地球/1i. 时间：利用地球运动发明秒
地球的运动将在揭示如何测量秒的单位和标准化时间精度方面发挥至关重要的作用。第一个突破是由 伽利略·伽利雷 在 1581 年的一次无聊的演讲中做出的，正如故事所述，这可能是虚构的。房间里有一盏吊灯，被从打开的窗户吹来的微风摇晃着。摆动的速度似乎与摆动的长度无关，因为吊灯摆动的距离越长，它似乎移动的速度就越快。伽利略第一个发现摆是 等时性 的，这意味着 摆 的周期性摆动与 振幅（物体被放开时的角度）或摆动弧的宽度无关。摆的摆动速度也不受摆锤末端物体质量的影响，但它与悬挂物体的绳子长度有关。
如果两个重物悬挂在等长绳子上，并同时开始摇摆，它们将匹配每次摆动的精确速度，并允许精确计时。摆用于计时的应用后来由 克里斯蒂安·惠更斯 完善，他写了一本关于 摆钟 使用的书，并于 1673 年出版。事实上，1670 年代的摆在科学好奇心方面处于巅峰状态。一个固定长度的摆会被设定为摇摆，并计算出摆动次数，以进行完整的 恒星日 或当一颗恒星到达第二天晚上相同的位置时。在整个白天和黑夜里数 摆 的每次摆动是一项繁琐的工作，直到恒星到达天空中相同的位置。利用固定长度的 摆 以秒为单位测量实验和观察的能力彻底改变了科学。
1671 年，法国科学院派 让·里歇 前往南美洲 法属圭亚那 的 凯延 市，靠近 赤道。虽然被设定为观察夜空中 火星 的位置以计算地球到火星的距离，但 让·里歇 还带了一个固定长度的 摆，该长度为 巴黎 在完整的 恒星日 内的摆动次数而算出。在法属圭亚那，他做了同样的实验，并确定这两个城市的摆动次数不同。此前人们认为，唯一改变摆动速度的东西是摆的长度。这个奇怪的实验，以及类似的实验，导致了关于 克里斯蒂安·惠更斯 提出的惯性矩的基本科学概念。
惯性矩等于物体的质量乘以从质心到旋转轴的距离的平方，即
艾萨克·牛顿，克里斯蒂安·惠更斯 的同时代人和朋友，意识到这两个地方摆的摆动次数差异是因为每个城市距离地球质量中心的半径略有不同。巴黎更靠近地球中心，而凯延市更靠近赤道，距离地球中心更远。因此，摆的摆动速度是由于这两个城市地球重力加速度的差异。
每次摆动的时间长度
其中 L 是摆的长度，g 是当地重力加速度。该公式仅适用于摆幅较小的摆，并且具有固定的 惯性矩。（如果您让摆在加速的汽车中剧烈摇摆，则需要使用更复杂的公式）。巴黎的摆的长度，它导致 1 秒的摆动，几乎被正式定义为 1 米 的正式长度。然而， 米 的长度被选为 巴黎子午线，官方的 1 秒摆长度为 0.9937 米，成为大多数钟表中的标准。然而，该长度进行了微调，以考虑地球重力的变化，这也是 1791 年设计 公制系统 时，1 秒摆没有被用作 1 米的标准单位的原因之一。
艾萨克·牛顿 和 克里斯蒂安·惠更斯 对摆的研究证实了地球的重力表现为一种 加速度。演示这种加速度的一种方法是想象一辆汽车里的摆。摆和汽车在比赛开始之前都是静止的，但一旦比赛开始，汽车就会沿着赛道加速，汽车里的摆会由于赛车加速的 惯性 而向后拉（司机也会这样做）。然而，如果汽车以恒定速度（速度）行驶，加速度为零，只要汽车不改变其速度，并且没有任何物体接触摆，那么汽车内的摆将保持静止，即使汽车以高速行驶。艾萨克·牛顿意识到地球的重力就像一辆加速的汽车里的摆一样。因此，我们将 地球的重力 称为 重力加速度，在数学公式中用小 g 表示。
