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

Немногие научные открытия удостаивались той мгновенной славы, что выпала на долю маятника Фуко. Вся просвещенная Европа в 1851 году прекрасно знала, что Земля вращается вокруг своей оси, однако доказательства этого, хотя и неопровержимые, основывались исключительно на выводах из астрономических наблюдений. Человек, не имевший в распоряжении телескопа и познаний по его использованию, никак не мог удостовериться в факте вращения Земли. С появлением маятника Фуко движение Земли сделалось зримым. Любой образованный человек, даже запертый в комнате без окон, мог бы установить факт вращения комнаты, а с помощью определенных измерений даже определить широту, на которой она находится97. Маятник, как любил выражаться Фуко, свидетельствует о данном астрономическом факте «наглядно и недвусмысленно».

Но так ли это на самом деле? Одна из удивительных особенностей маятника Фуко состоит в том, что он как раз демонстрирует двусмысленность нашего восприятия. Замечание Фуко с философской точки зрения можно рассматривать как некую уловку, ведь на самом деле ничего «наглядного» мы не видим. Это заявление отдает картезианством. Фуко исходит из того, что у него «геометрически правильное» зрение, и поэтому он сумел убедить себя в том, что способен видеть именно то, что представляет себе – идеально и геометрически. Если мы представим себе маятник, раскачивающийся на фоне Солнечной системы, в виде геометрической модели, то, как полагает Фуко, мы сможем «увидеть» вращение Земли.

На самом деле человеческое восприятие устроено гораздо сложнее. Восприятие движущихся и покоящихся объектов зависит от того, что именно мы рассматриваем в качестве переднего плана и что – в качестве фона (горизонта) данного процесса. Маятник Фуко может демонстрировать нам как Землю, вращающуюся у нас под ногами, так и маятник, поворачивающийся в гравитационном поле Земли. Этот феномен «или-или», напоминает нам французский философ Морис Мерло-Понти, похож на знакомую каждому ситуацию с поездом, стоящим на станции рядом с другим поездом на соседнем пути: когда поезд, который мы видим в окно, начинает двигаться, у нас также возникает ощущение движения. Как мы воспринимаем движение и его направление, пишет Мерло-Понти, зависит от того, с чем мы соотносим наше восприятие – с собственным поездом или с соседним – и что служит для нас фоном, или внешним горизонтом98. Чтобы увидеть движение плоскости колебаний маятника, мы должны заставить себя рассматривать маятник в качестве переднего плана, а окружающее его пространство и помещение – в качестве фона. Маятник Фуко, как и любой инструмент, демонстрирует нечто только внутри соответствующего контекста. Чтобы «увидеть» движение Земли, необходимо представить себе иной и значительно более грандиозный фон, где Земля предстанет в качестве движущегося объекта, а плоскость колебаний маятника окажется неизменной. А если бы маятник был установлен не внутри, а снаружи помещения? Можно ли было бы тогда увидеть, как Земля вращается на фоне звездного неба?

Как только новость о демонстрации в Обсерватории облетела Париж, Фуко засыпали письмами простые граждане, ученые и правительственные чиновники. Принц Луи-Наполеон Бонапарт, президент Республики, вскоре ставший императором Франции под именем Наполеона III, попросил Фуко провести публичную демонстрацию в парижском Пантеоне – соборе, ставшем усыпальницей многих национальных героев Франции. Пантеон, как писал Фуко, был идеальным местом для проведения эксперимента, который и сам, подобно Пантеону, обладал splendeur magnifque [14] 99. Чем больше по размерам маятник, тем медленнее и величественнее он движется и тем более впечатляюще демонстрирует движение мироздания. Фуко прикрепил маятник в самом центре громадного купола Пантеона. Маятник состоял из 220-футовой стальной струны и пушечного ядра в качестве диска, с небольшим заостренным штифтом внизу. По внешней окружности его движения Фуко с помощниками сделали полукруглые ограждения и насыпали слой песка, на котором штифт маятника должен был оставлять следы в ходе качания, фиксируя таким образом изменение положения маятника. Для сохранности мозаичного пола Пантеона и на случай, если струна оборвется и ядро упадет, Фуко застелил место демонстрации досками и туго набитыми мешками с песком. Это было весьма предусмотрительно, так как во время первоначальных пробных испытаний металлическая струна действительно оборвалась практически под самым куполом. Фуко и его ассистенты с ужасом наблюдали, как освободившаяся от тяжести маятника длинная струна яростно хлещет по залу. Вновь закрепив струну, они установили под куполом нечто вроде специального парашюта на случай, если она снова оборвется в том же месте.

