科学史上最も興味深いこの実験は、地球の「動き」と「静止」の謎を解き明かすものである。

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リヴァイアサンプレス:

フーコーの振り子は単純に見えますが、実際には設置する際には細心の注意が必要です。不確実な構造があると振り子が余計に回転し、それが地球の影響と間違われる可能性があるからです。振り子の最初の始動は非常に重要であり、伝統的な操作方法は、不要な横方向の動きを避けるために、下げ振りを一時的に固定している綿糸を炎で燃やすことです。また、空気抵抗によって振動が弱まるため、今日では博物館のフーコー振り子には、鉛直錘を揺らし続けるために電磁力やその他の駆動装置が組み込まれていることが多い。

1851 年 3 月 31 日、好奇心旺盛なパリの人々が歴史的な科学実験を見るためにパンテオンに集まりました。建物の中央にそびえ立つドームの下に、一見単純な装置が発見された。重さ28キロの銅で覆われた鉛の球が、長さ200フィートのケーブルで建物のドームの下に吊り下げられていたのだ。地面に木製の台が置かれ、薄い砂の層で覆われていました。金属ボールはロープで壁に固定されていました。

群衆は次第に静かになっていった。デモの主催者である32歳のアマチュア科学者レオン・フーコー氏は前に出て、火のついたろうそくを使って金属球を固定していたロープを燃やし、球を解放した。観客の目の前で、振り子はホールの中でゆっくりと揺れ、砂の上を通過するたびに、ボールの底にある円錐の先端が砂の上に線を描きました。

イタリア、ミラノの国立科学博物館にあるフーコーの振り子実験のレプリカ。 © ウィキメディア・コモンズ

最初は何も変わりませんでしたが、時間が経つにつれて、信じられないようなことが起こりました。徐々に、砂の線が動き始め、プラットフォームの周りを時計回りに着実に走り始めました。 1時間も経たないうちに10度以上回転し、翌日には完全に一周して元の出発点に戻っていた。

レオン・フーコーは、最も単純な装置だけを使用して、多くの人が長い間疑っていたものの証明できなかった事実を決定的に証明しました。地球は確かに自転しているのです。これは科学史上最も優雅で力強い実験物語の一つです。

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人類の歴史の大部分において、人々は地球が宇宙の中心にあり、太陽、月、恒星、惑星がその周りを回っている、いわゆる「地球中心」の宇宙モデルを信じていました。しかし、16 世紀と 17 世紀には、コペルニクス、ケプラー、ガリレオなどの科学者の努力により、人類は徐々に、地球と惑星が太陽の周りを回るという「太陽中心」のモデルを採用するようになりました。宇宙認識のこの変化をもたらした重要な要因は、逆行運動の問題でした。逆行運動とは、惑星が時折、一時的に「後進」運動をしてから、再び本来の運動に戻るという奇妙な現象です。

西暦 2 世紀、ローマの天文学者クラウディウス・プトレマイオスは、惑星が周転円に沿って運動すると提唱し、逆行運動と地動説を調和させました。しかし、プトレマイオスのモデルは天文現象の予測や暦の設定などの実用的な目的にはうまく機能しましたが、周転円の概念は扱いにくく、既知の運動法則では説明できませんでした。対照的に、地球中心モデルははるかに簡潔で、惑星が互いの軌道を追い越すことの結果としての逆行運動を簡単に説明できます。それはまた、1世紀後にアイザック・ニュートン卿によって発見された重力と運動の法則とも完全に一致しました。

しかし、これらの理論と観察は地球が太陽の周りを回っていることを明確に証明しましたが、地球が自転しているかどうかについては何も情報を提供しませんでした。天文学者たちは長い間、太陽と星が空を横切って描く円形の軌道から、地球は自転していると信じてきたが、この事実の確固たる証拠を提示できた者は誰もいなかった。

地球が実際に自転しているという最初の確かな手がかりは、主に偶然に生まれました。 1573年、イギリスの天文学者トーマス・ディッグスは、地球が太陽の周りを回っている場合、恒星の位置は1年の間にわずかに変化するはずであり、これは恒星視差と呼ばれる現象であると予測しました。

次の世紀にわたって、フランス人のジャン・ピカール、イギリス人のジョン・フラムスティード、ロバート・フックを含む数人の天文学者が、これが事実であることを確認しました。

年周視差による星の視差運動。 © ヴィトテクノロジー

残念ながら、この変化の大きさと年周期は視差によって生じるものと一致しません。この矛盾は1728年まで天文学者を困惑させていたが、この年、イギリスの第3代王立天文学者ジェームズ・ブラッドリーが、この変化（彼はこれを恒星行差と呼んだ）は地球が太陽の周りを公転することではなく、地球の自転によって引き起こされていることに気づいた。

この現象の最も簡単な例えは雨の中を歩くことです。風などがなく、じっと立っていれば、雨はただ上から降ってくるだけです。しかし、歩いたり走ったりすると、雨粒が正面から当たります。そのため、雨は真下に降っているにもかかわらず、あなたの基準フレームからは、あなたの動きによって、雨が斜めに降っているように見えます。同様に、地球が宇宙空間を移動すると、遠くの星からの光（直線で移動する）がわずかな角度のずれを伴って到達するように見え、光源の見かけの位置が変わります。

1687 年早くも、アイザック・ニュートン卿は地球の自転に関する実験的検証を提案しました。ニュートンは、彼の代表作『自然哲学の数学的原理』の中で、地球の自転によって生じる遠心力によって地球が赤道付近で膨らむだろうと予測した。もしこれが真実なら、重力は赤道上では両極よりもわずかに強くなるはずで、この現象は、例えば振り子の揺れの時間を計ることで測定できる。

