Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Французский ученый Жан-Бернар-Леон Фуко (1819–1868) родился в Париже. Мальчишкой он мастерил механические игрушки, затем занялся медициной с тем, чтобы в дальнейшем применить свои практические таланты в хирургии, однако вскоре обнаружил, что не выносит вида крови и зрелища человеческих страданий. Он заинтересовался механическими инструментами и изобретениями; воображением Фуко завладел процесс фотографии, изобретенный его земляком Луи Дагером. В этом деле он смог успешно реализовать свои способности изобретателя. Его помощником стал еще один бывший студент-медик Ипполит Физо, и они вместе начали работать над усовершенствованием изобретения, которое сегодня известно под названием дагеротипа и являлось предшественником современной фотографии. В 1845 году они оба сделали первый отчетливый снимок Солнца. Затем, в 1850 году – вначале совместно, впоследствии же (рассорившись) по отдельности, – прежде чем приступить к измерению абсолютной скорости света в воздухе, они доказали, что скорость света в воздухе выше, чем в воде. Несколько позже Фуко также внес значительный вклад в создание зеркал для телескопов.

Фуко удалось сделать несколько первых фотографий звезд – настоящий технический подвиг для того времени. Обычно слабо светящиеся объекты фотографируются путем открывания затвора фотоаппарата на несколько минут. Но из-за вращения Земли вокруг своей оси создается впечатление, что звезды медленно движутся по небосводу: это делает невозможным фотографирование небесных тел способом очень долгой выдержки. Вместо этого Фуко возродил некогда отброшенную идею и изготовил похожее на часы устройство, управляемое маятником, с помощью которого можно удерживать камеру направленной на звезду в течение достаточного для экспозиции времени. Правда, вместо обычного диска на подвесе он использовал металлический стержень, который раскачивался подобно маятнику.

Бо́льшая часть этого оборудования была сделана в лаборатории, которую Фуко устроил в своем парижском доме на Рю-д’Асса. Однажды он вставил упругий длинный стержень в патрон ручного токарного станка. Заставив стержень колебаться, он медленно повернул ручку станка и с удивлением обнаружил, что стержень продолжает колебаться в той же плоскости, что и первоначально. Это пробудило в Фуко любопытство ученого, и он начал экспериментировать с более традиционным маятником – грузом сферической формы, подвешенным вертикально на рояльной струне. Он зажал струну в вертикально направленный патрон сверлильного станка, качнул маятник и включил станок. Маятник также продолжал колебаться в прежней плоскости.

На самом деле, как представляется, в описываемом феномене нет ничего особенно удивительного. В соответствии с законами Ньютона тело, движущееся по инерции (к примеру, груз маятника), должно сохранять направление движения до тех пор, пока на него не начнет воздействовать некая сила, которая вынудит его это направление изменить. Так как вращение зажимного патрона не было приложением силы к стержню или маятнику, то и тот и другой продолжали колебаться в первоначальном направлении. Однако же неудивительное вполне может стать неожиданным. Вскоре Фуко понял, что, если маятник увеличить до более внушительных размеров, обнаруженное явление можно использовать для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси.

Позднее он довольно элегантно подытожил тот процесс рассуждений, результатом которого стал прославленный маятник. Представьте, что небольшой маятник установлен на столе, на свободно и плавно вращающемся блюдце. У нас получилось то, что Фуко называл petit theâtre [12] , и сейчас мы устроим в нем представление. Блюдце выполняет роль Земли, а окружающая комната – всей остальной Вселенной. Запустим маятник, повернув его по направлению к двери, а затем начнем медленно вращать блюдце. Что произойдет? Можно предположить, что плоскость колебаний маятника будет вращаться вместе с основанием, на котором он находится. Erreur profonde! [13] Плоскость колебаний – не некий материальный предмет, прикрепленный к блюдцу. Благодаря инерции маятника плоскость его колебаний независима от блюдца. Теперь она, если можно так выразиться, «принадлежит» не столько блюдцу, сколько пространству вокруг него. В какую бы сторону мы ни повернули блюдце, маятник будет по-прежнему указывать на дверь.

Из этого представления в нашем маленьком театрике видно, что как бы мы ни поворачивали блюдце, плоскость колебаний маятника останется неизменной. Но представьте, говорит Фуко, что мы сделали наш маленький театр очень большим. Представьте, что мы – а также вся остальная часть комнаты и все, что мы видим вокруг нас, кроме солнца, планет и звезд, – все это находится на вращающемся блюдце. И тогда у нас возникнет ощущение, что мы неподвижны, а меняется плоскость колебаний маятника.

