地球/1i. 時間：利用地球運動發明秒
地球的運動將在揭示如何測量秒的單位和標準化時間精度方面發揮至關重要的作用。第一個突破是由 伽利略·伽利雷 在 1581 年的一次無聊的演講中做出的，正如故事所述，這可能是虛構的。房間裡有一盞吊燈，被從開啟的窗戶吹來的微風搖晃著。擺動的速度似乎與擺動的長度無關，因為吊燈擺動的距離越長，它似乎移動的速度就越快。伽利略第一個發現擺是 等時性 的，這意味著 擺 的週期性擺動與 振幅（物體被放開時的角度）或擺動弧的寬度無關。擺的擺動速度也不受擺錘末端物體質量的影響，但它與懸掛物體的繩子長度有關。
如果兩個重物懸掛在等長繩子上，並同時開始搖擺，它們將匹配每次擺動的精確速度，並允許精確計時。擺用於計時的應用後來由 克里斯蒂安·惠更斯 完善，他寫了一本關於 擺鐘 使用的書，並於 1673 年出版。事實上，1670 年代的擺在科學好奇心方面處於巔峰狀態。一個固定長度的擺會被設定為搖擺，並計算出擺動次數，以進行完整的 恆星日 或當一顆恆星到達第二天晚上相同的位置時。在整個白天和黑夜裡數 擺 的每次擺動是一項繁瑣的工作，直到恆星到達天空中相同的位置。利用固定長度的 擺 以秒為單位測量實驗和觀察的能力徹底改變了科學。
1671 年，法國科學院派 讓·裡歇 前往南美洲 法屬蓋亞那 的 凱延 市，靠近 赤道。雖然被設定為觀察夜空中 火星 的位置以計算地球到火星的距離，但 讓·裡歇 還帶了一個固定長度的 擺，該長度為 巴黎 在完整的 恆星日 內的擺動次數而算出。在法屬蓋亞那，他做了同樣的實驗，並確定這兩個城市的擺動次數不同。此前人們認為，唯一改變擺動速度的東西是擺的長度。這個奇怪的實驗，以及類似的實驗，導致了關於 克里斯蒂安·惠更斯 提出的慣性矩的基本科學概念。
慣性矩等於物體的質量乘以從質心到旋轉軸的距離的平方，即
艾薩克·牛頓，克里斯蒂安·惠更斯 的同時代人和朋友，意識到這兩個地方擺的擺動次數差異是因為每個城市距離地球質量中心的半徑略有不同。巴黎更靠近地球中心，而凱延市更靠近赤道，距離地球中心更遠。因此，擺的擺動速度是由於這兩個城市地球重力加速度的差異。
每次擺動的時間長度
其中 L 是擺的長度，g 是當地重力加速度。該公式僅適用於擺幅較小的擺，並且具有固定的 慣性矩。（如果您讓擺在加速的汽車中劇烈搖擺，則需要使用更復雜的公式）。巴黎的擺的長度，它導致 1 秒的擺動，幾乎被正式定義為 1 米 的正式長度。然而， 米 的長度被選為 巴黎子午線，官方的 1 秒擺長度為 0.9937 米，成為大多數鐘錶中的標準。然而，該長度進行了微調，以考慮地球重力的變化，這也是 1791 年設計 公制系統 時，1 秒擺沒有被用作 1 米的標準單位的原因之一。
艾薩克·牛頓 和 克里斯蒂安·惠更斯 對擺的研究證實了地球的重力表現為一種 加速度。演示這種加速度的一種方法是想象一輛汽車裡的擺。擺和汽車在比賽開始之前都是靜止的，但一旦比賽開始，汽車就會沿著賽道加速，汽車裡的擺會由於賽車加速的 慣性 而向後拉（司機也會這樣做）。然而，如果汽車以恆定速度（速度）行駛，加速度為零，只要汽車不改變其速度，並且沒有任何物體接觸擺，那麼汽車內的擺將保持靜止，即使汽車以高速行駛。艾薩克·牛頓意識到地球的重力就像一輛加速的汽車裡的擺一樣。因此，我們將 地球的重力 稱為 重力加速度，在數學公式中用小 g 表示。