世界上最令人惊叹的实验之一，已被全球各地复制，就是使用大型摆锤来演示地球自转运动，以及一种计算纬度的方法。 该实验最早由莱昂·傅科（陀螺仪的发明者）完成，他希望通过它来观察地球自转。 然而，他最出名的还是他的摆锤实验。 傅科在他的阁楼上建造了一个非常长的摆锤，通过将一根绳子系在摆锤末端，设定一个振幅，并用火焰燃烧绳子，使摆锤在没有任何晃动的情况下运动。 他观察了摆锤的运动，发现它开始非常缓慢地旋转。 这种旋转运动的原因是摆锤没有移动，而是他脚下的地面在移动，随着地球的自转！
在一个著名的演示中，莱昂·傅科在巴黎先贤祠建造了一个巨大的摆锤，并向公众展示了摆锤在巴黎会以 31.8 小时的周期围绕一个圆圈旋转。 在其旋转的每个点上，摆动的摆锤都会标记一个路径。 这种旋转发生的时间长度与纬度位置有关，因为位于北极或南极的大型摆锤会在 23 小时 56 分钟 4.1 秒内标记地球自转的路径。 但是巴黎的纬度为北纬 48.8566°，地球在摆锤下方的旋转更大，并且越接近赤道，这种旋转就越长，直到它在接近赤道时不再旋转。
原因是赤道没有旋转，是因为摆锤的参考平面和旋转的地球是相同的，而在地球的极点，摆锤下方旋转的地球以顺时针方向绕摆锤旋转或在南极以逆时针方向旋转。 如果您曾经观察过傅科摆一段时间，您会感觉到一种眩晕感，因为您意识到摆动的摆锤的运动并没有移动，而是地球在移动。 一个傅科摆今天仍在巴黎先贤祠运行，以及世界上其他许多地方，因为这种演示验证了地球的自转运动。
莱昂·傅科可能最出名的是他在巴黎先贤祠的摆锤，但他发明了一些会彻底改变科学的东西，这与他对地球自转运动的痴迷有关，它涉及使用旋转镜来测量光速，这是历史上第一次。
该装置由一束光照射到一个旋转的镜轮上组成，该镜轮将一束光反射到一个静止的镜子上，该镜子将光反射回旋转的镜子组。 在光从静止的镜子反射回旋转的镜轮所花费的时间里，旋转的镜子会以稍微不同的方向略微移动。 这种变化导致一束光不会直接反射回原始光源，而是以一个轻微的角度偏转，具体取决于旋转的镜轮的速度。 使用这种简单的装置，莱昂·傅科计算出光速接近其现代确定的值，即每秒**299,792,458 米**，他发现的值在 2.98 亿到 3 亿米每秒之间！
光一直困扰着科学家，因为它似乎既表现为粒子，有时又表现为波。 1801 年，托马斯·杨进行了一个简单的实验。 他在一个盒子上切了两个缝，将光照射穿过这些缝，并观察到两束光照射到附近墙壁上的光束像经过的波浪的涟漪一样相互干扰。 当两块石头同时掉入湖中时，会观察到类似的现象，涟漪会随着它们从掉落的石头中辐射出来而相互干扰。 如果光是一种波，正如这个实验所表明的那样，那么光波必须穿过某种介质，科学家称之为以太。 以太的存在很难证明，但两位美国科学家阿尔伯特·A·迈克尔逊和爱德华·W·莫雷终身致力于使用光速和地球自转来证明以太的存在，但他们失败了。
受摆锤运动的启发，光速必须根据地球自转的运动而变化。 在赤道，如果一个人在南北方向照射光，另一个光束在东西方向照射光，光速应该不同，因为地球以每小时 1,040.45 英里（1674.44 公里/小时）的速度在东西方向旋转。 就像摆锤的运动一样，光应该在以太的“风”中，因为波在逆着地球自转方向传播时，应该表现出差异。
