三百多年以前伽利略接受羅馬教廷的審判,當(dāng)他被迫承認(rèn)地心說的時(shí)候,有人記載說,伽利略喃喃自語道："可是地球仍然在動(dòng)啊!"伽利略是否說過這句話已經(jīng)不可考,按理說后人杜撰的成分比較大.很難想象有人聽見了伽利略低聲說出的"異端"言論,并且把它記錄了下來,更何況當(dāng)時(shí)伽利略已經(jīng)神志不太清醒.圣經(jīng)說大地是不動(dòng)的；而現(xiàn)在,即使是小學(xué)三年級(jí)的學(xué)生也知道地球存在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn).那么,一個(gè)問題是,如何觀察到地球的運(yùn)動(dòng)--比如自轉(zhuǎn)呢?
150年前的實(shí)驗(yàn)
時(shí)間回溯到1851年的巴黎.在國葬院（法蘭西共和國的先賢祠）的大廳里,讓·傅科（Jean Foucault）正在進(jìn)行一項(xiàng)有趣的實(shí)驗(yàn).傅科在大廳的穹頂上懸掛了一條67米長(zhǎng)的繩索,繩索的下面是一個(gè)重達(dá)28千克的擺錘.擺錘的下方是巨大的沙盤.每當(dāng)擺錘經(jīng)過沙盤上方的時(shí)候,擺錘上的指針就會(huì)在沙盤上面留下運(yùn)動(dòng)的軌跡.按照日常生活的經(jīng)驗(yàn),這個(gè)碩大無朋的擺應(yīng)該在沙盤上面畫出唯一一條軌跡.
實(shí)驗(yàn)開始了,人們驚奇的發(fā)現(xiàn),傅科設(shè)置的擺每經(jīng)過一個(gè)周
期的震蕩,在沙盤上畫出的軌跡都會(huì)偏離原來的軌跡（準(zhǔn)確地說,
在這個(gè)直徑6米的沙盤邊緣,兩個(gè)軌跡之間相差大約3毫米）."地球真的是在轉(zhuǎn)動(dòng)啊",有的人不禁發(fā)出了這樣的感慨.
自轉(zhuǎn)和慣性
傅科的這個(gè)擺的是一個(gè)演示地球自轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn).這種擺也因此被命名為"傅科擺".傅科擺為什么能夠演示出地球自轉(zhuǎn)呢?簡(jiǎn)單的說,因?yàn)閼T性.
通常,我們說"地球具有自轉(zhuǎn)"的時(shí)候,我們并沒有明確出它到底相對(duì)于什么自轉(zhuǎn).這是一個(gè)非常重要的問題,如果沒有參照物,談?wù)撨\(yùn)動(dòng)是不可想象的.還沒有辦法在空間中打上一根釘子作為絕對(duì)的參照物,因此,我們只能依靠較遠(yuǎn)的、看起來似乎是靜止的天體作為參照物.事實(shí)上,那些天體也絕不是"空間中的釘子",只不過因?yàn)樗鼈儗?shí)在太遙遠(yuǎn)了,我們不妨--事實(shí)上恐怕也是唯一的選擇--把它們作為參照物.以遙遠(yuǎn)的恒星作為參照物,一個(gè)物體不受外力作用的時(shí)候,將一直保持它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).這也是牛頓第一定律的內(nèi)容.
擺是一種很有趣的裝置.給擺一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠鹗甲饔?它就會(huì)一直沿著某一方向,或者說某一平面運(yùn)動(dòng).如果擺的擺角小于5度的話,擺錘甚至可以視為做一維運(yùn)動(dòng)的諧振子.
現(xiàn)在,考慮一種簡(jiǎn)單的情況,假如把傅科擺放置在北極點(diǎn)上,那么會(huì)發(fā)生什么情況呢?很顯然,地球在自轉(zhuǎn)--相對(duì)于遙遠(yuǎn)的恒星自轉(zhuǎn).同樣,由于慣性,傅科擺的擺錘相對(duì)于遙遠(yuǎn)恒星的運(yùn)動(dòng)方向（平面）是不變的.（你可以想象,有三顆遙遠(yuǎn)的恒星確定了一個(gè)平面,而傅科擺恰好在這個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng).由于慣性,當(dāng)?shù)厍蛞约坝脕淼跗饠[錘的架子轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候,擺錘仍然在那個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)）那么什么情況發(fā)生了呢?你站在傅科擺附近的地球表面上,顯然會(huì)發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)的平面正在緩緩的轉(zhuǎn)動(dòng),它轉(zhuǎn)動(dòng)的速度大約是鐘表時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)速度的一半,也就是說,每小時(shí)傅科擺都會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)過15度.
如果把傅科擺放置赤道上呢?那樣的話,我們將觀察不到任何轉(zhuǎn)動(dòng).把擺錘的運(yùn)動(dòng)看做一維諧振（單擺）,由于它的運(yùn)動(dòng)方向與地軸平行,而地軸相對(duì)遙遠(yuǎn)的恒星是靜止的,所以我們觀測(cè)不到傅科擺相對(duì)地面的轉(zhuǎn)動(dòng).
現(xiàn)在把傅科擺移回巴黎.擺錘的運(yùn)動(dòng)可以分解為沿地軸方向的和與之垂直方向上的兩個(gè)分運(yùn)動(dòng).后者會(huì)產(chǎn)生相對(duì)地面的旋轉(zhuǎn)（正如北極的傅科擺）.這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果是,從地面上的人看來,傅科擺以某種角速度緩慢的旋轉(zhuǎn)--介于傅科擺在北極和赤道的角速度之間.（也可以從科里奧利力的角度解釋,得出的結(jié)論是一樣的）如果在北極的觀測(cè)到傅科擺旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是A（A=24h）,那么在任意緯度γ上,傅科擺旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間是A/sinγ.對(duì)于巴黎,這個(gè)數(shù)字是31.8小時(shí).