Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Криз Роберт

Маятник был установлен в 1934 году, когда Институт Франклина – точнее, научный музей – переехал в свое нынешнее здание. Установка маятника стала поводом для необычной демонстрации. Проволоку, весившую всего девять фунтов, нельзя было скатывать, а нужно было держать вытянутой во избежание возникновения загибов и растяжений, которые могли бы так или иначе помешать ее равномерному движению. В результате ее полностью вытянутой несли по улицам Филадельфии от места изготовления до нового здания. Медленная странная процессия из одиннадцати человек, несущих длинную проволоку, сопровождалась эскортом полиции и вереницей изумленных зевак и репортеров93.

Маятник в Институте Франклина сигнализировал об изменении направления колебаний тем, что примерно каждые двадцать минут сбивал один из четырехдюймовых стальных колышков, расставленных на полу двумя полукругами вдоль внешней окружности

компаса. Посещая музей, я частенько отходил от других экспонатов и присоединялся к толпе зрителей, наблюдающих за качанием серебряного шара и внимательно следящих за колышками в надежде увидеть, как один из них упадет. Вначале шар только задевал за колышек, от чего тот начинал покачиваться. Еще через несколько колебаний колышек уже заметно шатался. Еще ряд колебаний – и от очередного удара шара колышек едва удерживался в вертикальном положении. Но ненадолго! Еще одно или два колебания – и колышек опрокидывался, а шар начинал подбираться к следующему. Порой я просто смотрел на сам маятник, пытаясь почувствовать то, что рассказывала табличка: вообразить, как движемся я и пол у меня под ногами. По причинам, которые я так и не смог до конца понять, мне ни разу не удалось ощутить это полностью, хотя от маятника у меня навсегда осталось ощущение тайны и мистического благоговения.

Движения маятника, неподконтрольные человеку, стали для меня самым главным воплощением всесилия законов природы. Единственное человеческое воздействие на маятник заключалось в том, что сотрудник музея ежедневно в десять утра, перед самым открытием экспозиций, запускал маятник, и тот начинал раскачиваться в направлении север-юг. Иногда я приезжал в музей очень рано и, едва распахивались двери, со всех ног бежал к лестничному пролету, чтобы увидеть момент запуска маятника. Но я всегда опаздывал. Однажды я узнал, что один из сотрудников музея решил в качестве подарка сыну на день рождения позволить ему самому запустить маятник. Как же я завидовал этому мальчишке! Другие ребята мечтают, чтобы им позволили сделать первый удар в бейсбольном матче. Я же всегда мечтал запустить маятник Фуко.

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.