1887 年，阿尔伯特·A·迈克尔逊和爱德华·W·莫雷在尽可能精确地测量了空气真空中的两个不同方向的光速，每次他们都发现相同的结果，两个光速，无论它们的方位如何，都完全相同！ 似乎没有不可见以太，但光速与地球引力不同，似乎是一个常数。 这是怎么回事？
迈克尔逊-莫雷实验是最著名的失败实验之一，虽然它没有证明以太的存在，但它导致了科学上的重大突破。
这个问题的解决方案由一位名叫亨德里克·洛伦兹的才华横溢的荷兰科学家解决，他建议实验失败的原因是测量的距离略有不同，因为地球的速度或速度不同。
为了用数学方法证明这一点，亨德里克·洛伦兹设想了两束在不同但恒定速度下在镜子之间弹跳的光束。 如果两面镜子之间光速保持不变，并且如果知道两束光束的恒定速度，那么运动较快的光束的路径将走更长的距离，因为当光传播时，镜子将相对于运动较慢的或静止的光束移动。 光束的速度越快，它在镜子之间必须走的路径就越长，并且为了在相同的时间内完成这条路径，这表明时间是相对于速度的。 在一系列称为洛伦兹变换的数学方程中，洛伦兹计算了时间膨胀，也称为长度膨胀，表达式为
其中 v 是没有加速度的物体的速度（例如旋转的地球），c 是光速。 这个数字越大，一米的长度就越短，时间就越长。 对这个数学方程进行图形化显示，当速度小于光速的一半时，得到的值很低，但当速度接近光速时，值非常高，并且当物体的速度达到光速时，值达到无穷大并崩溃。
这可能是你见过的最令人恐惧的等式，因为它从根本上决定了宇宙中任何有质量物体运动的普遍速度限制。根据洛伦兹变换，任何有质量的物体都不可能比光速更快，而且距离太阳最近的恒星距离地球超过4光年（约25万亿英里）。如果以地球当前的银河系运动速度439,246英里/小时发射一枚火箭进入太空，那么这枚火箭将需要大约6,500年才能到达最近的恒星，这远远超过你的寿命。尽管科幻电影和电子游戏中描绘了宇宙中的距离很短，很容易旅行，并且充满了外星人，但这些想象仅仅是美好的愿望。地球将永远是你的家园。你注定要困在这里。
迈克尔逊-莫雷实验仍在不断复制，最近的一次是在激光干涉引力波天文台（LIGO），它是一套位于华盛顿州和路易斯安那州的两个天文台，分别测量两个朝向不同方向的镜子之间的距离。这两个相隔4公里的镜子之间的距离变化，通过观察光波频率的变化（精确到单个原子的宽度）来极其精确地测量，这是由于距离地球数百万光年的超大质量黑洞和中子星碰撞产生的引力波造成的。我们可能无法访问这些地方，但我们可以在地球上观察它们，因为引力波像几乎无法察觉的波纹一样在光线中闪烁。
洛伦兹变换被洛伦兹的一名学生，年轻的阿尔伯特·爱因斯坦深入研究，他在洛伦兹的帮助下，于1905年在他的论文《论动体的电动力学》中提出了他的狭义相对论理论。洛伦兹和爱因斯坦都展示了你的时间概念如何与你的运动相关联，或者更准确地说，与地球的速度相关联。你的时间感与地球在空间中的运动交织在一起。在1905年发表狭义相对论几个月后，爱因斯坦提出了一个大问题，这个光速常数与质量和能量有什么关系？这导致了爱因斯坦著名的方程。其中E代表能量，m代表质量，c代表光速，但在你学习更多关于爱因斯坦这个著名方程的信息之前，你需要学习更多关于地球的能量和物质的信息。
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