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