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