Poczuj z nami, że Ziemia się kręci

O tym, że Ziemia pod naszymi stopami obraca się wokół swojej osi wraz z nami i wszystkim, co się na niej znajduje, wiemy ze szkoły. Wiemy też, że następstwem tego ruchu jest podział czasu na doby. Mniej dostrzegalnym, ale równie ważnym efektem tego ruchu, związanym z budową ciekłego jądra naszej Planety, jest istnienie wokół niej pola magnetycznego, które chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem z Kosmosu.

Trudno uwierzyć, że jeszcze w XIX wieku żyli na Ziemi ludzie, którzy nie przyjmowały do wiadomości faktu, że planeta pod nimi się obraca. Osoby te, wbrew teoretycznym argumentom, wolały widzieć naszą Ziemię nieruchomo zawieszoną w centrum układu, w którym Słońce i inne ciała niebieskie krążą wokół niej, utrzymywane w odpowiednim dystansie tajemniczymi siłami. Ostry spór o teorię na temat budowy naszego układu planetarnego toczył się od początków XVII wieku, kiedy włoski uczony Galileo Galilei prezentował swoje liczne odkrycia i wynalazki, w tym wnioski wynikające z nieco wcześniej opublikowanej teorii Mikołaja Kopernika (1473-1543).

Galileo Galilei (1564-1642)

Wielu największych naukowców tamtych czasów zastanawiało się, jakimi argumentami przekonać oponentów ruchu obrotowego Ziemi lub utwierdzić w przekonaniu tych, których wiedza o nim oparta była wyłącznie na zaufaniu autorytetom? 

Byli także tacy, którzy przed eksperymentem Foucaulta twierdzili, że ruch obrotowy Ziemi nie może wpływać na płaszczyzny drgań wahadeł. Léon Foucault (1819-1869), genialny samouk z Francji, był innego zdania. Zorganizował w Paryżu dwa spektakularne pokazy, podczas których za pomocą odpowiednio skonstruowanych przyrządów wykazał doświadczalnie, że siły wywołane przez obrót Ziemi wokół osi są wystarczająco duże, by nie pozwolić wahadłu poruszać się stale w tej samej płaszczyźnie.

Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868)

Współczesne wahadła Foucaulta rozsiane po całej Planecie nie przyciągają już tłumów, ale w roku 1851 prezentacja wahadła w Sali Południkowej Obserwatorium Paryskiego, a potem w Panteonie cieszyła się ogromną popularnością. Wahadło w Panteonie miało 67 metrów długości, a jego ciężarek ważył  28 kg. Każdy mógł zobaczyć, że chociaż nic i nikt nie wywiera wpływu na drgania urządzenia, wahadło nie porusza się w jednej płaszczyźnie.

Wkrótce potem katedry i obserwatoria w wielu miejscach Francji, Włoch, Stanów Zjednoczonych, Irlandii, Anglii, Brazylii i innych krajów demonstrowały wahadło Foucaulta, a odwiedzający je ludzie oglądali na własne oczy efekt ruchu obrotowego Ziemi.

Niektórych zadziwiał przy tym fakt, że Léon Foucault wyprowadził w złożony sposób zachwycająco prosty wzór, na podstawie którego można przewidywać, ile czasu zajmie wahadłu powrót do początkowej płaszczyzny. Na biegunach wynosi on 24 godziny, a na równiku wahadło nie zmienia płaszczyzny drgań. Doświadczenia przeprowadzone w miejscach o różnych szerokościach geograficznych potwierdzają  doświadczalnie prawdziwość wzoru.

Spektakularny sukces wahadła nie wpłynął na karierę Léona Foucaulta. Chociaż był genialnym konstruktorem i wynalazcą, brak doktoratu z fizyki uniemożliwiał mu znalezienie pracy w placówkach naukowych w swoim kraju. Doceniony przez londyńskie Towarzystwo Królewskie i Akademię Nauk w Berlinie, przy poparciu cesarza Napoleona III, mimo formalnych przeszkód, został w końcu członkiem Akademii Nauk w Paryżu. Trzy lata po przyznaniu mu tego członkostwa zmarł.

