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

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,

«во время морских сражений у Фолклендских островов в начале Первой мировой войны британские артиллеристы с удивлением обнаружили, что выпущенные ими снаряды все время ложатся левее цели – германских кораблей. Англичане руководствовались имевшимися у них артиллерийскими таблицами стрельбы, составленными с учетом формулы Пуассона, однако не учли того, что находятся в Южном полушарии и потому направление корректировки должно быть противоположным тому, к которому они привыкли в Северном!»100

Тот же принцип, на котором основан маятник, Фуко применил и в гироскопе (он же предложил и название устройства). Гироскоп состоит из вращающегося колеса, установленного на шарнирном подвесе таким образом, чтобы дать ему возможность свободно поворачиваться независимо от положения подвеса; ось вращения гироскопа сохраняет постоянное направление. Совершенно правильно, но на несколько десятилетий опережая события, Фуко предсказывал, что его изобретение можно будет использовать в качестве прибора для определения ориентации. Принцип гироскопа обнаруживали и ранее в связи с исследованиями самых разных явлений. Ученые, к примеру, выяснили, что обычные домашние мухи находят правильное направление с помощью особых крошечных органов в форме жестких стебельков (задние остаточные крылья), известных под названием «жужжальца»101.

В настоящее время маятники Фуко представлены в музеях истории науки, университетах и других учебных заведениях. За последние полвека в мастерской при Калифорнийской академии наук было изготовлено около сотни маятников Фуко для различных учреждений во многих странах и регионах мира, включая Турцию, Пакистан, Кувейт, Шотландию, Японию и Израиль. Часто заказчики приобретают лишь основные компоненты маятника, а затем составляют из них собственные стилизованные варианты102.

Маятник в Бостонском музее науки раскачивается над ярко разукрашенной моделью ацтекского каменного календаря, а его диск проходит над головой солнечного бога Тонатиу. Вокруг маятника в Публичной библиотеке Лексингтона, штат Кентукки, который был запущен в ходе специальной церемонии в новогоднюю полночь 2000 года, на полу вместо традиционных колышков размещены сенсорные устройства для контроля его движения. В детской больнице Монтефиоре в Нью-Йорке скульптор Том Оттернисс разработал особый дизайн диска и помещения, в котором находится маятник. Диск выглядит как перевернутая улыбающаяся рожица в конусообразной шляпе, которая своим заостренным концом ударяет по колышкам. А раскачивается маятник над рельефной картой мира, изготовленной из серебра и бронзы. В центре карты – Бронкс, где и располагается больница. Кроме того, различные бронзовые скульптуры, составленные из геометрически правильных блоков, в различных комических позах прикреплены к диску, струне маятника, к ограждению, а также расставлены по всему пространству помещения. Ни один посетитель больницы не проходит равнодушно мимо маятника, но обязательно начинает расспрашивать о нем.

Больница Монтефиоре – лишь одно из множества учреждений, где маятник Фуко установлен над картой, в центре которой – само это учреждение. Главная идея, выражаемая им, заключается в том, что все в нашем быстро меняющемся мире пребывает в движении, а значит, все в этом мире едино. Конечно же, нельзя не вспомнить маятник Фуко, находящийся у главной лестницы вестибюля в штаб-квартире Организации Объединенных Наций в Нью-Йорке. Маятник представляет собой позолоченную сферу в 200 фунтов весом и 12 дюймов в диаметре, подвешенную на струне в 75 футов длиной. В Смитсонианском институте, национальном музее США, раньше также был выставлен маятник Фуко, но его убрали после реставрационных работ, и сейчас он находится в запасниках музея103.

Как и в случае с экспериментами Юнга, изготовить маятник Фуко совсем не так просто, как кажется на первый взгляд. При публичных демонстрациях подобных маятников основной проблемой становится защита устройства от посетителей, которые непременно желают потрогать диск. И даже при том, что маятник является одним из простейших научных устройств, в обычной обстановке на него негативно воздействуют самые разные факторы: воздушные потоки, особенности внутренней структуры струны, характер ее крепления и то, как запускается диск. Многое из перечисленного легко приводит к падению скорости маятника или к тому, что он начинает раскачиваться «восьмеркой» (признаком этого является падение колышков внутрь круга). В университете Стоуни-Брук, где я преподаю, один физик, демонстрируя студентам первого курса принцип Фуко, попросил лаборанта подвесить к потолку лекционной аудитории кегельный шар, объяснил принцип собравшимся и высчитал, какой угол шар должен будет пройти за сорок минут лекции. В конце занятия он измерил отклонение и, к своему полнейшему удовлетворению, обнаружил полное совпадение с вычислениями, однако… его маятник отклонился в противоположном направлении от предполагаемого! Ошибка, вероятно, была следствием сочетания каких-то нарушений при его подвешивании и воздействия воздушных потоков в продуваемой насквозь аудитории.

Маятники Фуко сильно отличаются от других музейных экспонатов. Одно из важнейших отличий – их величина. Маятник нельзя заключить в специальный шкаф или в стеклянный стенд, ему требуется огромное открытое пространство, типа церковного нефа или широкого лестничного пролета. Маятник не разбрасывает искр, не создает лишнего шума и гула, а движется с торжественной величавостью. И самое важное, пожалуй, это то, что маятник абсолютно не интерактивен, он совершенно «игнорирует» окружающих его зрителей, при этом открывая нам нечто такое, что полностью противоречит нашей интуиции и вообще человеческому опыту. Именно эта особенность, скорее всего, и создает незабываемое впечатление, производимое маятником Фуко.

Так и я не могу забыть свой первый маятник Фуко в Институте Франклина. Каждый день он качался совершенно одинаково, но я всякий раз неизменно приходил в восторг от его удивительной простоты и совершенства. Он двигался, хотя при этом оставался неизменным. Он перемещался в пространстве, убеждая меня, что на самом деле перемещаюсь я сам. Я смотрел на него, и он в своем движении отражал мое собственное движение и движение всего, что меня окружало. Он пробуждал во мне ясное и сильное ощущение, смысл которого я так до конца и не смог постичь, – ощущение ограниченности и иллюзорности моего восприятия и опыта.

Красота – только первый укол

ужаса,

переносимый,

но как сердце зашлось,

оттого что мы поняли холод,

с которым она отстранилась,

чтоб нас не разрушить.

Р.-М. Рильке, из «Дуинских элегий» [15]