世界上最令人驚歎的實驗之一，已被全球各地複製，就是使用大型擺錘來演示地球自轉運動，以及一種計算緯度的方法。 該實驗最早由萊昂·傅科（陀螺儀的發明者）完成，他希望透過它來觀察地球自轉。 然而，他最出名的還是他的擺錘實驗。 傅科在他的閣樓上建造了一個非常長的擺錘，透過將一根繩子系在擺錘末端，設定一個振幅，並用火焰燃燒繩子，使擺錘在沒有任何晃動的情況下運動。 他觀察了擺錘的運動，發現它開始非常緩慢地旋轉。 這種旋轉運動的原因是擺錘沒有移動，而是他腳下的地面在移動，隨著地球的自轉！
在一個著名的演示中，萊昂·傅科在巴黎先賢祠建造了一個巨大的擺錘，並向公眾展示了擺錘在巴黎會以 31.8 小時的週期圍繞一個圓圈旋轉。 在其旋轉的每個點上，擺動的擺錘都會標記一個路徑。 這種旋轉發生的時間長度與緯度位置有關，因為位於北極或南極的大型擺錘會在 23 小時 56 分鐘 4.1 秒內標記地球自轉的路徑。 但是巴黎的緯度為北緯 48.8566°，地球在擺錘下方的旋轉更大，並且越接近赤道，這種旋轉就越長，直到它在接近赤道時不再旋轉。
原因是赤道沒有旋轉，是因為擺錘的參考平面和旋轉的地球是相同的，而在地球的極點，擺錘下方旋轉的地球以順時針方向繞擺錘旋轉或在南極以逆時針方向旋轉。 如果您曾經觀察過傅科擺一段時間，您會感覺到一種眩暈感，因為您意識到擺動的擺錘的運動並沒有移動，而是地球在移動。 一個傅科擺今天仍在巴黎先賢祠執行，以及世界上其他許多地方，因為這種演示驗證了地球的自轉運動。
萊昂·傅科可能最出名的是他在巴黎先賢祠的擺錘，但他發明了一些會徹底改變科學的東西，這與他對地球自轉運動的痴迷有關，它涉及使用旋轉鏡來測量光速，這是歷史上第一次。
該裝置由一束光照射到一個旋轉的鏡輪上組成，該鏡輪將一束光反射到一個靜止的鏡子上，該鏡子將光反射回旋轉的鏡子組。 在光從靜止的鏡子反射回旋轉的鏡輪所花費的時間裡，旋轉的鏡子會以稍微不同的方向略微移動。 這種變化導致一束光不會直接反射回原始光源，而是以一個輕微的角度偏轉，具體取決於旋轉的鏡輪的速度。 使用這種簡單的裝置，萊昂·傅科計算出光速接近其現代確定的值，即每秒**299,792,458 米**，他發現的值在 2.98 億到 3 億米每秒之間！
光一直困擾著科學家，因為它似乎既表現為粒子，有時又表現為波。 1801 年，托馬斯·楊進行了一個簡單的實驗。 他在一個盒子上切了兩個縫，將光照射穿過這些縫，並觀察到兩束光照射到附近牆壁上的光束像經過的波浪的漣漪一樣相互干擾。 當兩塊石頭同時掉入湖中時，會觀察到類似的現象，漣漪會隨著它們從掉落的石頭中輻射出來而相互干擾。 如果光是一種波，正如這個實驗所表明的那樣，那麼光波必須穿過某種介質，科學家稱之為以太。 以太的存在很難證明，但兩位美國科學家阿爾伯特·A·邁克爾遜和愛德華·W·莫雷終身致力於使用光速和地球自轉來證明以太的存在，但他們失敗了。
受擺錘運動的啟發，光速必須根據地球自轉的運動而變化。 在赤道，如果一個人在南北方向照射光，另一個光束在東西方向照射光，光速應該不同，因為地球以每小時 1,040.45 英里（1674.44 公里/小時）的速度在東西方向旋轉。 就像擺錘的運動一樣，光應該在以太的“風”中，因為波在逆著地球自轉方向傳播時，應該表現出差異。
