一天,物理学家伽利略在比萨大教堂惊奇地发现,房顶上挂着的吊灯因为风吹不停而有节奏地摆动。他想起医科老师讲过,脉搏的跳动是有规律的,他一面按着脉,一面注视着灯的摆动。一点也不错,灯每往返摆动一次的时间完全相同。这使他又产生一个疑问,假如吊灯受到强风吹动摆得高一些,它每次摆动的时间还一样吗?回到宿舍,他把铁块固定在绳的一端挂起来,再把铁块拉到不同高度让它开始摆动,仍用脉搏细心地测定摆动所花的时间,结果表明,每次摆动的时间仍然相同。这个实验结果证明他的想法是正确的,即“不论摆动的幅度大小,完成一次摆动的时间是一样的。”伽利略还发现,只要绳子的长度一样,摆动一次的时间并不受摆锤重量的影响。随后伽利略又想,如果将绳子缩短,会不会摆动快些?于是调节绳子的长度做实验,结果证明他的推测是对的:“摆绳越长,往复摆动一次的时间(称为周期)就越长。”人们对摆动的研究是逐步深入的,多年以后,荷兰物理学家惠更斯进一步找到了摆的周期与摆长间准确的数学关系。又过了100多年,牛顿揭晓了万有引力的作用,又发明了微积分,伽利略发现的摆动规律才得到圆满的解释,这在物理学中叫作“摆的等时性原理”。后来的各种挂钟都是根据这个原理制作的。
钟摆示意图
2015年5月出版的《物理学世界》刊登了排名前10位的“最美丽”实验,大多数都是我们耳熟能详的经典之作,其中就有米歇尔·傅科钟摆实验。
2014年,科学家们在南极安置了一个摆钟,并观察它的摆动——他们是在重复1851年巴黎的一个著名实验。1851年,法国科学家傅科在公众面前做了一个实验,用一根长约66米的钢丝将一个62磅重的头上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下,观测记录它前后摆动的轨迹。周围观众发现钟摆每次摆动都会稍稍偏离原轨迹并发生旋转,无不惊讶。实际上这是因为房屋在缓缓移动。傅科的演示说明地球是在围绕地轴自转。在巴黎的纬度上,钟摆的轨迹是顺时针方向,30小时一周期。在南半球,钟摆应是逆时针转动,在南极转动周期是24小时,而在赤道上将不会转动。
这种“美丽”实验是一种经典概念:最简单的仪器和设备发现了最根本、最单纯的科学概念,就像是一座历史丰碑一样,人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空,对自然界的认识更加清晰。