Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Геометрическая фаза — это изменение состояния системы, полностью обусловленное тем, что ее двигают вдоль поверхности необычной формы, такой как сфера. Один из примеров — экспонат, знакомый нам по многим научным музеям: массивный маятник, свободно висящий над центром диска, разграфленного подобно шкале компаса. Маятник Фуко, названный в честь своего создателя Леона Фуко, был представлен широкой публике в 1851 г. и до сих пор остается объектом общего интереса. Причина его популярности состоит в том, что он демонстрирует наглядно и просто, что Земля вращается. На первый взгляд кажется, что маятник качается туда и сюда вдоль линии, проходящей через центр круглой шкалы. Однако всякий, кто понаблюдает за движением маятника несколько минут, увидит, что направление движения маятника медленно меняется, поворачиваясь по диску в одну или другую сторону, подобно минутной стрелке часов.

Но сам маятник не меняет направления качания. На самом деле это Земля вращается под свободно висящим маятником. Если бы маятник Фуко висел на Северном полюсе, то за 24 часа направление его колебаний сделало бы полный оборот на 360° и к исходу суток вернулось в первоначальное состояние. Если бы вместо этого маятник висел на Южном полюсе, то направление его колебаний вращалось бы в противоположную сторону. Так что маятник Фуко — простой способ непосредственно увидеть вращение Земли.

Леон Фуко, родившийся в Париже в 1819 г., никогда не мечтал стать ученым. Хотя уже в раннем возрасте у мальчика проявились склонности к механике, сам он стремился приобрести медицинскую профессию. Однако в какой-то момент Леон обнаружил, что не способен вынести вида крови, и резко изменил свои профессиональные устремления, решив стать физиком. Поначалу он работал лаборантом, но изобретательность и ум вскоре помогли ему получить признание в качестве экспериментатора.

Фуко наткнулся на идею маятника, занимаясь конструированием астрономического оборудования. Он тогда закрепил конец гибкого стального стержня на токарном станке так, что стержень встал параллельно оси вращения станка; таким образом Фуко, сам того не желая, вызвал вибрацию стержня. При этом он заметил, что стержень продолжал колебаться в одном и том же направлении, даже когда станок поворачивался. И тут его чудесным образом осенило, что любой свободно колеблющийся объект на Земле должен, аналогично стержню, колебаться независимо от вращения Земли. А маятник как устройство, при помощи которого можно проверить эту идею, был очевидным и естественным выбором {2} .

Поначалу Фуко устроил в подвале небольшой маятник из проволоки длиной 2 м и латунного шара весом 5 кг. Чтобы обеспечить прямолинейное движение маятника, без колебаний из стороны в сторону и эллиптического движения, он, все подготовив, оттянул груз от центральной позиции при помощи прочной нити. Если пережечь эту нить, маятник освободится и начнет раскачиваться. В нижней части шарообразного груза Фуко закрепил небольшую иглу, которая должна была чуть царапать землю под маятником и показывать таким образом даже небольшие изменения в направлении колебаний. Меньше чем через минуту после начала эксперимента он заметил, что направление колебаний маятника слегка, но уже заметно сместилось к западу, свидетельствуя, что Земля вращается на восток.

Период колебаний маятника растет с увеличением его длины; кроме того, более длинный маятник должен показывать большее смещение между взмахами, чем маятник покороче. К тому же движению более тяжелого маятника с меньшей вероятностью будут препятствовать воздушные течения или несовершенство подвески. Фуко хорошо все это знал, поэтому после первых домашних экспериментов устроил маятник длиной 11 м в Парижской обсерватории. Всего через два качания сдвиг влево был уже ясно виден. Осмелев, Фуко устроил свой самый большой маятник длиной 65 м под куполом парижского Пантеона. Это сооружение приобрело международную известность, хотя в Пантеоне оно пробыло только до 1855 г. В 1995 г. там же была установлена копия оригинального маятника, которая раскачивается до сих пор.

Изобретение Фуко стало мировой сенсацией. В Пантеон собирались толпы людей, жаждавших увидеть маятник в действии, и всего через несколько месяцев эксперимент был повторен в самых разных местах земного шара. Лекции маститых ученых собирали полные залы; люди готовы были часами сидеть и слушать их рассказы о физике. А после лекции они могли собственными глазами увидеть изменения в направлении колебаний маятника. Согласно публикации 1856 г., «по всему миру распространилась маятниковая мания; дошло до того, что монструозный маятник стал чуть ли не обязательной принадлежностью каждого респектабельного дома» {3} .