February 18,2009
Léon Foucault示範地球的自轉
1851年2月3日:Léon Foucault示範了地球的自轉
到了19世紀中葉,大多數受過教育的人都知道地球繞著它的軸線自轉,一天轉一圈,但卻沒有清楚可見的地球自轉之示範證明,只有天文上的證據。
早在伽利略的時代,科學家即曾試著以實例說明地球的自轉,他們讓物體掉落地面,然後測量落點向東移動的距離。然而這些嘗試都太粗糙,也很不準確,無法做出確論。
一直到1851年,Léon Foucault做了著名的擺球示範,地球自轉才有了明確、動態的證明。
Jean Bernard Léon Foucault於1819年9月出生在巴黎,父親是一名出版商。在求學階段,Foucault是一個相當膽小的孩童,課業上的表現並不好,他的教育大都來自家庭。他母親要他當醫生,因此他到醫學院註冊,但很快地他就發現他見血無法忍受,所以退學。
Foucault缺乏正規的科學訓練,但他很靈敏,手又巧,賦有建造器械的才華,以及對自然高度直覺的領悟力。在離開醫學院後,Foucault去實驗室當助理,他隨即對剛發明的達蓋爾銀版攝影術(Daquerre photographic process)感到興趣,所以用它來製造出第一張太陽的照片。他還和他的研究伙伴Armand Fizeau利用旋轉鏡子設計出測量光速的方法,並於1850年證明光在水中的速度比在空氣中慢很多。
1851年1月初的一個晚上,根據他的日誌記載,大約在清晨2點左右,Foucault得到了一個靈感。他意會到假如他能設計出一個方法,將擺球吊在天花板上,讓擺球可以往任一方向自由擺動,他就可以觀察到地球自轉的結果。擺球的軌跡看起來將緩慢的移動,然而實的情況是擺球的球面固定著,地球在下面轉動著。
他瞭解擺球必須很小心地設計,球面一定要完全對稱。當擺球要開始擺動時,一定要輕輕地放開,因為甚至是最輕微的推動都會破壞整個示範。但若操作得宜的話,將會是地球自轉第一次清楚、戲劇性的示範。
當Foucault成功地在地下室完成了這個試驗後,他即準備好大規模地進行示範。1851年2月2日,他寄通知給在巴黎的科學家,上面寫著:「邀請您來參觀地球轉動」。
隔天,在巴黎天文台的經線廳,來參觀的科學家真的見證了地球的轉動。第一次的擺球示範非常成功。
Foucault還導出了一個簡單的方程式,叫做正弦法則,可以算在不同緯度的擺球要完成自轉一周所需的時間。在赤道,擺球的球面不會動,在北極,擺球的球面會在24小時完成360度的自轉,而在巴黎,擺球會在一天轉270度。
雖然第一次的示範很成功,但因Foucault缺乏科學訓練,所以科學社會菁英從未接納他,對於他示範的結果亦是很晚才給予肯定,也許他們是為自己未能做此發現而懊惱。有些科學家試圖宣稱是他們先想出來的,但 Foucault的確是第一個提出簡單正弦法則的人。事實上,當時還有些科學家曾預測Foucault所清楚示範的結果根本不會發生,或效果太小,無法觀測。
Foucault於三月時在萬聖廟反覆為民眾做示範,萬聖廟的圓頂很高,是做此有力示範的理想建築物。Foucault還將萬聖廟優雅的大理石地板鋪上木板平台,在平台上面灑上一層薄沙,如此擺球指針便會在沙上畫出移動的軌跡,使緩慢的自轉清晰可見。擺球本身是個重28公斤的銅球,直徑38公分,吊在67公尺長的金屬線上。
民眾被此醒目的示範所吸引,一般的巴黎市民成群結隊地去觀賞,Foucault成了大紅人,很快地全球各大都市出現了非常多這種擺球。Foucault繼續他的科學研究,在他首度示範擺球的一年內,他又發明了迴轉儀,做為證明地球自轉的另一方法。於1855年在巴黎的另一場擺球示範中,Foucault更發明了一個裝置,可用電磁踢擺球,使它不會慢下來,或最後停下來。
拿破崙三世本身是一個業餘的科學家,很支持Foucault,所以為他在皇家天文台安插了一個物理學家的職位,而Foucault也在那裡大幅地改進了望遠鏡。然而,法國科學院還是不願選他當院士,在數度陳情後,Foucault才終於在1865年被選上。1868年2月11日,Foucault病逝於巴黎,享年49歲。
民眾一直都很喜歡Foucault的擺球,世界各地的科學博物館及其他公共場所均有陳列。
物理 雙月刑 卅一卷一期 譯/ 蕭如珀、楊信男 (譯自APS New,2007年2月)