В день публичной демонстрации опыта, 26 марта 1851 года, один из ассистентов Фуко подтянул шар маятника к стене специальной бечевкой. На сей раз бечевку пережгли не свечой, а спичкой (безопасные спички были изобретены как раз в том же году). Маятник двигался тяжело, величественно и торжественно, в каждом качании проходя двадцать футов пола и совершая свой путь взад и вперед каждые шестнадцать секунд. Тонкая струна менее полутора миллиметров в диаметре была практически не видна на фоне величавого интерьера. Блестящий шар, казалось, плавал в пустоте. Когда в конце очередного качания он достигал ограждений, штифт прочерчивал небольшую бороздку во влажном песке – и каждая новая возникала на расстоянии примерно двух миллиметров от предыдущей. На широте Парижа (приблизительно 49° северной широты) маятник каждые пять минут смещался примерно на один градус, то есть чуть больше одиннадцати градусов за час. С такой скоростью маятник должен был обойти полный круг за тридцать два часа – при условии, что за это время он не остановится.

Рис. 16. Маятник Фуко в Пантеоне с бордюрами из песка, при помощи которых показывается положение маятника в конце каждого качания

Демонстрация в Пантеоне проходила далеко не идеально. Бороздки, проделываемые штифтом, постепенно становились все шире и превратились в узкую восьмерку, скорее всего, из-за каких-то изъянов в струне или в месте крепления. Расстояние, проходимое диском маятника с каждым качанием, также уменьшалось вследствие сопротивления воздуха, хотя время, уходившее на каждое качание, оставалось неизменным (в силу изохронизма колебаний маятника, открытого Галилеем и справедливого для всех маятников с небольшой амплитудой колебаний). И тем не менее в течение примерно пяти или шести часов изменение в плоскости движения маятника было очевидным. На протяжении этого времени направление его движения смещалось влево по часовой стрелке (в Южном полушарии смещение происходило бы против часовой стрелки) приблизительно на 60–70 градусов. Восхищенный Луи-Наполеон учредил для Фуко специальную синекуру, назначив его физиком при Обсерватории и позволив перенести туда из подвала его домашнюю лабораторию.

Надо сказать, что 1851-й вообще был годом чудес. В лондонском Хрустальном дворце открылась Всемирная выставка, знаменуя собой начало новой эры в практике демонстраций и в организации пространства и времени. Чтобы по возможности отрегулировать поток публики, в билетах на выставку впервые было указано время посещения. Многие социологи ведут отсчет истории современных массовых мероприятий со времени лондонской Всемирной выставки.

Вдобавок 1851 год стал Годом маятника. Маятники Фуко распространялись по всему миру, их установили в Оксфорде, Дублине, Нью-Йорке, Рио-де-Жанейро, на Цейлоне и в Риме. Соборы с их высокими сводами и величественной атмосферой были идеальным местом для установки маятников. В мае 1851 года маятник был установлен в Реймском соборе (струна длиной 41 метр, диск весом 19,8 кг, отклонение при каждом качании более 1 мм), одном из красивейших готических соборов, где короновались короли Франции. В июне 1868 года маятник Фуко установили в Амьенском соборе, еще одном шедевре готической архитектуры. Маятник Фуко намеревались разместить и в лондонском Хрустальном дворце, однако организационные мероприятия слишком затянулись.

Один из таких маятников был представлен на парижской Всемирной выставке в 1855 году. Для этого события Фуко придумал хитроумное нововведение, с помощью которого при каждом качании диск маятника получал небольшой электромагнитный толчок, помогавший избежать убывания скорости. В том же году самый первый маятник установили в парижском Музее искусств и ремесел – учреждении, специально созданном как «хранилище новых и полезных изобретений». Маятник висит там и поныне.

Но маятник Фуко был не просто интересной публичной демонстрацией. Подобно любому научному открытию, он был бесчисленными нитями связан с прошлым и многое освещал в будущем. Историки науки, изучая тексты более ранних периодов, обнаружили, что у Фуко были предшественники. Оказалось, ученые и прежде обращали внимание на то, что груз раскачивающегося маятника медленно смещается влево. Среди них был и Вивиани, преданный ученик Галилея, первый всерьез занявшийся маятниками. Однако Фуко был первым, кто связал это смещение с вращением Земли.Тем временем сам Фуко признавал, что основная идея его изобретения принадлежит математику и физику Симеону-Дени Пуассону (1781–1840). Пуассон высчитал, что пушечные ядра в полете должны слегка отклоняться в сторону из-за вращения Земли, хотя он полагал, что это отклонение слишком мало, чтобы его можно было заметить. Пуассон также пришел к выводу, что вращение Земли должно воздействовать и на маятники, однако от него ускользнуло, что незначительное воздействие на движение диска маятника будет увеличиваться с каждым качанием, позволив движению, по выражению Фуко, накапливать эти воздействия и «перейти из области теории в область практических наблюдений». Позднее, когда дальность полета пушечных снарядов возросла, артиллеристам пришлось учитывать «эффект Пуассона». По словам физика Ричарда Крэйна,