Φουκό: Από το εκκρεμές, στη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, μέχρι το γυροσκόπιο και το τηλεσκόπιο

Ο Φουκό και το εκκρεμές του
Ενα μυθιστόρημα ταύτισε στη συνείδησή μας τον μεγάλο φυσικό με το... εκκρεμές του.
Η πραγματικά μυθιστορηματική φυσιογνωμία του Φουκό έδωσε ωστόσο λύσεις σε πολλά άλλα θεμελιώδη προβλήματα, όπως η φύση και η ταχύτητα του φωτός ή η κατασκευή ισχυρών τηλεσκοπίων

ΤΟΥ X.BΑΡΒΟΓΛΗ Κυριακή 17 Μαΐου 2009 Το Βήμα

Πριν από το εμπνευσμένο μυθιστόρημα του Ουμπέρτο Εκο, τον Φουκό γνώριζαν μόνο όσοι σπούδαζαν Φυσική ή επισκέπτονταν το Πάνθεον στο Παρίσι, όπου λειτουργεί ακόμη το πρώτο εκκρεμές που κατασκευάστηκε για να δείξει με χειροπιαστό τρόπο στους μη ειδικούς την περιστροφή της Γης. Ετσι όμως το όνομα του μεγάλου αυτού πειραματικού επιστήμονα συνδέθηκε με το πιο ασήμαντο από τα επιτεύγματά του και ξεχάστηκαν οι μεγάλες του επιτυχίες, όπως η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, το γυροσκόπιο και η μέθοδος κατασκευής κατόπτρων για τηλεσκόπια.

Το εκκρεμές του Φουκό δεν είναι καμιά πολύπλοκη συσκευή. Είναι απλά μια μεταλλική σφαίρα που κρέμεται από ένα μακρύ σκοινί. Στην κατάσταση ηρεμίας η σφαίρα κρέμεται κατακόρυφα προς τα κάτω.

Οταν απομακρύνουμε τη σφαίρα από τη θέση ηρεμίας, τότε αυτή κινείται πέρα-δώθε γύρω από τη θέση ηρεμίας, και αυτό είναι ένα εκκρεμές.

Αν η Γη δεν περιστρεφόταν, το εκκρεμές θα ταλαντευόταν πάντα προς την ίδια διεύθυνση. Επειδή όμως η Γη περιστρέφεται, το εκκρεμές αλλάζει κατεύθυνση ταλάντωσης με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο.

Στους πόλους η διεύθυνση των ταλαντώσεων επιστρέφει στην αρχική ύστερα από 12 ώρες, στον ισημερινό δεν αλλάζει καθόλου και στα ενδιάμεσα πλάτη η ταχύτητα αλλαγής της διεύθυνσης παίρνει όλες τις ενδιάμεσες τιμές, που ισούνται με 12 ώρες, διαιρεμένες με το ημίτονο του γεωγραφικού πλάτους του τόπου. Για παράδειγμα, στην Αθήνα χρειάζονται 19 ώρες και 30 λεπτά για να επιστρέψει στην αρχική διεύθυνση.

Το φαινόμενο παρατηρείται πολύ εύκολα αν στην κάτω πλευρά της σφαίρας έχουμε προσαρμόσει μια ακίδα, που κατά την ταλάντωση χαράζει γραμμές στο έδαφος. Οι γραμμές αυτές περιστρέφονται διαρκώς, καθώς αλλάζει η διεύθυνση ταλάντωσης και η περιστροφή αυτή γίνεται τόσο πιο εμφανής σε έναν περαστικό παρατηρητή όσο περισσότερο χρόνο κάνει το εκκρεμές για μια πλήρη ταλάντωση.

Επειδή η περίοδος του εκκρεμούς είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του σκοινιού, είναι φανερό ότι για να είναι εντυπωσιακό το εκκρεμές του Φουκό θα πρέπει να εγκαθίσταται σε πολύ ψηλά οικοδομήματα. Για παράδειγμα στο Πάνθεον του Παρισιού το ύψος εξάρτησης είναι 67 μέτρα και η περίοδος ταλάντωσης 16,4 δευτερόλεπτα. Αξίζει να σημειωθεί ότι το βάρος της σφαίρας δεν έχει σημασία, χρησιμεύει απλά στο να κρατάει το σκοινί τεντωμένο!

Το εκκρεμές του Φουκό στο Πάνθεον του Παρισιού έχει ύψος εξάρτησης 67 μέτρα και περίοδο ταλάντωσης 16,4 δευτερόλεπτα.

Η ζωή του Φουκό μοιάζει λίγο με παραμύθι. Ηταν κοντός και ασθενικός, έπασχε από στραβισμό και «δεν έπαιρνε» τα μαθηματικά. Είχε όμως μια εξαιρετική επιδεξιότητα στις κατασκευές και οι γονείς του αποφάσισαν να τον κατευθύνουν στο μοναδικό «αξιοπρεπές» επάγγελμα για ανθρώπους με τέτοια ταλέντα εκείνη την εποχή, τη χειρουργική.

Σε ηλικία 20 ετών λοιπόν γράφτηκε στην περίφημη Ιατρική Σχολή του Παρισιού και θα γινόταν ίσως σπουδαίος χειρουργός, αν δεν λιποθυμούσε την πρώτη φορά που είδε αίμα!

ΟΑλφόνς Ντονέ, ένας καθηγητής που είχε εκτιμήσει τις ικανότητες του νέου φοιτητή, τον έπεισε να ασχοληθεί με την ιατρική μικροσκοπία και του ανέθεσε να φτιάξει τον πρώτο φωτογραφικό άτλαντα μικροσκοπικών παρασκευασμάτων.

