23.11.99

Created by Leon Gobec

colorbar.gif (4491 bytes)

Foucault.gif (13084 bytes)

 

 

                   Léon Foucault

 

 

Postal slaven zaradi poskusa l. 1851; priskrbel je dokaze zoper delčno teorijo svetlobe, iznašel je giroskop in izmeril razdaljo do Sonca.

V 18. stoletju so znanstveniki vedeli, da se Zemlja vrti okrog svoje osi, vendar je manjkal nazoren dokaz. Vse od časov Galilea in Newtona so se ljudje zavedali, da vrtenje Zemlje lahko vpliva na gibanje gibajočih se teles, tako kot vpliva vrteč se vrtiljak na otrokovo gibanje od enega lesenega konja do drugega (angleški vrtiljaki so sestavljeni iz vrtečih se lesenih konjev).

Več kot dvesto let so fiziki iskali dokaz za vrtenje Zemlje. Spuščali so uteži s stolpov ali v vodnjake. Razmišljali so tudi, da bi s topom izstrelili kroglo navpično v zrak. Upali so, da bodo tako zasledili manjša odstopanja poti teh gibajočih se predmetov od navpičnice. Majhna odstopanja bi dokazala, da se Zemlja vrti. Vendar so bila vsa njihova naprezanja neuspešna.

 

Leta 1851 je mlad francoski fizik presenetil ves svet. Léon Foucault je pokazal, da enostavno nihalo akumulira majhen učinek zemeljske rotacije. Opazovalci v Panteonu v Parizu so bili priče gibanju Foucaultovega nihala. Ravnina nihanja se je zelo počasi - okoli 10 stopinj na uro - vrtela v smeri urnega kazalca. To je razkrilo rotacijo Zemlje v smeri proti urnemu kazalcu in tako neposredno dokazalo, da se Zemlja resnično vrti okrog svoje osi.

Če prav se Foucaulta spominjajo predvsem zaradi nihala, je prispeval v znanosti 19. stol. tudi druge vidne dosežke. Zagotovil je neizpodbitne dokaze proti delčni teoriji svetlobe, iznašel je giroskop (s tem je priskrbel dodaten dokaz za rotacijo Zemlje), izboljšal je odsevajoči teleskop in izmeril razdaljo do Sonca. Njegovo delo je bilo zanimiva mešanica že obstoječega z izvirnimi zamislimi in značilnostmi nenavadne natančnosti in uvida. Nekateri njegovi kolegi so menili, da je odličen francoski fizik tedanjega časa, drugi pa so bili prepričani, da je več kot le nadarjen mislec.

colorbar.gif (4491 bytes)

 

Virtuozne roke

 

Jean-Bernard-Léon Foucault se je rodil leta 1819 v Parizu in je vse življenje, razen nekaj otroških let ( Anglija ), preživel v rojstnem mestu, kjer je tudi umrl leta 1868. Njegov oče je bil publicist in knjigarnar. Foucaultovi so bili bogati. Imeli so v lasti kar nekaj nepremičnin in so zato lahko poslali mladega Léona na prestižno srednjo šolo (Stanislavov kolidž). Zdi se, da je bil odraščajoči Foucault, ki ga opisujejo kot krhkega mladeniča, povprečen študent, saj je potreboval osebnega inštruktorja. Kljub temu je imel čudovit dar: svoje roke.

Ure prostega časa je zapolnil z izdelovanjem modelov ladij, telegrafov in parnih lokomotiv. Upal je, da bo to spretnost uspešno uporabil. Leta 1839 se je vpisal na pariško medicinsko šolo z načrtom, da postane kirurg. Toda ob pogledu na kri mu je postalo slabo, zato se je medicini kmalu odpovedal.

V istem času je Foucaulta prevzela dagerotipija. V tej prvi praktični obliki fotografije so bile podobe zabeležene na table, ki so bile prekrite s srebrom in so jih razvijali s hlapi živega srebra. Čeprav je bilo to revolucionarno, je imel proces tehnično pomanjklivost : izpostavljanje je lahko trajalo tudi celo uro. Toda leta 1841 je Hippolyte Fizeau, Foucaultov sošolec iz Stanislavovega kolidža, odkril bromove table in Foucault je razvil tehniko za enotno nanašanje toksičnih hlapov. Ta izboljšava je dramatično zmanjšala čas izpostave in tako je postalo portretiranje izvedljivo.