Doświadczenie Foucaulta można też śledzić w Centrum Nauki i Techniki EC1. Z naszej chłodni kominowej dobrze widać ponad stukilogramowy ciężarek zawieszony na linie długości 36 metrów. Wystarczy postać tam kilkanaście minut, żeby dostrzec, że wahadło nie kołysze się w jednej płaszczyźnie. Powrót do pozycji początkowej, obliczony według wzoru Foucaulta, zajmuje mu około 30 godzin. Można to sprawdzić na przykład fotografując odpowiednie położenia wahadła.

Serce wahadła Foucaulta w CNiT EC1

W naszym Centrum Nauki i Techniki prace i wynalazki Léona Foucaulta można wspomnieć jeszcze między innymi przy następujących eksponatach:

2.53. Prądy wirowe, Foucault je odkrył, ścieżka Rozwoju wiedzy i cywilizacji

 

 

2.49. Szybki jak błyskawica, Foucault opracował jedną z metod pomiaru i wykazał, że światło w wodzie ma mniejsza szybkość niż w powietrzu,  ścieżka Rozwoju wiedzy i cywilizacji

 

3.22. Żyroskop, Foucault był jego wynalazcą, za pomocą swego żyroskopu w roku 1851 potrafił innym sposobem uzasadnić, że Ziemia obraca się wokół osi, strefa Człowiek w Kosmosie

Wybitny pisarz i uczony Umberto Eco (1932-2016) opisał swój zachwyt eksperymentem Léona Foucaulta w powieści pod tytułem „Wahadło Foucaulta”, wydanej w roku 1988.

„… I wtedy zobaczyłem wahadło. Ruchoma kula na końcu długiego sznura umocowanego do sklepienia chóru, z izochronicznym majestatem i rozmachem przemierzała swój szlak.

Wiedziałem – ale każdy wyczułby to z magii tego spokojnego oddechu – że okres zależy od ilorazu pierwiastka kwadratowego z długości sznura i owej liczby  π, irracjonalnej dla przyziemnych umysłów, lecz z boskiego nakazu wiążącej nieuchronnie we wszystkich możliwych kołach obwód ze średnicą – tak że czas wędrówki tej kuli od jednego do drugiego skrajnego wychylenia był skutkiem tajemnej zmowy między najbardziej ponadczasową z miar, jedynością punktu zawieszenia, dualizmem abstrakcyjnego wymiaru, troistą naturą π, sekretnym tetragonem pierwiastka, doskonałością okręgu.

Wiedziałem ponadto, że w pionie od punktu zawieszenia, u podstawy, umieszczono magnetyczne urządzenie, które przekazując sygnały cylindrowi ukrytemu wewnątrz kuli, zapewniało stałość ruchu,
a ten fortel pozwalał przezwyciężyć opór materii, nie zaprzeczając przy tym zgoła prawu wahadła,
a nawet ułatwiając jego ujawnienie, albowiem w próżni wszelki punkt materialny zawieszony na końcu nierozciągliwego sznura, nienarażony na opór powietrza i nienapotykający tarcia w miejscu zaczepienia, kołysałby się regularnie przez całą wieczność.

…Wahadło przekonałoby mnie, iż płaszczyzna ruchu dokonała w ciągu trzydziestu dwóch godzin pełnego obrotu, powracając do punktu wyjściowego, zakreślając płaską elipsę – elipsę obracającą się wokół środka ze stałą prędkością kątową proporcjonalną do sinusa szerokości geograficznej.”

            Umberto Eco Wahadło Foucaulta, przełożył Adam Szymanowski

Przytoczony fragment prowokuje do stawiania pytań. Na jakiej szerokości geograficznej waha się opisywane wahadło? Czy opis może dotyczyć wahadła z Paryskiego Obserwatorium Astronomicznego lub Panteonu? Inne: jaki jest wzór na okres wahadła matematycznego, w którym występuje liczba π i długość liny wahadła? Jak działa wahadło Foucaulta w CNiT EC1, czy tak samo jak opisane przez Umberto Eco?

Marek Pisarski