Ви є тут

Жан Фуко і його маятник


Jean Foucault pendulum

…Есть, однако, в этом маятнике нечто,
заставляющее меня всматриваться
в него внимательнее.
Эдгар По

 Не буду приховувати, що для мне стало великою честю мати можливість взяти участь і виступити під час цієї знаменної події, яка хоча і відбувалася в нашому рідному КПІ, але, без перебільшення, треба говорити про подію загальнодержавної ваги. Маю на увазі відкриття 24 лютого 2011 року, повторю, в Україні, справжнього маятника Фуко.

 Почну з того, що саме завдяки маятнику ім’я видатного французького фізика-експериментатора відомо, можна сказати, кожній освіченій людині. Але маятник, який прославив паризького професора, члена Паризької академії наук Жана Бернара Фуко, далеко не єдине, а з точки зору фахівців і не головне, що зробив у науці цей всесвітньо відомий учений. Нагадаю, що дослідження Фуко більше стосувалися не механіки, а оптики і електрики. Так, в оптиці він один з перших почав вимірювати швидкість світла і перший довів, що вона в повітрі і у воді різна, що було важливо для розуміння хвильової природи самого світла. Якщо торкнутися електрики, то навіть студентам технічних спеціальностей, упевнений, добре відомі так звані індукційні струми Фуко, які, спричиняючи паразитне нагрівання, шкодять роботі великої кількості пристроїв і з якими тому треба боротися. Фуко займався і приладобудуванням, і настільки вдосконалив гіроскоп, що саме після цього той став широко застосовуватись у мореплавстві і геодезії. І все це належить одному і тому ж досліднику, ім’ям якого названо кілька відомих фізичних явищ. Недарма Російська академія наук обрала Жана Бернара Фуко своїм іноземним членом!

 Вважаю, про це обов’язково треба було нагадати, але сьогодні я пишу не для вшанування славетного імені Фуко, а зовсім з іншого приводу – відкриття і запуску в КПІ найпростішого приладу, який складається лише з двох елементів: досить важкого предмету, як правило, металевої кулі, та, хто як забажає, або відносно легкої мотузки, або тросу, або ланцюга, на яких ця куля висить. Усе разом, тобто куля на підвісі, як всі ми знаємо, називається маятником, точніше математичним маятником, який може здійснювати періодичний обмежений рух, що зветься коливним рухом, або просто коливаннями. І в школі, і в університеті подібні маятники є одними з головних приладів для вивчення законів Ньютона і проявів земного тяжіння, а також вимірювання різноманітних фізичних величин, як-то: частот або періодів коливань, їх залежності від довжини підвісу і маси кулі тощо. Цікаво, що всі ці властивості маятників були добре відомі і використовувалися задовго до власних досліджень Фуко.

 Але знову ж таки не це головне в маятникові Фуко, про який йдеться. Головне, що вперше і зрозумів Фуко на предмет використання, – це те, що площина коливань маятника зберігається під час його руху. А отже, якщо коливання відбуваються в системі відліку, яка сама є нерухомою, то рух будь-яких об’єктів, що в ній рухаються, також можна простежити і виміряти. Таким чином, якщо, скажімо, Земля рухома, то вона змінюватиме своє положення в просторі відносно згаданої площини.

 Ця дуже проста, на перший погляд, а насправді геніальна ідея до Фуко нікого з інших дослідників, образно кажучи, не відвідала. З неї ж негайно випливало, що при досить довгій довжині підвісу і якомога більшій вазі кулі, коли період коливань стає достатньо великим, можна наочно спостерігати обертальний рух Землі в реальному часі, бо маятник не є жорстко закріпленим відносно Землі.

 Боюсь, звертаюсь насамперед до молодих людей, їх це не дивує, бо слова про обертальний рух Землі, скоріше за все, їм здаються майже тривіальними. Молодому і середньому поколінням це, як і кулеподібна форма Землі, відомо не з слів батьків або викладачів, а завдяки, зокрема, телебаченню, де часто демонструються фото- і кінозйомки з космосу. Тому про такі банальні речі, здавалося б, годі й говорити – будь-хто заявить, що про таке давно і добре знає. Проте, закликаю, не треба бути настільки самовпевненими, оскільки модні і поширені тепер різні соціологічні опитування виявляють і дещо сумні речі. Так, за даними одного з них, що нещодавно відбулося в різних регіонах Росії, включаючи Москву і Санкт- Петербург, тільки 17% респондентів правильно відповіли на питання про причини зміни пори року. Не думаю, що наші дані були б набагато кращими.

Jean Foucault Тому давайте згадаємо, що передувало появі маятника Фуко і в чому його роль, яка так сильно вразила людей. Справа в тому, що люди завжди цікавились світобудовою. Я кажу люди в множині, але це не зовсім відповідає істині, бо насправді про подібні глибокі речі думають лише окремі особи, а спроможних щось зрозуміти взагалі одиниці. Але вони, тобто такі, які хочуть розібратися у справжній природі речей, завжди присутні в масі людей. І на питання, як же організований світ у цілому, свою відповідь знайшов грецький мислитель Птоломей, який запропонував модель, що стала визнаною і отримала назву геоцентричної, або Птоломеєвої, системи світу. Спираючись на візуальні спостереження, вона проголошувала, що центром Всесвіту є нерухома Земля, навколо якої по кругових орбітах рухається Сонце, інші небесні тіла, а зорі утворюють сферичний небосхил, теж нерухомий.