Foucault in Fizeau sta imela mnogo skupnega: po starosti sta bila le pet dni narazen in oba sta zapustila študij medicine zaradi kariere v fiziki. Kmalu za svojim delom z bromom sta začela intenzivno sodelovati. Leta 1844 sta na pobudo Franscoisa Araga, ministra za znanost in direktorja pariške opazovalnice, prvič uspešno izvedla primitivno fotografijo Sonca. Podoba je jasno pokazala, da je Sonce svetlejše na sredini kot pa na robovih, kar je potrdilo vizualna opazovanja in ovrglo hipotezo nizozemskega fizika Christiana Huygensa, da je Sonce žoga iz tekočine.

Foucault je raziskoval zgodnjo fotografijo tudi v zdravstvene namene z Alfredom Donnéjem, ki je bil eden izmed njegovih predavateljev medicine. Donné je preučeval mleko in druge telesne tekočine z mikroskopom. Leta 1845 je njun atlas z 80 mikroskopskimi grafi, večino jih je posnel Foucault, označil prvo medicinsko uporabo zgodnje fotografije. Tega leta je Foucault nasledil Donnéja v poročanju s ponedeljkovih sestankov Akademije znanosti za Journal des Débats, ki je bila vplivna pariška revija. V svojem članku je Donné napadel Araga, da je Akademijo spremenil v svoj fevd. Foucaltovo pisanje je bilo po navadi manj napadalno, toda njegove kritike so bile ostre. To rubriko je pisal več kot 15 let.

colorbar.gif (4491 bytes)

Valovi proti delčkom

 

Foucaultovo veliko odkritje se je zgodilo leta 1850. Njegovo delo je zagotovilo zanesljive dokaze v dolgotrajni razpravi glede narave svetlobe. Vse od začetka 19. stol. so bili bolj naklonjeni teoriji valov, ki sta jo oblikovala Robert Hooke in Christian Huygens, kot pa teoriji delčkov Renéja Descartesa in Isaaca Newtona. Odkritje interference in polarizacije je bilo možno razložiti z obema teorijama.

Potrebno je bilo izpeljati odločilni preizkus in Arago ga je načrtoval. Ko svetloba potuje skozi zrak in potem v vodo, se snopi lomijo ali ukrivijo na točki med tema obema snovema. Obe teoriji sta ta fenomen razlagali povsem drugače. Glede na teorijo delčkov so bila svetlobna telesca pospešena s prekinitvijo in bi zato v vodi potovala hitreje kot pa v zraku.

Teorija valov se je zanašala na neprekinjeno valovanje in je predvidevala, da je hitrost svetlobe v vodi počasnejša, čeprav narava svetlobe nedvomno ne more biti določena (vsaj tako je mislil Arago) s primerjavo obnašanja svetlobe v zraku in vodi. Problem je bila seveda neverjetna hitrost svetlobe. Aragov koncept je primerjal paralelno pot v zraku in v vodi, katero je zapustila svetloba, ki je sijala le iz enega vira. Na koncu poti je hitro vrteče se ogledalo odbijalo dva žarka. Počasnejši žarek, ki je prispel kasneje, se je lomil v večjem kotu.

Arago je preizkusil ta test z ogledalom, ki je delovalo na uro in se je obrnilo do 2000-krat na sekundo, vendar je imel težave pri reševanju hitro gibajočih se odbojev. Kmalu zatem, ko mu je sladkorna bolezen zameglila vid, je bil prisiljen, da s svojimi poskusi preneha.

Foucault in Fizeau sta nadaljevala tam, kjer je on končal. Ugotovila sta, da bi lahko naredila nepremične in opazne odboje in s tem olajšala opazovanje, če bi uporabila konkavna ogledala za odbijanje žarkov skupaj z dodatnim odbojem od vrtečega se ogledala in s fiksiranimi očmi, kot to kaže slika.

