傅科摆——坐地日行八万里

齐莉

“坐地日行八万里，巡天遥看一千河。”

毛主席的著名诗句描绘了由于地球在宇宙中运行，就算我们坐地不动也能日行八万里，欣赏无数星系的壮美浪漫景象。

自从16 世纪哥白尼发表《天体运行论》，人类首次知道了地球自转的存在。现在，地球自转已经成为了人人皆知的基本常识。那么，如何能够证明地球在自转呢？

1851 年，法国物理学家傅科在巴黎先贤祠的最高穹顶下悬挂了一条67 米长的绳索，绳索的下端是一个重达28 千克的摆锤。傅科用这个装置完成了一次成功的摆动实验，向世人证明了地球自转的存在。这个装置也因此而得名：傅科摆。傅科摆作为科技史上赫赫有名的经典物理学装置，在中国科学技术馆中也能看到。它就像实验与发展馆的“扫地僧”，始终沉静地向世人展示着地球自转的轨迹。

中国科学技术馆傅科摆展品

所有的傅科摆都有着共同的特点：一个标示旋转角度的表盘，一根吊线和一个重重的摆锤，悬挂点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。这样的摆惯性和动量大，可以把地球对摆的影响降到最低，让摆能够自行摆动，提高实验的精度，延长摆动时间。

摆锤在表盘上自行摆动

表盘上的LED灯带显示摆动的方向

不同的是，1851 年的傅科擺通过下方的长针在细沙上划出摆动轨迹，向人们展示摆的轨迹缓慢地沿顺时针方向转动。而在中国科学技术馆，为了能让大家清晰地看到摆动方向的变化，直接用LED灯带与数字刻度做成标示旋转角度的表盘。摆锤每摆动到一个新的位置，其下方的灯带就会亮起。

傅科摆在北京的摆动周期约37个小时

傅科摆是一个近似于单摆的装置。在初始摆动起来后，按照惯性定律，应该始终在一个平面内进行摆动，针在细沙上划出的轨迹线应该是一条直线。然而，在傅科摆受到的外力没有变化的情况下，摆动方向却发生了转动。是谁“改变”了它呢？这是参照系选择的问题。就像我们坐火车时，车上的人是静是动取决于我们是选择火车还是大地作为参照系。

把地球看作我们所乘坐的“宇宙火车”，我们身在其中，如果以地球为参照系，我们自然无法证明它在自转。而傅科摆却是基本不受地球自转影响而自行摆动的“窗外景色”。所以，我们看到傅科摆转动了，不是摆的方向变了，而是我们所在的地球沿着逆时针方向转动的结果，这有力地证明了地球是在自转的。

傅科摆的位置不同，摆动的情况也不同。在北半球时，傅科摆的摆动平面顺时针转动，在南半球则是逆时针。而且纬度越高，傅科摆转动的速度越快。在两极，傅科摆与地球自转同步，约24 小时转一周，在北京约37 个小时，在广州则为61 小时左右。而赤道上的傅科摆几乎不转动。

虽然人们长久以来很难直观地感受到地球的自转，但是台风的旋转方向、洋流的流动方向，地球上的每一样事物无不受到地球自转的影响。甚至，是地球自转带来的日夜交替才让我们能够有节律地生活。

我们常说的日夜交替、斗转星移就是选择了以太阳、星星作为参照系来证明地球自转的“上帝视角”，只是星星太过遥远。如果你想感受大地的转动，领略宇宙规律的奥妙，没有一颗星星能比傅科摆更懂你。

（本栏目合作单位：中国科学技术馆）