Наверх
21 октября 2019
USD EUR
Погода

Убедительное колебание: к 200-летию со дня рождения Леона Фуко

Завтра Вы приглашаетесь в Меридианный зал Парижской обсерватории, чтобы с трех до пяти пополудни наблюдать вращение Земли,” — такое извещение Леон Фуко отправил 2 февраля 1851 парижскому ученому бомонду накануне демонстрации своего опыта с маятником. Сам он впервые наблюдал его в ночь с 5 на 6 января в подвале собственного дома на перекрестке улиц Асса и Вожирар. Тех самых, по которым “предаваясь любовным мечтам, разговаривая с ночным небом и улыбаясь звездам,” пылкий Д’Артаньян спешил на встречу с Констанцией Бонасье.

Жан-Бернар Леон Фуко родился в Париже 18 сентября 1819. Его отец был книгоиздателем; он умер, когда сыну было всего 10 лет. Леон остался с матерью, с которой проживет всю жизнь (он так и не женился). Мальчик рос болезненным и часто пропускал школу. С учебой у него вообще не ладилось. Жюль-Антуан Лиссажу, друг детства и всей жизни, будущий академик (его именем названы “фигуры Лиссажу”) вспоминал: “Ничего в нем не говорило о том, что однажды он станет великим: у него было слабое здоровье, мягкий, замкнутый, даже боязливый характер”. Но зато у Леона были золотые руки — ему всегда нравилось что-то мастерить, возиться с инструментом, работать на станках.

По настоянию матери Леон пошел учиться на врача. Но оказалось, что при виде крови он падает в обморок. По совету и под руководством известного бактериолога Альфреда Донне он стал лаборантом на кафедре гистологии. Начало 1840-х — это время повального увлечения дагерротипией. Леон со своим школьным другом и коллегой всей жизни, еще одним будущим академиком, Ипполитом Физо, ходят на демонстрации Луи Дагера и сами экспериментируют с фотографией. Они придумали, как повысить чувствительность амальгамы, и сумели заметно сократить время экспозиции. До наших дней дошел снимок Солнца, сделанный ими 2 апреля 1845. Это первое четкое изображение поверхности светила, где ясно видны солнечные пятна — задача, с которой не сумел справиться Дагер.

А на кафедре, где работает Леон, занимаются перспективным, но очень сложным, направлением — микрофотографией — пытаются получать изображение тканей под микроскопом. Тут-то и пригодились инженерные таланты Фуко. Он придумал множество усовершенствований и, самое главное, сумел заменить электричеством светильный газ, использовавшийся для подсветки препаратов. В 1844-м Фуко первым сконструировал дуговой источник света, в котором электромагниты регулировали расстояние между электродами по мере их выгорания. В 1845 году Донне опубликует свой фундаментальный “Курс микроскопии для медицинских исследований” с “Атласом микро-дагерротипов Леона Фуко”. Это первое в мире издание с микрофотографиями. В том же году Донне передаст Фуко пост научного редактора в “Газете дебатов” — влиятельном консервативном издании, просуществовавшем от начала Великой французской революции вплоть до 1944 года.

А “дуга Фуко” произведет не только переворот в микрофотографии, но и настоящий фурор на сцене, дебютировав в Парижской опере “в роли восхода солнца”, к полному восторгу французской публики.

Между тем, Фуко и Физо уже работают над новой проблемой — измерением скорости света. Это была амбициозная задача. Кеплер, Декарт и многие другие полагали, что скорость света бесконечна: свет распространяется мгновенно, и мы сразу видим, что произошло, где бы это ни происходило. Галилей допускал, что это может быть не так. В 1672 году, работавший в Парижской обсерватории итальянский астроном Джовани Кассини, заметил, что время, когда тень Юпитера накрывает его спутник Ио, постоянно меняется (разница составляла до 22 минут). Он поделился своими наблюдениями с коллегой по обсерватории, датчанином Олафом Рёмером. Через четыре года Рёмер понял, что отклонения связаны с тем, насколько Земля, двигаясь по своей орбите, отдаляется от Юпитера. И если прав Галилей, то это как раз то время, которое нужно свету, чтобы пересечь орбиту Земли. Но Рёмер не знал точный диаметр этой орбиты, поэтому дал только приблизительную оценку. Расчет сделает чуть позже голландец Христиан Гюйгенс.