Toda ob tej povezavi je med tema dvema možema, potem ko sta uspešno sodelovala skoraj celo desetletje, prišlo do nesporazuma. Ni jasno, zakaj. Verjetno je, da se nista strinjala, kaj je boljše za poganjanje vrtečega se ogledala. Foucaultov trmasti značaj ni tej razpravi prav nič koristil. Donné je kasneje napisal:” Foucault ni bil ljubezniv človek: ni imel uglajenega značaja niti želje, da bi ugajal, kar je vsekakor potrebno za človeka, ki hoče biti spodoben za ta svet.”

Ne glede na vzrok sta Foucault in Fizeau delala naprej in si prizadevala, da bi bila prva, ki bi prišla do dna Aragovi ideji. Fizeau je še dalje uporabljal ogledalo, ki ga je poganjala ura, medtem ko se je Foucault zanašal na majhno parno turbino, ki je vrtela ogledalo do 800-krat v sekundi. Foucault je v tekmi zmagal.

V aprilu 1850 je dokazal, da voda upočasni del svetlobe. Teorija delcev je bila tako mrtva, Foucault pa je dobil francosko častno odlikovanje.

Fiziki so kasneje seveda ugotovili, da Foucaultov eksperiment ni bil tako prelomen, kot so v njegovem času mislili. Zrušitev teorije delcev ni pomenila, da valovi zagotavljajo celoten opis obnašanja svetlobe. V kvantni mehaniki namreč obravnavamo svetlobo v nekaterih primerih kot valovanje, v drugih pa kot delce, na primer pri razlagi fotoelektričnega efekta.

colorbar.gif (4491 bytes)

Navdihnjen od stružnice

 

Najdragocenejši je Foucaultov naslednji dosežek . Inspiracijo za eksperiment je dobil, ko je slišal brenčanje jeklenega droga, ki je bil vpet na opuščeni stružnici. Opazil je, da načrt vibracij ostaja na mestu, čeprav se drog vrti z natezalno podlogo. Ta efekt, ki nas še danes preseneča, se pojavlja zato, ker vztrajnost ohranja stvari v istem stanju gibanja, razen če pride do prekinitve zaradi zunanjih sil. Foucault je sklepal da sta natezalna podloga in drog analogna Zemlji in nihalu. Razbral je, da se rotacija Zemlje manifestira sama od sebe opazovalcem na Zemlji s počasnim spreminjanjem smeri nihajne ravnine nihala.

Ko je delal v kleti svoje hiše, ki jo je delil z mamo, je Foucault naredil svoje prvo nihalo, težko 5 kg (11 funtov); konica, ki se giblje sem in tja, je bila pritrjena na 2-metrski (6 in pol čevlja) dolgi žici. Med prvim preizkušanjem 3. januarja 1851 se je žica strgala. Toda pet dni kasneje je Foucault uspel: nihajoči oblič njegovega nihala se je ukrivil. Na Aragovo povabilo je Foucault postavil nihalo z 11-metrsko žico v pariški opazovalnici. Svoje odkritje je naznanil nekaj dni pozneje Akademiji znanosti. Zagotavljal je, da se bo nihalni načrt nihajočega se nihala zavrtel za 360 stopinj na dan na Zemljinih geografskih polih, medtem ko bi bila drugje ta stopnja manjša za faktor, kolikor je to mesto oddaljeno od pola. (Na ekvatorju odstopanja sploh ne bi bilo.) Da bi izpeljal ta faktor lege, je Foucault zapisal: “Človek se mora zateči ali k analizi ali pa k zahtevam mehanike in geometrije, ki sta zunaj omejitev tega sporočila.”

                                                      

S podporo predsednika republike Louis-Napoleona Bonaparteja (Napoleon III) je postavil nihalo še enkrat za spektakularno javno demonstracijo. Med poletjem leta 1851 so se Parižani zbrali, da bi videli nihalo mase 28 kg ( konico ) in 67 metrov dolgo žico.

