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地球自轉難以證明?傅科:給我一根繩子和一個球,原理馬上呈現

2024-10-27科學

人在地球上不動,一天也能隨著地球轉八萬裏,還能遙望到天上的很多星河呢。

這句詩是由毛澤東先生寫的,他是中國共產黨、中國人民軍隊、中華人民共和國的奠基人,也是中國人民的領袖,還寫詩、擅長書法。詩的意思是人在地球上,地球自己會轉,人不知不覺一天就走了八萬裏呢。

地球直徑有12500公裏,拿圓周率跟它相乘的話,周長就是四萬公裏,也就是八萬華裏。那地球自轉到底是咋回事呢?

【地球自轉學說】

隨著日心說出現,地球繞太陽公轉的說法也有了。之後牛頓提出了重力定律,這讓我們明白,公轉是太陽重力造成的。那麽,地球自轉又該怎麽解釋呢?

第一種解釋是星雲會旋轉,咱們的太陽系是由一團星雲產生的。在這個過程裏,星團中的物質相互碰撞產生反應,出現了很多能量,這就使得星雲旋轉起來。整個太陽系都是在旋轉中形成的,所以,地球從「誕生」起就有自轉了。

後來呢,人們用天文望遠鏡看到有些星雲真的有自轉的現象。但這個假設也有個解釋不通的地方,就是除了「逆子」金星是自東向西自轉以外,其他恒星都是從西邊開始自轉的。

要是星球的自轉是星雲造成的,那咋所有星球都來自同一片星雲,可金星卻跟其他星球不一樣呢?

角動量積累。

這樣一來,就出現了第二個理論,也就是角動量堆積理論。這個假說覺得,一顆星球並非一開始就有自轉,公轉才是一開始就有的。這顆星球的自轉呢,是遭受了無數次的撞擊之後,才出現角動量堆積,進而有了自轉。

由於碰撞方向不一樣,最終的自轉是由合力的朝向決定的。就像地球和其他行星碰撞的時候,角動量堆積起來最終是從西向東的走向,可金星在碰撞過程中和地球那些行星不一樣,它角動量堆積起來最終是從東向西的走向。

要是這樣的話,那就表明行星的自轉方向不是固定不變的,只不過太陽系裏的行星大多是自西向東自轉。而且太空雷根本沒有氣流,所以從理論上講,任何天體只要一開始就在自轉,之後就不可能停止轉動。

不過,科學家研究的數據顯示,地球的自轉速度其實是越來越慢了。這是因為地球的角動量一直在消耗,而消耗最多的是月球,畢竟它是地球唯一的天然衛星。月球雖然比地球小一些,但也重達7350億億噸,不可能對地球沒影響啊。

在咱們這個星球上,海潮之所以會漲落,就是因為月亮有重力。所以人們才說月亮限制了地球自轉呢。

還有一種消耗呢,就是人類「隨便」發射到太空裏的人造衛星。他們壓根沒打算回收這些衛星,結果就導致這些衛星一直在地球周邊越堆越多。有人估算過,這幾年,人類留在宇宙裏的人造天體,品質都快趕上一顆小行星了。

並且,地球有重力,一些被扔掉的人造衛星就離大氣層特別近,還和大氣層有了摩擦,這麽一來,地球自轉的角動量就變小了。地球自轉對地球自己影響可大了,為啥呢?因為洋流和季風都是地球自轉產生的。要是地球不自轉了,那地球會變成啥樣啊,想都不敢想。

所以啊,地球自轉速度在放緩,人類得認真對待這個現象。這些假說都是在咱們有了一定知識和裝置之後才去推斷、推理出來的。那要是沒有這些高科技手段,古人知不知道地球在自轉呢?這就跟前人的兩個理論學說有關了。

【地心說:地球是宇宙的中心】

人類一直都在爭論宇宙的中心是什麽。到了公元四世紀,亞里斯多德才大概給出了這個問題的答案,他說宇宙就像個有好多層的水晶球,地球呢,就在這個水晶球的中心,咱們就生活在地球上。