 Як не дивно, але такі уявлення проіснували майже півтора тисячоліття. Точніше, 1400 років усіх людей Землі влаштовувало вчення, за яким Земля – центральний об’єкт світоустрою, і ніхто, або практично ніхто в цьому не сумнівався. Більше того, система Птоломея була канонізована церквою і на багато років стала основоположною складовою християнського віровчення.

 Проте все ж залишались деякі диваки, які не вірили загальноприйнятим твердженням. Вірніше, навіть не стільки не вірили, скільки хотіли пересвідчитись, що геоцентрична система працює. Тим більше, що засоби спостережень постійно вдосконалювались.

 Переворот у свідомості був викликаний польським астрономом Ніколя Коперніком, який під тиском незаперечних спостережних фактів, що не узгоджувались з розрахунками на основі Птоломеєвої системи щодо руху планет і Сонця, фактично був вимушений відкинути геоцентричну світобудову, де головним був постулат про центральне положення і нерухомість Землі, а складний характер рухів планет і Сонця пояснювався волею Творця, або Бога. Відмова від геоцентричної системи тягла за собою відмову від ідеї про людину як центральний у прямому і переносному розумінні елемент божественного устрою світу, що складало основні положення Священної книги – Біблії. Копернік же в центр помістив Сонце, припустивши, що всі планети, включаючи Землю, обертаються навколо нього. Це вводило в обіг уявлення про геліоцентричну систему світу, яка кардинально суперечила біблійним канонам, ламала їх. Саме тому трактат Коперніка «Про обертання небесних тіл», оприлюднений у 1543 році, церков суворо заборонила, і заборона тривала близько трьох століть, аж до 1828 року. Зроблене Коперніком інакше, ніж людським і науковим подвигом, назвати не можна. Додам, що поширення ідей Коперніка зазнавало великого опору з боку церковних діячів і церкви в цілому. Прибічника цього вчення Джордано Бруно було спалено на вогнищі інквізиції, і його власні праці про нескінченність простору у Всесвіті також спалено. І Галілео Галілей, щоб не бути покараним інквізицією, як ми знаємо, відмовився від деяких своїх переконань щодо руху Землі, але перед смертю промовив широко відомі слова: «І все-таки вона обертається!», які стосувалися Землі.

 Треба при цьому розуміти, що всі ці драматичні події не доводили і не могли довести широкому загалу обертання Землі, бо само по собі обертання планет навколо Сонця ще не передбачає їх власного обертання. Тому, коли Фуко збагнув, як і заради чого можна використати звичайний маятник, він водночас також зрозумів, чим ризикує, і після демонстрації досліду імператору Франції, який тому сподобався, він все ж вирішив звернутися до Папи Римського за спеціальним дозволом. Останній, як не дивно, був отриманий через благословення, бо, як заявив Папа, відповідна демонстрація не тільки не відміняє Бога, а навпаки, доводить його могутність. І от рівно 160 років тому в Паризькому Пантеоні була здійснена перша демонстрація того, що обертальний рух дійсно має місце і відбувається навколо осі, що відповідає напрямку нерухомого підвісу, або вертикалі в тій точці Землі, де цей підвіс знаходиться. Як писали тоді паризькі газети, люди, що зібралися на першу демонстрацію, були не стільки збуджені від побаченого, скільки приголомшені ним, а до того невідоме майже нікому, крім фахової спільноти, ім’я Фуко досить швидко здобуло всесвітню славу і тепер його знають навіть школярі, які з батьками або з шкільними вчителями відвідали той чи інший маятник Фуко. Маятники з високими підвісами стали модними і їх як незвичайну дивину, що, тим не менш, певною мірою зберігається дотепер, стали будувати багато країн, але відомих маятників Фуко не більше ніж півтора десятка. Наприклад, в СРСР найвідомішим був споруджений в колишньому Ленінграді, в Ісааківському соборі, і відкритий рівно 80 років тому, у березні 1931 року. Цікаво, що тоді там знаходився Державний антирелігійний музей, а запуск маятника в газеті «Правда» був названий тріумфом науки над релігією, що, звичайно, на жаль, не так.

 Повертаючись власне до маятника Фуко, додам, що він дозволяє вимірювати широту свого географічного розташування, а також, що знають менше, такий феномен неінерціальних координатних систем відліку, як деяку силу інерційного походження, яку вперше розрахував французький фізик і інженер, теж член Французької академії наук Гюстав Коріоліс і яка вже 150 років носить його ім’я. Вона визначає, як має зсуватися предмет, коли його рух описувати в неінерціальній системі, але інші деталі про цю силу виходять за межі цього мого повідомлення.

 Таким чином, побудова маятника Фуко є, на моє переконання, визначною подією, а місце його спорудження і регулярні демонстрації стають, точніше – мають стати, важливим центром просвіти. І те, що для такого місця в Києві обрана науково-технічна бібліотека КПІ, теж правильно і глибоко символічно.

 І останнє. Приблизно п’ять, а може шість, років тому одна з найвпливовіших газет світу «New York Times» провела опитування кількох тисяч фізиків багатьох країн з приводу найбільш важливих і красивих фізичних дослідів за всю історію людства. Так от, маятник Фуко посів серед перших десяти почесне 5-те місце. А це яскраво свідчить, що маятник Фуко робив і робить свою справу – незаперечно доводить усім, хто хоче в цьому переконатися, що Земля дійсно безперервно обертається.

 Хотів би побажати всім нам, щоб маятник Фуко Київської політехніки виправдав наші спільні сподівання і завжди без будь-яких перешкод гармонійно коливався, несучи людям справжні знання.

x

Електронний кампус

Інформаційні ресурси

Викладачі КПІ

GitHub репозиторій