Za napredovanje nihalnega obliča nihala je bila potrebna stimulacija, ki je bila pritrjena na spodnji strani nihala (krogle,konice) in je potovala po navlaženem pesku ob vsakem nihaju. Upor vetra je zaviral nihanje in nihalo je bilo potrebno ponovno pognati vsakih 6 ur. Vendar je bila med intervali nihajna ravnina zasukana za 60 do 70 stopinj v smeri urnega kazalca.

                                                                   

Ta eksperiment so kmalu ponovili po vsem svetu. V Rio de Janeiru, na drugi strani ekvatorja, se je nihajna ravnina vrtela v nasprotni smeri urnega kazalca, kot so pričakovali. Do tega vrtenja namreč pride zaradi Coriolisove sile, torej iste sile, ki deluje na vrtiljaku.

Nihalo niha ves čas v isti ravnini glede na zvezde. Ker pa se Zemlja vrti okoli svoje osi, se glede na zvezde ravnina zemeljske površine vrti. To gibanje je zelo počasno, tako da ga ne zaznamo. Če pa opazujemo nihalo dovolj dolgo, na primer nekaj ur, opazimo relativno vrtenje med obema ravninama. Opazovalec, ki miruje na površini Zemlje, vidi torej vrtenje nihalne ravnine, to je najhitrejše na tečajih, ko gremo proti ekvatorju, pa se upočasni in se na ekvatorju popolnoma ustavi.

Ker je gibanje nihala povzročilo mnogo zmede in nerazumevanja, je Foucault želel prikazati neodvisnost gibanja od zemljepisne dolžine. Leto dni kasneje je proizvedel napravo, ki jo je imenoval giroskop. Os tega vrtečega se giroskopa je bila popolnoma svobodna, da je obdržala orientacijo v vesolju in njen počasni tok, ki so ga z ozirom na Zemljo lahko opazovali z mikroskopom. Večina mehanskih giroskopov v 20. stol. se uporablja v kirurgiji in navigaciji.

colorbar.gif (4491 bytes)

Odboj preko lomljenja

 

Kljub uspehu v preteklosti in kljub temu, da je bil že sredi svojih 30. let, je imel Foucault svoje glavno delo šele pred seboj. “Njegov znak mandarin s tremi prašičjimi repi ne ugaja vsakomur,” je zapisal eden njegovih vrstnikov. Kljub temu je bil 1855. leta Foucault imenovan za glavnega fizika pariške opazovalnice, ki jo je po Aragovi smrti vodil Urbain Le Verrier, slaven po svojih dognanjih, ki so vodila do odkritja Neptuna. Ker so hoteli modernizirati laboratorijske instrumente, je Le Verrier prosil Foucaulta, naj izdela teleskop, ki odbija svetlobo z ogromno lečo premera 74 cm . Foucault je kmalu ugotovil, da bi bil teleskop, ki odbija svetlobo z velikim ogledalom, boljša izbira.

V tem času je Lord Rosse delal teleskope na Irskem, toda njegovi instrumenti so uporabljali kovinska ogledala, ki so bila težka, slabo so se dala oblikovati in težko jih je bilo vzdrževati, ker je njihova površina hitro potemnela. Steklo, kot je vedel že Newton, je bil boljši material za ogledala, le da bi bilo narejeno dovolj odbijajoče. Po Foucaultovi zaslugi so škodljivo živosrebrno zmes, naneseno na hrbtno stran stekla za gledanje, nadomestili s plastjo srebra, ki so ga pridobili s kemijsko redukcijo iz srebrno-nitratne raztopine. Pravzaprav je bil uporabil takšno plast na svojem vrtečem se ogledalu za svoj eksperiment ( zrak / voda ). Srebrna plast je bila zelo tanka in se je lahko nanesla spredaj na teleskopska ogledala, ne da bi spremenili njihove lastnosti. Še več, ko je srebro potemnelo, se je lahko nanesla nova plast, ne da bi poškodovali optično kvaliteto spodaj ležeče steklene površine. Metalno-stekleni odbijajoči teleskop je postal nova tehnična možnost.