К середине XIX века было уже понятно, что скорость света должна быть конечной (хотя фундаментальных выводов из этого пока не делали). Но все доказательства были косвенными и астрономическими. Кроме того, было неизвестно, с какой скоростью свет распространяется в различных средах, а отсюда и крайне увлекательный вопрос о том, через что он распространяется в космосе.

Вообще, найти скорость очень просто: нужно расстояние разделить на время. Считается, что первым скорость света в земных условиях измерил Физо в июле 1849-го. Физо и Фуко работали вместе. Теоретически тривиальная задача была чрезвычайно сложной технически. На тот момент во всей Европе нашлось бы, пожалуй, всего несколько человек, кому это было под силу. Та же история повторится чуть позже с маятником. Нужен был инженерный гений Фуко чтобы не только придумать, как сделать, но и воплотить идею в материале.

Физо использовал большие зеркала, которые он расположил на расстоянии 8633 метров: одно на крыше своего дома, другое — на Монмартре. И получил результат 315 тысяч километров в секунду. Это была победа. Фуко пошел другим путем. Франсуа Араго посоветовал ему попробовать идею английского физика Чарльза Уитсона (среди прочего, изобретателя электромагнитного телеграфа и стереоскопа). У Фуко получилась установка размером всего 4 метра; в ней использовались маленькие зеркала, вращавшиеся со скоростью 800 оборотов в секунду. Для этого пришлось сконструировать специальную паровую машину и попутно решить множество технических задач. Зато она не занимала много места, и не требовала сложных вычислений расстояний на местности. Но, самое главное, с её помощью можно было измерять скорость света в различных средах. Что Фуко и сделал. Результаты, подтверждающие волновую теорию света, он представил уже в апреле 1850-го, а в 1862 году опубликует “свою” скорость света в вакууме: 298 тысяч ± 500 км/с.

При всей своей скромности, Фуко резонно полагал, что заслуживает научного признания. Его активно поддерживали друзья, уже получившие порцию почестей и славы, и некоторые влиятельные лица. Однако, ученый бомонд не спешил признавать Леона Фуко. В их глазах он был просто талантливый самоучка, не имевший даже высшего образования. Фуко писал в Академию, в правительство. И еще много писал в “Газету дебатов”, где вел отдел науки (а литературным редактором был Александр Дюма); у Фуко был настоящий талант популяризатора. Но главной отдушиной стала для него новая задача — вращение Земли.

В том, что Земля круглая и вращается вокруг своей оси, в то время уже никто не сомневался. Задачи были, скорее, практические: нельзя ли использовать это вращение, чтобы определить координаты места, где мы находимся? И Фуко нашел ответ — маятник. Хотя возможно, всё было с точностью до наоборот: изучая колебания маятника, Фуко понял, как их можно использовать на практике.

Считается, что маятник “открыл” Галилей. Его ученик Винченцо Вивиани (сначала он работал с Торричелли, с которым поставил классический опыт по измерению атмосферного давления) рассказывает, что в 1583 году Галилей, которому тогда было всего 19 лет, во время богослужения в Пизанском соборе обратил внимание на то, как раскачивается подвешенная к потолку люстра. Он заметил, что хотя амплитуда колебаний уменьшается, время хода (период колебаний) остается постоянным. Когда престарелого Галилея выпустят из тюрьмы и отправят под надзор инквизиции в Арчетри, Вивиани последует за ним. Он станет его биографом, другом и незаменимым помощником — под конец жизни Галилей практически ослеп. Вивиани примет деятельное участие в публикации его “Диалогов”, а после смерти учителя возьмет на себя расходы по его погребению в базилике Санта-Кроче во Флоренции (как того хотел сам Галилей) и сооружению надгробия. За 200 лет до Фуко Вивиани будет наблюдать за маятником, и даже заметит смещение. Но он ничего не понял и не сделал никаких выводов. А Фуко понял.

Он понял, что если “все-таки она вертится”, то плоскость качания маятника должна смещаться, причем это смещение будет зависеть от широты места. На самом деле, всё не так просто. Но Фуко, прежде всего, экспериментатор, а не теоретик. С присущей ему энергией он взялся за дело, и очень скоро сконструировал свой маятник. Это была технически сложная задача: плоскость качания маятника должна свободно вращаться. Кроме того, нужно как-то компенсировать затухание колебаний — процесс не быстрый, и чем короче подвес, тем больше нужно времени. Первый маятник был длиной всего 2 метра. Впрочем, этого оказалось достаточно, хотя ждать приходилось долго. Но Фуко был настолько уверен в своих результатах, что обратился к Араго, чтобы тот помог организовать демонстрацию. Араго предоставил в распоряжение Фуко святая святых французской астрономии — Меридианный зал (через него проходит Парижский меридиан, а сам зал носит имя Кассини, но не Джовани, а его сына Жака, который этот меридиан установил, а Араго полностью измерил). К этой демонстрации, состоявшейся 3 февраля 1851, Фуко не только разослал свое довольно язвительное приглашение, но и подготовил новый маятник с длиной подвеса 11 метров. Всё получилось. И на этот раз фортуна, кажется, улыбнулась Фуко.