而地球處於中心,其他天體都在各自不同的軌域上繞著地球轉呢。

【日心說:地球圍繞太陽運動】

16世紀中葉,波蘭有個很出名的天文學家哥白尼,他觀察了30年,然後就從根兒上說明地心說是錯的。他搞出了個「日心說」,這是一種全新的宇宙學說。哥白尼覺得,太陽才是宇宙的中心,不是地球,除了月亮圍著地球轉,地球和別的行星都是繞著太陽轉的。

哥白尼猜地球是運動的,按照這個猜測能推斷出地球在動。等到科技發展到一定水平後,這個猜測得到了一些證實,像克卜勒定律、經典物理學之類的都能證實。地球自轉和公轉慢慢就成了常識。不過在當時,大部份科學家沒辦法用簡單的實驗讓大家知道地球在動。

直到1851年,法國的物理學家萊昂·傅科在巴黎先賢祠搞了一場公眾科學試驗,還邀請了各界的名人參加。

【傅科擺實驗】

先賢祠在1790年就建成了,法國歷史上好多作出巨大貢獻的名人都在這裏被紀念著。先賢祠有個空心穹頂,七十多公尺高呢,就在這個穹頂下面的廳堂裏,傅科做過試驗。

他先把一個56公斤重的大擺錘系在一根鋼索上,接著把鋼索固定到穹頂,讓鋼索垂直向下,之後在大擺錘下方擱一個六米寬的沙盤,沙盤上有360度的刻度盤,這刻度盤是用來記錄大擺錘執行軌跡的。

那麽,在這種狀況下,大擺錘要怎麽移動呀?

當時,在場的大部份人都覺得大擺錘的落點是固定軌域。要是以人作參照,人又不會動,再假設地球是靜止的,那大擺錘的執行路線就不會變。可讓人吃驚的是,大擺錘一邊旋轉運動,一邊在沙盤上留下的軌跡居然變了!

見這情況,所有人都驚住了。這個實驗結果顯示地球是在自轉呢。為啥這麽說呢?因為只有地球不停地轉,地表上的東西才都會跟著轉動呀。

萬神殿頂部掛著個大擺錘,按常理,它會因為慣性一直保持原來的移動軌跡,這是正常的。可它下面的沙盤呢,運動軌跡偏離了原來的位置。這跟「地球靜止不動」的看法完全相反。最後,當時的人就確信,地球是在旋轉的。

傅科擺頭一回讓世人看到「地球在自轉」的證據。這可是開創性的勝利呢,當時科學儀器和方法都特別簡陋,能想出這麽簡單的實驗來證明「地球自轉」,真的很不容易。

傅科擺為啥能很好地證明地球自轉呢?這裏面有啥道理呀?

這個實驗分析的關鍵在於用到的三種主要儀器。第一種是一根又大又會搖擺、長達67公尺的鋼絲繩,這67公尺的長度是為了延長鋼絲繩的搖擺時間。

時間一長,精細的觀測結果就能更好地展現出來,一些偏移角度的問題也能更好地解決。再來說大擺錘,它重56公斤,這樣既能避免空氣流動造成阻礙,又能確保垂直擺錘不會有偏差。

最後,傅科發明了一種萬向節,這種萬向節能保證鋼絲繩在不受地球自轉影響的情況下自由搖擺。擺錘被拉起開始運動時,它在沙盤上的運動軌跡就偏離了原點,發生了改變。在周圍參考物都靜止的時候,地球自轉就是唯一合理的解釋了。

簡單來講,傅科擺的原理呢,就是一個靠慣性來檢視「誰在動」的試驗。要是大擺錘只受重力作用,那沒外力的時候它就會接著動,而且大擺錘被驅動時,會朝著一個方向運動。

現在呢,你就想象一下啊,你站在一個地兒,有個擺錘正在你跟前的平板上勻速移動著。要是地球是靜止的,那這個平板肯定不會動啊,可平板上卻出現了不一樣的轉動痕跡。這時候,人也沒動,那動的到底是誰呢?

地球在動呢。要是這樣的話,那就說明「地球自轉」是對的。

人們經過一代又一代的不斷探索,一點一點地揭開了科學的奧秘。就拿對地球自轉的認知來說吧,這更加證明了一個道理:「懷疑產生事實」。