Foucault je uspešno naredil odbojne teleskope premera 10 in 20 cm, toda za večje premere so takratne metode poliranja optične podlage postale neprimerne. Po petih neuspelih poskusih pri izdelavi 42-centimetrskega ogledala je Foucault razvil tri tehnike za preizkušnjo optične podlage. Najmočnejši je bil test z noževo konico. Ostro nabrušeno rezilo je odbilo podobo točke izvora tako, način, da se kakršnakoli napaka pri poliranju pokaže v pretiranem reliefu. S tem omogoča optiku, da prepozna in odstrani nepravilnosti.

fouca.gif (26136 bytes)

Foucaultov največji teleskop je imel 80-centimetrsko ogledalo in je bil instaliran v marseillskem observatoriju pod čisto mediteranskim podnebjem. Sedaj je bila pot tlakovana za velikanske odbijajoče se teleskope prihodnosti. Ta teleskop je bil dokončan v Parizu in so ga kasneje premestili v marseillski observatorij. Danes je klasificiran kot spomenik francoske zgodovine.

colorbar.gif (4491 bytes)

Merjenje solarne razdalje

 

Za Le Verriera je bilo odkritje Neptuna le uvod v njegovo življenjsko delo – Newtonova analiza gibanja znotraj solarnega sistema. S pogumnimi kalkulacijami je Le Verrier izboljšal ocenitve planetarnih mas. Prepričan je bil, da je razdalja do Sonca za približno 3-krat manjša, kot so verjeli prej. V tistem času je bila fizikalna vrednost svetlobne hitrosti izpeljana le iz astronomskih meritev, ena izmed teh je bila solarna razdalja.

Posledica tega je Le Verrierova ocenitev, da je prava hitrost svetlobe v vakuumu tudi za 3 % manjša kot takrat najboljša ocenitev 308.000 kilometrov na sekundo.

Da bi potrdil to trditev, se je Le Verrier zopet obrnil na Foucaulta in ga prosil, da prilagodi njegov poskus iz leta 1850. Zato je Foucault spremenil pot svetlobe na 20 metrov s tem, da je uporabil izmeno petih konkavnih spredaj posrebrenih ogledal. Urnozobčasti kolesni pogon je pomagal nastaviti vrteče se ogledalo na natančno 400 obratov na sekundo. Foucaultov rezultat, ki ga je naznanil Akademiji znanosti v septembru 1862, je bil 298,000 km na sekundo in se je skladal z Le Verrierovo domnevo (in za 1% s sedanjo vrednostjo).

Fizikalne knjige danes včasih navajajo Foucaultovo meritev večinoma zato, ker je to metodo uporabil tudi Američan Albert A. Michelson. Toda Foucaltov namen pri tem eksperimentu je mnogokrat napačno interpretiran. V tistem času ljudje niso vedeli, da je hitrost svetlobe fizikalna konstanta izrednega pomena (elektromagnetna teorija Jamesa Clarka Maxwella ni bila objavljena do l. 1865 in Einstein se še ni niti rodil). Edina znana zadeva l. 1862 je bila sončna razdalja, o kateri je Le Verrier menil, da je “najbolj kritično vprašanje moderne astronomije.”

Eksperiment merjenja svetlobne hitrosti je bil Foucaultov zadnji pomembni projekt. Preostanek življenja je posvetil predvsem delu v odborih in prejšnjim interesom - mehaniki .

Iskal je univerzalni regulator, ki bi ga obogatil. Toda uspeh je bil le iluzija. Industrijske zahteve so bile preveč različne in njegovi dizajni dinamično neprimerni.

colorbar.gif (4491 bytes)

Mačje življenje

 

Kako povzeti Foucaulta kot znanstvenika? “Marsikdo Foucalta ni imel za znanstvenika,” je napisal Donné, “zato ker Foucault ni študiral vseh vej fizike in ni bil zmožen posredovati celotnega programa snovne fizike…”Za mnoge je bil amater. Res pa je, da je Foucault uporabil svet okrog sebe in v njem je blestel: ”Mi smo amaterji…, amaterji v pravi obliki besede, mi se posvečamo tistim vidikom znanosti, h katerim nas vodi naš instinkt.”

Foucaultova moč v dveh besedah je eksperimentalna natančnost: tudi danes gradnja Foucaultovega nihala ni mačji kašelj.