Демонстрация впечатлила самого Луи-Наполеона Бонапарта. На тот момент Луи-Наполеон (племянник Наполеона Бонапарта) — первый президент Франции. Он был убежденным поклонником Сен-Симона, и всецело разделял его взгляды на то, что в обществе должны господствовать науки и искусства, и что только они способны обеспечить прогресс, процветание и справедливость. Он также симпатизировал социалистическим идеям, ведь “рабочий класс ничем не владеет, а потому его надлежит сделать собственником” — это не “Манифест Коммунистической партии”, это Луи-Наполеон напишет в крепости Гам, где после очередной неудачной попытки переворота он проведет шесть долгих лет в заключении, и где всерьез увлечется естественными науками.

Луи-Наполеон распорядился организовать публичную демонстрацию, и даже пошутил, что сделать это “надлежит со скоростью света”. И уже 31 марта состоится демонстрация маятника Фуко в парижском Пантеоне. На этот раз длина подвеса была 67 метров. К нему крепился 28-килограммовый шар (его удерживала шерстяная нить, которую пережигали при запуске чтобы исключить боковое отклонение). На конце шара было острие, прочерчивающее метки на песчаной дорожке, чтобы наглядно было видно смещение. Маятник совершал свой ход за 16,4 секунды, и за час отклонялся примерно на 11° (это почти на 2 минуты на часовом циферблате). Триумф был полный.

И это был не только личный триумф Фуко, но подлинный триумф науки — именно так это восприняли современники. Вскоре Францию, а за ней и весь мир, охватил настоящий маятниковый бум. Маятники были повсюду. Люди толпами шли на демонстрации. Было на что посмотреть: каждый мог воочию убедиться в том, что Земля действительно вертится.

Маятник Фуко в Исаакиевском соборе. Ленинград, 1978 год

TASS / Mikhail Blokhin; Nikolai Naumenkov

Самый большой маятник Фуко, с длиной подвеса 98 метров (в проектах были и больше), был запущен в Исаакиевском соборе в Санкт-Петербурге, тогда Ленинграде. Произошло это (специально) в пасхальную ночь с 11 на 12 апреля 1931 года. Посмотреть пришли около 7 тысяч человек; для наглядности поставили спичечный коробок, который был успешно сбит гирей. Маятник функционировал более полувека, до 1986 года, когда его сняли из-за неисправности подвесного механизма. И потом ровно 30 лет он пролежал в подвале собора, откуда 12 апреля 2016 года его достали для единственной демонстрации на День космонавтики. Из Пантеона, кстати, маятник тоже убрали.

Казалось бы, такой успех и покровительство Луи-Наполеона должны были решительным образом изменить судьбу Фуко. Однако математики не спешили признавать его теоретические выкладки. Там действительно были проблемы. Впрочем, иногда курьезные. Так, обнаружилось, что в одной из своих работ сам великий Пуассон просто перепутал синус с косинусом — с кем не бывает?! Фуко действительно не всегда хватало формальной математической подготовки, но при этом он был гениальным интуитивным математиком. Он получил верный результат. А до правильной интерпретации нужно будет подождать Эрнста Маха (на тот момент ему всего 13 лет и свой “принцип” он сформулирует только в 1896 году) и Эйнштейна.

А тут еще вмешалась политика. 2 декабря 1851 года (в годовщину коронации Наполеона Бонапарта и битвы под Аустерлицем) во Франции произошел переворот: Вторую республику поменяли на Вторую империю, и уже в декабре 1852-го бывший президент Луи-Бонапарт стал императором французов Наполеоном III.

