История науки: колебания, убедившие всех

О знаменитом эксперименте, его немалых последствиях и о том, чем известен Фуко помимо маятника, рассказываем в нашей рубрике «История науки».

В начале января 1851 года французский физик Леон Фуко в подвале своего дома поставил опыт, который, как он тогда еще не догадывался, повторит множество людей по всему миру. К потолку подвала он подвесил на проволоке длиной два метра тяжелый латунный шар и осторожно качнул его. Фуко уже знал, что маятники сохраняют плоскость колебаний вне зависимости от изменения положения в пространстве того, к чему они прикреплены (при условии, что способ крепления нити минимально влияет на направление колебаний), и что таким образом можно продемонстрировать вращение Земли — она вместе с подвалом повернется вокруг этой плоскости. Через некоторое время физик заметил, что плоскость качания маятника действительно отклоняется от первоначальной.

Уже через несколько дней Фуко повторил свой опыт в Парижской обсерватории по приглашению ее директора, физика и астронома Франсуа Араго. Здесь можно было взять подвес подлиннее — 11 метров. Ученый определил, что скорость вращения плоскости колебаний зависит от географической широты и (для неидеального маятника) от длины подвеса.

Похожие эксперименты в 1661 году проводил ученик Торричелли и Галилея, физик и математик Винченцо Вивиани. А уж свидетельства наблюдения за движением маятника находят и вовсе еще у Плиния Старшего (I в. н. э.). Однако ни один подобный опыт до Фуко не привлекал столько внимания коллег-ученых и публики.

Рассказы об экспериментах Фуко распространились быстро, и уже в марте по просьбе самого президента Франции Луи Наполеона физик провел ставшую уже всемирно известной демонстрацию в Пантеоне. Там он смог использовать стальную проволоку длиной 65 метров и маятник массой 28 кг. На одно колебание (14 метров) уходило 16 секунд. На полу под точкой крепления был очерчен круг и вдоль него была насыпана песчаная дорожка, на которой оставляло следы острие маятника. За каждое колебание маятника засечки сдвигались на 2,5 мм, а полный круг он делал почти за 32 часа.

Эксперимент притягивал в Пантеон толпы людей, желающих своими глазами увидеть столь наглядное доказательство вращения Земли. Это стало началом настоящей «маятникомании». Опыт повторяли в частных домах, лабораториях, в правительственных зданиях, отелях и университетах. В газеты приходили кипы писем с просьбами устроить демонстрацию еще где-нибудь и пояснить результаты опыта. Вскоре свои маятники завели многие планетарии и университеты. В начале 2000-х годов эксперимент провели на антарктической станции Амундсен — Скотт, находящейся на Южном полюсе. Как и предсказывал и сам Фуко, период вращения плоскости колебаний на полюсе был минимальным — 24 часа.

В принципе, в успехе опыта как будто и нет ничего удивительного: Леон Фуко был одним из лучших экспериментаторов своего времени и просто разносторонней личностью. Он намеревался стать врачом, но, обнаружив, что боится крови, отказался от этой идеи. Фуко получил не очень хорошую подготовку по математике и естественным наукам и многое изучал самостоятельно, заинтересовавшись экспериментами.

Фуко изучал бинокулярное зрение, исследовал открытые тем же Араго вихревые токи, теперь носящие его имя, интересовался фотографией, тогда называвшейся дагерротипии, и усовершенствовал процесс получения снимков. Это увлечение привело к знакомству с другим физиком, Ипполитом Физо. Вместе они провели много экспериментов по оптике. Они изучали, как воздействует на дагерротипную пластинку свет различных частей спектра, сравнивали интенсивность излучения различных источников света (Солнца, дуговой лампы и др.), исследовали интерференцию и поляризацию света.

Однако самые значительные их эксперименты касались измерения скорости света. В своих опытах они воспользовались устройством, конструкцию которого разработал физик Чарльз Уитстон для измерения скорости электрического тока. На некотором расстоянии друг от друга помещались источник света и зеркало, между ними — вращающиеся шестеренка (в установке Физо) или еще одно зеркало (у Фуко). Зная расстояние, которое должен пройти свет (от источника до зеркала), а также частоту вращения предмета посередине, который то закрывал, то освобождал путь для него, исследователи могли приблизительно вычислить скорость света. Результат зависел как от точности оборудования, так и от размеров установки. На тот момент экспериментаторы получили значение 298 000 км/с. Позднее на схожих по конструкции приборах большего размера (до 35 км против 20 метров у Физо и Фуко) физикам удалось уточнить значение скорости света до 299 796 км/с.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.