走进科技馆的中央大厅，常能看到从天花板长长垂下的绳索末端挂着一个沉重的摆锤，正在缓缓摆动。看上一阵子，它似乎只是在同一条线上来回，但几个小时后再来看，摆动的方向已经与最初不同了。明明没有人碰过它，是什么改变了方向呢？这个谜题的主角，正是“傅科摆（Foucault Pendulum）”。
简单来说，傅科摆是指“在很长的绳索上挂一个重锤并让它长时间摆动，通过摆动平面相对地面逐渐旋转的现象，让人亲眼看到地球在自转的装置”。它被誉为第一个不必仰望天空、在室内就证明了地球自转的实验。
本文将依次介绍傅科摆诞生的背景、摆动平面旋转的原理、随纬度变化的旋转速度，以及当今科技馆让摆持续运动的方法。
让地球自转呈现在眼前的傅科摆
1851年，请来看地球转动
设计这个实验的是法国物理学家莱昂·傅科（Léon Foucault）。1851年2月，傅科在巴黎天文台的子午线厅首次公开展示了摆，几周后又在巴黎先贤祠（Panthéon）的穹顶下悬挂了一个大得多的摆。据说当时的请柬上写着“请来看地球转动”。
先贤祠傅科摆的规模如下。
（1）长67米的钢丝
绳索越长，来回一次所需的时间越长，摆动也持续得越久。
（2）重28千克的摆锤
摆锤以铅制成、外裹黄铜，十分沉重，不容易因空气阻力而失去摆动。
（3）地面的沙盘
摆锤下方的尖针每次经过都会在沙上留下痕迹，任何人都能看出摆动方向在一点点改变。
这个实验引起轰动是有原因的。自哥白尼以来，地球在转动的观点已被广泛接受，但其依据大多是通过观测恒星和行星的运动推断出来的。傅科摆不必仰望天空，就在建筑物内直接展示了大地的转动，因此众多巴黎市民蜂拥而至前来观看。
摆动平面为什么会旋转？
摆一旦开始摆动，只要不受外部扭转的力，就会沿着同一平面持续来回。如果把悬挂绳索的地方做成可以自由转动，即使建筑物在转动，摆也会保持原来的摆动平面。
最容易理解的地方是北极。在北极悬挂一个摆，它的摆动平面相对宇宙保持不变，而下方的大地每天转一圈。因此在站在地面上的人看来，摆的摆动平面好像每天反向转了一圈。
- 北半球（Northern Hemisphere）：从上方俯视，摆动平面沿顺时针方向旋转。
- 南半球（Southern Hemisphere）：相反，沿逆时针方向旋转。
归根结底，转动的不是摆，而是注视着摆的我们正随着地球一起转动。
随纬度变化的旋转速度
摆动平面旋转一圈所需的时间，取决于悬挂摆的地点的纬度。在两极，需要约23小时56分，即地球自转一周的时间；越接近赤道就越慢。计算公式是“旋转一圈的时间 = 23小时56分 ÷ sin（纬度）”。
- 先贤祠（Paris）：位于北纬约48.9度，每小时约转11.3度，转一圈约需31小时50分。
- 首尔（Seoul）：在北纬约37.6度，转一圈约需39小时。
- 赤道（Equator）：摆动平面完全不旋转，无法用摆确认自转。
摆动平面旋转的程度与绳索长度和摆锤重量无关，只由纬度决定。绳索长度只决定来回一次的时间，先贤祠的摆往返一次约需16秒。
这种旋转与科里奥利效应（Coriolis Effect）同根同源，即运动物体因地球自转而看起来向侧面偏转的现象。不过，这种效应非常微小，摆动必须持续很久才能显现变化，所以要使用绳索长、摆锤重的摆，并观察好几个小时。
今天的傅科摆
如今，傅科摆仍在世界各地的科技馆、大学和公共建筑中摆动。不过真正动手制作，会比想象中棘手。
让摆长时间摆动的方法
- 空气阻力（Air Resistance）：摆锤与空气碰撞会让摆动一点点减小，因此要把摆锤做得又重又光滑。
- 椭圆摆动（Elliptical Motion）：如果释放时稍微向侧面推了一下，摆锤就会画出细长的椭圆而偏离正确的旋转，所以过去人们先用细线把摆锤拴住，再用火烧断细线，让它平稳地开始摆动。
- 电磁辅助（Electromagnetic Drive）：如今用于展示的摆，每当摆锤经过时，地面的电磁铁就会轻轻助推一下，让它整天以同样的幅度摆动。
先贤祠使用的原始摆锤后来被移到巴黎工艺博物馆（Musée des Arts et Métiers）展出，但在2010年因绳索断裂而坠落，严重受损。
傅科摆无需复杂的望远镜或计算，只凭一根绳索和一个摆锤，就证明了我们脚下的大地在不停转动。过去只能凭恒星和太阳的运动推测的自转，如今任何人都能通过沙上的痕迹亲眼确认。
缓慢摆动中隐藏的巨大运动，只向耐心观察的人显露真容。耐心观察看似理所当然的现象，正是科学发现自然隐秘秩序的第一步。