А Фуко опять с головой ушел в работу. В 1852 году он сделал прибор, которым сегодня пользуется практически каждый и почти всё время, хотя многие даже не задумываются об этом. Фуко сделал гироскоп. Не он его придумал — ротационную машину на кардановом подвесе изобрёл немецкий физик Иоанн Боненбергер еще в начале XIX века. И по рекомендации Лапласа Наполеон даже распорядился использовать её во французских школах для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Но Фуко принципиально усовершенствовал конструкцию, а заодно придумал и само слово “гироскоп” — “наблюдение за вращением”. Решив множество технических проблем, он превратил простой волчок в полноценное устройство, с помощью которого можно измерять, а также сохранять ориентацию в пространстве. Сам Фуко сразу же использовал свое изобретение для стабилизации телескопа.

Сегодня гироскопы используют везде. Есть гироскоп и в каждом смартфоне (пионером стал iPhone 4 в 2010 году). Только в смартфонах уже ничего не вращается; вместо этого смещается подвижная масса, которая изменяет емкость конденсаторов. В смартфонах гироскоп обычно работает в паре с акселерометром. Гироскоп определяет углы наклона (по всем осям в пространстве), а акселерометр — ускорение и продолжительность движения. Так что без них в вашем смартфоне не будет работать не только навигация, но и поворот экрана (акселерометр “знает”, что произошел поворот, а гироскоп — как повернулось).

Фуко был феноменальным практиком, но весьма непрактичным. В 1855 году, узнав, что его любимый ученый сидит почти без работы, император распорядился создать для него специальную должность при Парижской обсерватории. Директором тогда был Урбен Леверье, математик, предсказавший на основе наблюдений существование планеты Нептун.

1855 стал для Фуко по-настоящему счастливым. Он получил престижную награду Лондонского королевского общества — медаль Копли. В Париже проходит вторая Всемирная выставка (трудов промышленности, сельского хозяйства и изящных искусств), где по распоряжению императора Фуко — фактически главный инженер, отвечающий за всё оборудование и все технические демонстрации.

В Обсерватории он занимается телескопами: придумал способ серебрения, благодаря которому стало возможным использовать более эффективные рефлекторы, а не рефракторы, и оснастил их электродвигателями (в Парижской Обсерватории теперь есть Зал Фуко, а один из его телескопов до сих пор работает в Обсерватории Марселя). Он придумал “теневой метод” контроля геометрии и оптических характеристик зеркал (позднее — шлирен-метод или метод Тёплера, по имени усовершенствовавшего его немецкого физика). Он исследовал индукционные токи (впервые их обнаружил Араго), и они стали называться “токами Фуко”, и придумал индукционную печку (не для готовки, но до этого тоже додумался).

В 1862 году Фуко удостоился высшей почести на родине — Луи-Наполеон произвел его в члены Ордена почетного легиона. В том же году он стал членом Лондонского королевского общества (был также членом Берлинской и член-корреспондентом Петербургской Академии наук). И наконец, в 1864 году сдалась и Французская академия приняв Леона Фуко в свои ряды.

А в июле 1867 года Фуко заболел. У него всегда было слабое здоровье, он много работал с вредной химией. Сначала отнялись пальцы на правой руке. Потом сама рука. Начались судороги и затруднения с речью, стало пропадать зрение. Но Фуко продолжал работать. Ему помогала мама. С ним почти всегда были друзья. Он придумал специальное приспособление, чтобы наблюдать за звездами в своем, казалось бы безнадежном положении. Он даже не столько боролся с болезнью, он боролся с тем, что она мешала ему работать. Но болезнь победила. И очень быстро. 11 февраля 1868 года Леон Фуко скончался. Мы точно не знаем, что это была за болезнь. Возможно, БАС (боковой амиотрофический склероз). Только через год после смерти Фуко эту болезнь опишет Жан-Мартен Шарко.

Фуко похоронили на кладбище Монмартр. Его имя внесено в список 72 выдающихся французских ученых и инженеров на первом этаже Эйфелевой башни. В 2013 году, в день рождения Фуко, Google запустил “пасхалку” — целые сутки анимированный маятник совершал свой мерный ход, следуя вращению Земли. Как сам Фуко записал после демонстрации: “Всё происходит тихо, но неотвратимо и неумолимо. Всякий, кто осознает это, замирает на мгновение. А потом молча уходит, унося с собой острое и щемящее ощущение нашего беспрерывного движения сквозь пространство.“

Больше интересного на канале: Дзен-Профиль
Скачайте мобильное приложение и читайте журнал "Профиль" бесплатно:

Зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность скачивания номеров

Войти через VK Войти через Google Войти через OK