺動著,下麵是一個刻著度數的像鐵鍋似的大圓盤,人們可以由此讀取擺動平麵旋轉的度數。前去參觀的人們都喜歡在這裏停留一段時間,親眼看一看地球是怎樣自轉的。

1819年,讓·傅科生於巴黎。傅科從小喜歡動手做實驗,最初傅科學習的是醫學,後來才轉行學習物理學。1862年,傅科使用旋轉鏡法成功地測定了光速為289000千米/秒,這是當時相當了不起的成就,因此他被授予了騎士二級勳章。此外,傅科還在實驗物理方麵做出了一些貢獻。例如,改進了照相術、拍攝到了鈉的吸收光譜(但是解釋是由基爾霍夫做出的)。傅科擺實驗的第二年,即1852年,他製造出了回轉儀(陀螺儀),也就是現代航空、軍事領域使用的慣性製導裝置的前身。此外,他還發現了在磁場中的運動圓盤因電磁感應而產生渦電流,這種渦電流被命名為“傅科電流”。當然,不能忘記的是傅科擺實驗,因為這個非常簡單地演示了地球自轉現象的實驗,使他獲得了榮譽騎士五級勳章。

傅科使用如此巨大的擺是有道理的。由於地球轉動得比較緩慢(相對擺的周期而言),需要一個較長的擺線才能顯示出軌跡的差異。又因為空氣阻力的影響,這個係統必須擁有足夠的機械能(一旦擺開始運動,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動。傅科正是因為做到了這3點,才能成功地演示出地球的自轉現象,所以傅科是最先證明地球在自轉的科學家。