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【科學史上的今天】09/18——傅科誕辰(Jean Bernard Léon Foucault, 1819-1868)

大概再也沒有其它科學實驗能像「傅科擺」這樣,如此一目了然地在我們眼前演示有違直覺的科學真理,同時還帶著莊嚴的肅穆之感與神聖的美感。如果伽利略當年知道這個實驗,他在宗教法庭上那句「可是地球仍然在動啊!」的喃喃喟嘆,會不會更能振振有辭呢?

發明這項實驗的傅科出生於巴黎,因為怕血而放棄醫科,將興趣轉向機械發明。他與另一位醫學中輟生投入銀版照相法的改良,拍下最早期的恆星照片。由於星光黯淡,必須用長時間曝光才足以讓恆星在底片上顯影;但因為地球自轉的緣故,結果會得到拖曳成線的星軌圖。傅科想到用鐘錶來控制照相機跟著轉動,使其固定指向恆星,如此就可以得到清楚的恆星照。

當他在車床上架設裝置,試著慢慢轉動底座時,發現鐘擺並不會隨著底座旋轉而改變來回擺動的方向。根據牛頓的慣性定律,這其實一點兒也不奇怪,但傅科卻是靈光一閃,在腦中啟動了類似愛因斯坦的思想實驗:如果底座擴大為整個房間地板,而我們站在上面跟著慢慢旋轉,就會以為是鐘擺的擺盪面逐漸改變方向。甚至進一步想,當我們站在地面上隨著地球自轉,不也會看到鐘擺改變擺盪方向?

傅科動手在家中實際實驗,他知道繩子要夠長才能顯示出擺盪軌跡的差異,而且為了克服空氣阻力,一開始的機械能要夠大,所以擺錘要夠重。經過幾次嘗試,終於在 1851 年 1 月 8 日成功觀察到繩擺逐漸以順時針方向改變擺盪方向。

不久後,巴黎天文台長請他前往重做此實驗,由於那邊可以允許更長的纜繩,效果更為明顯。消息傳開後,皇室要他在萬神殿公開演示。於是當天在場民眾即使早知地球自轉的事實,但在親眼目睹長 67 公尺的鋼絲吊掛著 28 公斤重的砲彈,以每 16 秒往返一次的速度緩慢沉重地來回擺動並且逐漸改變方向時,還是不免屏息讚嘆:地球真的在轉動啊!

這項實驗一炮而紅,傳遍各地;世界各國也紛紛架起傅科擺,公開供民眾參觀。而傅科為了使地球自轉的實驗不受限於特定場地,在第二年改用陀螺儀(此名詞即他所創)演示,並指出可作為一種定向裝置。雖然傅科後來還有許多科學貢獻,如發明校驗反射式望遠鏡之面鏡的方法、發明偏光鏡、用旋轉鏡測出誤差僅 0.6% 的光速,但大眾記得的還是以他為名的傅科擺。這或許是因為傅科擺如此簡潔有力地展示無形的、巨大的自然力量,並在觀賞者心中勾起一種敬畏的感動吧!就像傅科自己所形容的:

「這現象靜默的展現,既無形也永不停止。人們可以感覺到,可以看到它穩定的生成,它不受人為力量而加快或是減緩。看到這件事實的任何人都會駐足沉思、沉默片刻。而之後伴他離去的,則是那個對我們在太空中持續不間的運行有更敏銳體驗的永恆感覺。」

圖片說明:1851 年,傅科在巴黎天文台實驗的情境。本張圖片為 1912 年 《小巴黎(LE PETIT PARISIEN)》報紙,為了紀念此次地球自轉實驗滿 15 週年,所繪製刊載的插圖。

 

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