И вновь erreur profonde ! На самом-то деле вращаемся мы сами. Однако Фуко этого недостаточно, он вносит добавочное усложнение. Наш маленький маятник находится в центре плоского блюдца, поэтому в ходе полного оборота плоскость маятника повернется на 360 градусов. Маятник, у которого вместо блюдца Земля, находится на самом деле не на плоской поверхности, а на поверхности сферы. В зависимости от того, на какой широте между полюсом и экватором находится маятник, вращение сферы по-разному отобразится в повороте плоскости колебаний маятника. И, наоборот, в зависимости от широты местонахождения сфере надо поворачиваться на разные углы, чтобы плоскость колебаний маятника совершила полный оборот. Проделав соответствующие расчеты, Фуко пришел к выводу, что число градусов, на которые повернется плоскость колебаний маятника за двадцать четыре часа, составит 360, помноженное на синус широты (это один из способов определения широты местонахождения наблюдателя на земной поверхности). Однако здесь важны не детали вычислений, а сама возможность наглядной демонстрации следствий вращения Земли.

Далее Фуко задался вопросом, можно ли с помощью маятника наблюдать вращения Земли. Он подвесил маятник к своду своего подвала, воспользовавшись тонкой проволокой шести с половиной футов длиной и одиннадцатифунтовым диском. В пятницу 3 января 1851 года он в первый раз испытал устройство. Чтобы добиться равномерного и ровного качания, ученый подтянул диск к стене хлопчатобумажной бечевкой, сделал его полностью неподвижным, а затем пережег бечевку свечой. Несмотря на то, что эксперимент прошел в общем удачно, проволока в конце концов оборвалась. Пять дней спустя, в среду, 8 января 1851 года, в 2 часа ночи, Фуко вновь запустил маятник и уже через полчаса обнаружил, что «смещение заметно невооруженным глазом» и что «маятник повернулся в направлении дневного движения небесной сферы»94. При характерной для Фуко методичности ему было «гораздо интереснее исследовать феномен во всех подробностях, чтобы убедиться в его постоянстве»95, нежели планировать более масштабную версию своего эксперимента. Он поместил на полу указатель и менее чем через минуту заметил, что плоскость качания маятника сместилась влево от наблюдателя, что означало, что она движется вместе с видимым движением небесного свода.

Через несколько недель Фуко записал:

«Феномен спокойно раскрывает свои особенности. Он совершенно очевиден и универсален… Наблюдая за тем, как он родился и рос, мы поняли, что не в силах экспериментатора ускорить или замедлить это движение… Любой, кто наблюдает его… на несколько секунд замолкает и впадает в задумчивость. Постепенно наблюдателя охватывает острое непреодолимое ощущение нашего непрерывного движения в пространстве»96.

Вскоре после проведения упомянутых экспериментов директор Парижской обсерватории попросил Фуко повторить эксперимент в sale méridienne обсерватории – центральном зале, расположенном точно на меридиане. Фуко воспользовался тем же самым диском, но струну удлинил до 36 футов. Это было удобнее, так как маятник с более длинной струной раскачивается с большей амплитудой, на него меньше воздействует трение воздуха и трение в точке крепления к потолку, и поэтому удобнее следить за тем, как он изменяет направление.

Ровно месяц спустя после начала экспериментов, 3 февраля 1851 года, Фуко сделал во Французской академии наук доклад о результатах своей работы. Академия разослала на это мероприятие приглашения потрясающего содержания: «Вы приглашаетесь в центральный зал Парижской обсерватории, чтобы увидеть вращение Земли». Фуко сообщил присутствующим, что большинство ученых, изучавших в прошлом поведение маятника, обращали внимание на частоту его колебаний. Исследования Фуко были сосредоточены на плоскости колебаний. Затем, когда маятник начал качаться, ученый попросил слушателей поучаствовать в мысленном эксперименте, описание которого приведено выше: представить себе, что на Северном полюсе установлен «предельно простой» маятник, который затем запустили и «предоставили действию сил гравитации». А так как Земля, «не переставая, вращается с запада на восток», плоскость колебаний будет смещаться влево от наблюдателя, так, словно бы маятник прикреплен к самим небесам.