"Tipično se ravnina nihanja pri enem nihaju zavrti za okoli 1/20.000 kroga (odvisno od dolžine nihala in zemljepisne širine). Ta zasuk je tako majhen, da je potrebno narediti poskus izjemno natančno. Paziti je treba predvsem, kako nihalo spustimo ob pričetku nihanja. Če nismo dovolj previdni, nihalo ne bo nihalo natančno v navpični ravnini, zato se ravnina nihala ne bo vrtela v skladu s pričakovanji.

Poleg tega oblič Foucaultovega nihala ne pokaže le rotacije Zemlje, ampak gibanje površine Zemlje glede na inercialni opazovalni sistem. Seveda pa je pri tem prispevek rotacije Zemlje bistveno večji od drugih prispevkov."

 

Londonska kraljeva družba je ena izmed mnogih strokovnih organizacij, ki so priznale njegove dosežke, in ga je l. 1855 nagradila s prestižno Copleyevo medaljo. Toda priznanje ni prišlo zlahka. V Franciji je bila znanstvena tradicija analitična in formalna. Kljub temu da je imel Foucault izvrstno mehanično intuicijo in vpogled, so bile njegove matematične sposobnosti slabe. Njegova doktorska teza na 1850 (zračno-vodnih) meritvah je imela napake pri algebri, ki jih med ustnim zagovorom ni znal popraviti.

Foucault tudi ni zmogel doseči velike abstrakcije. Ko je študiral električni tok, je poročal, da zmore oboje absorbirati in oddajati rumene Fraunhoferjeve žarke, in bil je mnenja, da lahko študij zvezdnega spektra pripomore k napredku astronomije.

Toda nemški fizik Gustav Kirchoff, ne Foucault, je desetletje kasneje formuliral jasna empirična pravila glede absorpcije in emisije radiacije.

Foucault prav tako ni bil izučen v priznanih šolah za znanstveno elito, Ecole Polytechnique in Ecole Normale Superieure. Mogoče je iz teh razlogov in zaradi zavračanja njegovih časopisnih člankov bil izbran v Akademijo znanosti šele l. 1865; šele takrat, ko je že zaslovel.

Dve leti kasneje, julija 1867, je Foucault začel trpeti za simptomi paralize. Umrl je čez sedem mesecev, v 48. letu, zaradi izredno hitrega napredovanja multiple skleroze, ne pa prehudega dela in skrbi, kot so takrat domnevali.

Donnéjeva osmrtnica prijatelju je razkrila nekatere od Foucaultovih mnogih obrazov: “Ko sem ga predstavil svoji družini, sem čutil, da je neprilagodljiv in težko ga je bilo prenašati; predvsem zato, ker ni nikoli izgubil živcev, vedno je zagovarjal svoja stališča v mirnem in hladnem tonu. Ta mirnost je bila njegova velika vrlina v določenih situacijah in jaz sem ga videl - kako je on-suhega in šibkega videza - tako spravljal ljudi v prepir… vendar mu ni bilo nikdar odveč razložiti abstraktnih fizikalnih zakonov laikom - in predvsem ne svetim ženskam.”

Kljub temu zadnjemu komentarju se Foucault ni nikoli poročil. Donné je zapisal: “On je, bi lahko rekli, živel življenje tisočerih mačk v dobrih hišah, katere se namestijo na najboljšem mestu v spalnici ali dnevni sobi… Ko so prišli na obisk ljudje, ki ga niso zanimali, se je umaknil v kot s svojim zvezkom in vedno prisotnim peresom.”

 

Toda Donné nadaljuje: “Ni bil klečeplazen, toda njegova zvestoba v prijateljstvu bi prestala vse teste." In res je na pogrebu za njim žaloval širok krog prijateljev.

Foucaultovo ime je bilo kasneje zapisano v železno konstrukcijo Eiffelovega stolpa. Ni bil genij Newtonovega ali Einsteinovega kova, toda napredek se pravično spominja tega čudovitega sina mesta svetlobe.

colorbar.gif (4491 bytes)

 

http://www2.arnes.si/~ssplgobe/foucault.htm

http://www.physics.uoguelph.ca/java/farpendulum.html

 

mail.gif (1693 bytes)