1887 年，阿爾伯特·A·邁克爾遜和愛德華·W·莫雷在儘可能精確地測量了空氣真空中的兩個不同方向的光速，每次他們都發現相同的結果，兩個光速，無論它們的方位如何，都完全相同！ 似乎沒有不可見以太，但光速與地球引力不同，似乎是一個常數。 這是怎麼回事？
邁克爾遜-莫雷實驗是最著名的失敗實驗之一，雖然它沒有證明以太的存在，但它導致了科學上的重大突破。
這個問題的解決方案由一位名叫亨德里克·洛倫茲的才華橫溢的荷蘭科學家解決，他建議實驗失敗的原因是測量的距離略有不同，因為地球的速度或速度不同。
為了用數學方法證明這一點，亨德里克·洛倫茲設想了兩束在不同但恆定速度下在鏡子之間彈跳的光束。 如果兩面鏡子之間光速保持不變，並且如果知道兩束光束的恆定速度，那麼運動較快的光束的路徑將走更長的距離，因為當光傳播時，鏡子將相對於運動較慢的或靜止的光束移動。 光束的速度越快，它在鏡子之間必須走的路徑就越長，並且為了在相同的時間內完成這條路徑，這表明時間是相對於速度的。 在一系列稱為洛倫茲變換的數學方程中，洛倫茲計算了時間膨脹，也稱為長度膨脹，表示式為
其中 v 是沒有加速度的物體的速度（例如旋轉的地球），c 是光速。 這個數字越大，一米的長度就越短，時間就越長。 對這個數學方程進行圖形化顯示，當速度小於光速的一半時，得到的值很低，但當速度接近光速時，值非常高，並且當物體的速度達到光速時，值達到無窮大並崩潰。
這可能是你見過的最令人恐懼的等式，因為它從根本上決定了宇宙中任何有質量物體運動的普遍速度限制。根據洛倫茲變換，任何有質量的物體都不可能比光速更快，而且距離太陽最近的恆星距離地球超過4光年（約25萬億英里）。如果以地球當前的銀河系運動速度439,246英里/小時發射一枚火箭進入太空，那麼這枚火箭將需要大約6,500年才能到達最近的恆星，這遠遠超過你的壽命。儘管科幻電影和電子遊戲中描繪了宇宙中的距離很短，很容易旅行，並且充滿了外星人，但這些想象僅僅是美好的願望。地球將永遠是你的家園。你註定要困在這裡。
邁克爾遜-莫雷實驗仍在不斷複製，最近的一次是在雷射干涉引力波天文臺（LIGO），它是一套位於華盛頓州和路易斯安那州的兩個天文臺，分別測量兩個朝向不同方向的鏡子之間的距離。這兩個相隔4公里的鏡子之間的距離變化，透過觀察光波頻率的變化（精確到單個原子的寬度）來極其精確地測量，這是由於距離地球數百萬光年的超大質量黑洞和中子星碰撞產生的引力波造成的。我們可能無法訪問這些地方，但我們可以在地球上觀察它們，因為引力波像幾乎無法察覺的波紋一樣在光線中閃爍。
洛倫茲變換被洛倫茲的一名學生，年輕的阿爾伯特·愛因斯坦深入研究，他在洛倫茲的幫助下，於1905年在他的論文《論動體的電動力學》中提出了他的狹義相對論理論。洛倫茲和愛因斯坦都展示了你的時間概念如何與你的運動相關聯，或者更準確地說，與地球的速度相關聯。你的時間感與地球在空間中的運動交織在一起。在1905年發表狹義相對論幾個月後，愛因斯坦提出了一個大問題，這個光速常數與質量和能量有什麼關係？這導致了愛因斯坦著名的方程。其中E代表能量，m代表質量，c代表光速，但在你學習更多關於愛因斯坦這個著名方程的資訊之前，你需要學習更多關於地球的能量和物質的資訊。
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