Ο Φουκό για το θέμα αυτό συνεργάστηκε με έναν συμφοιτητή του, ο οποίος επίσης δεν αγαπούσε ιδιαίτερα την Ιατρική, τον Ιπολίτ Φιζό.

Οι δυο τους βελτίωσαν τις πρωτόγονες τότε μεθόδους φωτογραφίας και όχι μόνο δημοσίευσαν ένα βιβλίο με 80 «πρότυπες» φωτογραφίες μικροσκοπικών παρασκευασμάτων, αλλά ύστερα από παραγγελία του Φρανσουά Αραγκό, διευθυντή του αστεροσκοπείου του Παρισιού, πήραν και εξαιρετικές φωτογραφίες του Ηλιου.

Ο Αραγκό εκτίμησε πολύ τις ικανότητες του Φουκό και τον «μύησε» σε ένα από τα ιστορικότερα προβλήματα της Φυσικής, αυτό της διάκρισης μεταξύ της σωματιδιακής θεωρίας φωτός του Νεύτωνα και της κυματικής θεωρίας φωτός του Χόιχενς.

Ο Αραγκό είχε αποδείξει ότι αν το φως αποτελείται από σωματίδια, τότε το φαινόμενο της διάθλασής του στην επιφάνεια του νερού, χάρις στο οποίο τα κουπιά μιας βάρκας φαίνονται «σπασμένα», οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το φως διαδίδεται στο νερό με μεγαλύτερη ταχύτητα από ό,τι στον αέρα.

Μάλιστα, ο ίδιος είχε αρχίσει μια σειρά πειραμάτων για να μετρήσει αυτές τις ταχύτητες, αλλά η εξασθενημένη από τον διαβήτη όρασή του δεν του επέτρεψε να τα ολοκληρώσει.

Το πείραμα ανέλαβαν να το συνεχίσουν οι Φουκό και Φιζό και όχι μόνο έμειναν στην ιστορία ως οι πρώτοι επιστήμονες που μέτρησαν την ταχύτητα του φωτός με μεγάλη ακρίβεια, αλλά και επιβεβαίωσαν οριστικά την κυματική θεωρία, μιας και βρήκαν ότι η ταχύτητα του φωτός στο νερό είναι μικρότερη από ό,τι στον αέρα.

Γυροσκόπιο και τηλεσκόπια
Ο μεγάλος αυτός πειραματιστής δεν περιορίστηκε στις παραπάνω επιτυχίες που τον έκαναν διάσημο, τόσο στο ευρύ κοινό όσο και στην επιστημονική κοινότητα. Κατάφερε να σημειώσει σημαντικές επιτυχίες και σε πολλούς άλλους τομείς.

Για παράδειγμα, δική του εφεύρεση είναι ο μηχανισμός αυτόματης ρύθμισης του βολταϊκού τόξου, αυτής της φωτεινή πηγής που όχι μόνο παλαιότερα φώτιζε εξωτερικά τα μεγάλα κτίρια αλλά και ήταν η μοναδική πηγή φωτός στις κινηματογραφικές μηχανές προβολής, προτού εφευρεθούν οι λυχνίες ξένον. Σίγουρα όμως δύο εφευρέσεις του αποτελούν ακόμη και σήμερα κομβικά σημεία της Διαστημικής και της Αστρονομίας. Η πρώτη είναι το γυροσκόπιο και η δεύτερη είναι η μέθοδος κατασκευής τηλεσκοπικών κατόπτρων.

Το γυροσκόπιο είναι μια άλλη συσκευή που αρχικά πρότεινε ο Φουκό για να αποδείξει την περιστροφή της Γης. Αποτελείται από έναν βαρύ σιδερένιο τροχό που περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα.

Σύμφωνα με τους νόμους της Μηχανικής, η κατεύθυνση του άξονα περιστροφής του τροχού παραμένει σταθερή, όπως και αν κινηθεί η βάση στήριξής του. Σήμερα το γυροσκόπιο είναι η συσκευή με την οποία καθοδηγούνται τα διαστημόπλοια και οι τεχνητοί δορυφόροι κατά την κίνησή τους στο Διάστημα. Κάθε διαστημόπλοιο ή δορυφόρος έχει τρία γυροσκόπια, οι άξονες περιστροφής των οποίων είναι κάθετοι μεταξύ τους και ορίζουν ένα σύστημα καρτεσιανών συντεταγμένων.

Με βάση αυτό το σύστημα οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές ελέγχουν στη συνέχεια τους κινητήρες, οι οποίοι διορθώνουν τον προσανατολισμό και την τροχιά του διαστημοπλοίου.

Η τελευταία μεγάλη εφεύρεση του Φουκό ήταν η μέθοδος κατασκευής μεγάλων τηλεσκοπικών κατόπτρων.

Από την εποχή του Γαλιλαίου όλα τα μεγάλατηλεσκόπια ήταν φτιαγμένα με φακούς. Ο Φουκό πρώτος διέβλεψε ότι ήταν εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστούν μεγάλοι φακοί για τηλεσκόπια και έστρεψε την προσοχή του στα κάτοπτρα.

Επινόησε την κατασκευή κατόπτρων από επιμεταλλωμένο γυαλί καθώς και τη μέθοδο λείανσης της επιφάνειας του κατόπτρου, η οποία ακολουθείται ακόμη και σήμερα. Δυστυχώς ο μεγάλος αυτός πειραματικός επιστήμονας είχε άτυχο τέλος. Τρία μόλις χρόνια αφότου είχε επιτέλους εκλεγεί μέλος της Γαλλικής Ακαδημίας (με την έκτη προσπάθεια, επειδή ήταν αδύνατος στα μαθηματικά!), πέθανε το 1868 από μια επιθετική μορφή σκλήρυνσης κατά πλάκας, σε ηλικία μόλις 49 ετών.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.