测量消失的光阴——单摆等时性的发现

测量消失的光阴——单摆等时性的发现

人类生活在时间的长河中，一直探索测量时间的方法．古人发明了用沙漏、水钟等测量时间的装置，到了17世纪还在沿用这种计时手段．1656年，惠更斯制造出人类历史上第一个摆钟，使人类对时间的测量进入崭新的时代．摆钟是利用单摆的等时性原理测量时间的．那么，单摆的等时性是如何发现的呢？下面就讲一讲这个故事．

最初的发现

1564年2月15日，伟大的物理学家伽利略出生于意大利比萨城的一个没落贵族家庭．他出生不久，全家就移居到佛罗伦萨近郊的一个地方．在那里，伽利略的父亲万桑佐开了一个店铺，经营羊毛生意．

孩提时的伽利略聪明可爱，活泼矫健，好奇心极强．他从不满足别人告诉的道理，喜欢亲自探索、研究和证明问题．对于儿子的这些表现，万桑佐高兴极了，希望伽利略长大后从事既高雅、报酬又丰厚的医生职业，1581年，万桑佐就把伽利略送到比萨大学学医．可是，伽利略对医学没有兴趣，他却把相当多的时间用于钻研古希腊的哲学著作，学习数学和自然科学．

伽利略（1564——1642）是一位虔诚的天主教徒，每周都坚持到教堂做礼拜．1582年的一天，伽利略到教堂作礼拜．礼拜开始不久，一位修理工人不经意触动了教堂中的大吊灯，使它来回摆动．摆动着的大吊灯映入了伽利略的眼帘，引起他的注意．伽利略聚精会神地观察着，脑海里突然闪出测量吊灯摆动时间的念头，凭着学医的经验，伽利略把右手指按到左腕的脉搏上计时，同时数着吊灯的摆动次数．起初，吊灯在一个大圆弧上摆动，摆动速度较大，伽利略测算来回摆动一次的时间．过了一阵子，吊灯摆动的幅度变小了，摆动速度也变慢了，此时，他又测量了来回摆动一次的时间．让他大为吃惊的是，两次测量的时间是相同的．于是伽利略继续测量来回摆动一次的时间，直到吊灯几乎停止摆动时才结束．可是每次测量的结果都表明来回摆动一次需要相同的时间．通过这些测量使伽利略发现：吊灯来回摆动一次需要的时间与摆动幅度的大小无关，无论摆幅大小如何，来回摆动一次所需时间是相同的．即吊灯的摆动具有等时性，这就是伽利略最初的发现．

伽利略的脉搏仪

伽利略带着初次发现的喜悦回到自己的房间，但是他并没有就此罢休．伽利略是一位十分认真又喜欢研究问题的人，根本不会满足只从一次实验中得到的结果．对于自然现象，他总是反复进行实验研究，通过严密推理探索客观规律，对单摆规律的研究也是如此．

伽利略回到房间后，到处寻找实验所需要的东西．他找来丝线、细绳、大小不同的木球、铁球、石块、铜球等实验用品，在他的桌子上堆满了这些“乱七八糟”的东西．

伽利略用细绳的一端系上小球，将另一端系在天花板上，这样就做成了一个单摆．用这套装置，伽利略继续测量摆的摆动周期．他先用铜球实验，又分别换用铁球和木球实验．实验使伽利略看到，无论用铜球、铁球，还是木球实验，只要摆长不变，来回摆动一次所用时间就相同．这表明单摆的摆动周期与摆球的质量无关．可是，摆动周期是由什么决定的呢？伽利略继续从实验中寻找答案．

伽利略首先做了两个摆长完全相等的单摆测量它们的周期，测量结果使他看到这两个单摆的周期完全相等．他又做了十几个摆长不同的摆，逐个测量它们的周期．实验表明：摆长越长，周期也越长．在实验基础上通过严密的逻辑推理，伽利略证明了单摆的周期与摆长的平方根成正比，与重力加速度的平方根成反比．这样，伽利略不但发现了单摆的等时性，而且发现了决定单摆周期的因素．

伽利略是一位善于解决问题的科学家．发现了单摆的等时性，他就提出了应用单摆的等时性测量时间的设想．此时伽利略想到医生治病时经常需要测量病人脉搏跳动的快慢，只凭经验测量往往出现较大误差．能不能用单摆计时测量脉搏呢？于是伽利略亲自制作了一个标准长度的单摆测量脉搏的跳动时间，使用这种装置测量比原来准确得多．于是伽利略建议医生诊脉时使用这种装置，不久这种装置在当时医学界就十分流行了．这就是世界上最早的“脉搏仪”，它是伽利略为医学做出的一个重要贡献．

单摆的等时性有许多重要应用．譬如，由于地球上不同地区的纬度和海拔高度不同，各地的重力加速度就有差异．用标准长度的单摆，测出它在某地的摆动周期，就能够求出该地区的重力加速度．再如，重力加速度的大小与该地区的地质结构密切相关，地下矿藏分布会引起它的微小变化．因此，通过测量重力加速度可以发现地下矿产资源，这种方法叫重力探矿，在这一领域单摆也发挥着重要作用．

摆钟的诞生

单摆等时性的发现，奠定了制造摆钟的坚实基础，为人类更加精确地测量时间开辟了道路．伽利略就曾经提出利用单摆的等时性制造钟表，并且让他的儿子维琴佐和维维安尼设计了制造钟表的图纸，但是，他们却没有把钟表制造出来．荷兰物理学家惠更斯继续了伽利略摆的研究工作，终于制造出摆钟，使伽利略制造钟表的设想变为现实．

惠更斯是和牛顿同时代的物理学家． 1629年4月14日，他出生于海牙的一个政府要员之家．惠更斯年轻时就进入莱顿大学学习，受到了良好的教育．惠更斯具有出众的数学才能，在自然科学领域做出许多重大贡献，其中光的波动学说就是他创立的．

惠更斯最出色的物理工作之一是对摆的研究，他建立了摆运动的数学理论．惠更斯在重复伽利略的实验时发现，单摆的等时性只是近似成立，当摆动幅度增大时，摆的周期就会变化．惠更斯通过精心研究从理论上证明，真正等时的摆，摆动轨迹是一条摆线．他通过严密的数学计算得到，要使摆动轨迹成一条摆线，单摆摆动时就必须按照一定的规律改变摆线悬点的位置．于是，惠更斯用实验寻找改变悬点位置的途径．有一次，他用半圆形的两块金属板夹住单摆的悬点时，观察到单摆摆动时悬点的位置可以改变，这时他高兴极了．可是，反复实验之后却又发现，改变悬点位置的规律还不能达到预期要求．于是惠更斯一方面进行计算，一方面改变夹板的形状做实验．大量实验之后他终于发现用两块摆线状金属板，面对面夹住摆线，这样摆就完全保持等时性．惠更斯把这个设计用于制造摆钟，在解决了一系列技术问题之后，1656年他制造出人类有史以来第一个摆钟．惠更斯把制造的“有摆落地大座钟”献给了荷兰政府．1657年，他取得了摆钟的专利权．