実際、フランスの天文学者ジャン・リシェは1673年にすでに同様の実験を行っており、秒振り子（2秒ごとに1回振れる振り子）の振動がフランス領ギアナではパリよりも2.8ミリメートル少ないことを発見しました。 1736 年、フランスは極点の弧度 1 度と赤道付近の子午線の弧度 1 度を測定するために 2 回の遠征隊を派遣しました。彼らは、地球が両極で平らで、赤道で膨らんでいることを発見し、ニュートンの疑いを裏付け、地球が自転しているという考えをさらに裏付けました。

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ニュートンのもう一つの推測は、自由落下する物体は落下点よりわずかに東に落ちるというもので、これは現在コリオリの力として知られている現象です。この効果により、ハリケーンやサイクロンなどの大規模な気象システムが北半球では時計回りに、南半球では反時計回りに回転するようになり、長距離に砲弾を発射する際にはこれを考慮する必要があります。

しかし、一般に信じられていることとは反対に、コリオリの力によってトイレの水洗が半球ごとに異なる方向に回転するわけではありません。ハリケーンは直径が数百キロメートルにもなり、数日間続くこともあります。シンクやトイレは比較的小さく、コリオリの効果が排水量に影響を及ぼす時間はほとんどありません。

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実際、シンク、トイレ、浴槽の排水方向について議論する場合、特にシンクの形状やトイレの蛇口の方向など、水の流れに影響を与える他の要因と比較すると、コリオリの力の影響はほとんどありません。この場合、トイレ内の渦に対するコリオリ効果は、竜巻における蝶の羽ばたきと同じくらい取るに足らないものです。

いずれにせよ、ニュートンの予測に基づいて、1679 年にイギリスの科学者ロバート フックは、8.2 メートルの高さから落下した物体の東方向の偏向を測定しようとしました。しかし、この距離は測定結果を得るには短すぎます。それから100年後、ジョバンニ・グリエルミニ、ヨハン・ベンツェンベルク、フェルディナント・ライヒの3人の科学者が、高さ150メートルの塔から物体を落としてコリオリの力の存在を確認した。

これらの実験は科学界を納得させるほど説得力があったものの、地球の自転について依然として疑問を抱いていた一般大衆にとっては、結果が小さすぎて謎めいていた。その後、レオン・フーコーと彼の有名な振り子が登場しました。

ジャン・ベルナール・レオン・フーコーは1819年9月18日にパリで生まれました。出版者をしていた父親はフーコーが9歳の時に亡くなり、母親は病気がちだったため、フーコーは主に家庭で教育を受けた。彼は子供の頃から機械工学に並外れた才能を発揮し、電信機や蒸気機関などの装置を製作することができました。フーコーは文学士の学位を取得した後、医学の勉強を始めました。しかし、彼は血に対する恐怖のためすぐに学校を中退し、後に細菌学者アルフレッド・ドネの研究室助手になった。

3年後、フーコーは物理学者イポリット・フィゾーと協力して、光の性質と特徴に関するさまざまな実験を行いました。彼はまた、ルイ・ダゲールが新たに発明したダゲレオタイプに強い関心を持ち、それにいくつかの改良を加えました。

しかし、1850年までにフーコーとフィゾーは仲が悪くなり、袂を分かつことになった。 1851年、二人はそれぞれ独立した実験を行い、光の速度を計測したところ、当時認められていた値の5%以内でした。フーコーはまた、光は空気中よりも水中でゆっくりと進むことを突き止め、アイザック・ニュートン卿の光の「粒子」理論を反証し、科学界を光の波動理論へと向かわせることに貢献したが、これはまた別の話である。

レオン・フーコー（1819-1868）。 © アストロヌー

1851 年 1 月初旬のある晩、フーコーは彼の最も有名な洞察を思いつきました。それは、地球の自転は大きな振り子を使って証明できるというものでした。フーコーの振り子の原理はコリオリの力と同じです。空飛ぶ大砲の弾や落下する重りのように、振り子は地球の自転とは関係なく、直線または固定面内を動きます。言い換えれば、慣性座標系内にあります。

外部からの力が作用しない限り、振り子はこの平面に沿って揺れ続けます。つまり、地球が振り子の下で回転するにつれて、この平面は開始位置に対して、北半球では時計回りに、南半球では反時計回りに回転します。

この回転の速度は振り子が位置する緯度によって異なります。極では24時間に1回回転しますが、赤道ではまったく回転しません。その他の緯度では、回転速度は緯度角の正弦に比例します。たとえば、パリの北緯 48.85 度では、フーコーの振り子は 31.85 時間ごとに 1 回転します。振り子の吊り点は地球に固定されているため、振動面は実際には固定されたままではなく、1 日あたり 180 度の割合で回転し、2 日ごとに元の位置に戻ります。

望ましい結果を得るために、フーコーは振り子を非常に注意深く構築しなければなりませんでした。吊り下げケーブルのアンカーポイントは、どの方向にも揺れないようにユニバーサルジョイントでなければなりません。また、ロープ自体は、不要な共振を防ぐために、可能な限り柔軟で均一で欠陥のないものにする必要があります。不均一な空気抵抗によっても振り子は曲がるため、振り子のボールは流線型で対称的で、できるだけ大きくなければなりません。最後に、振り子を解放する過程で外力が加わると、振り子の揺れに重大な影響が及びます。そのため、フーコーの振り子は通常、糸を燃やして解放されます (今日の科学博物館にある多くの例には、空気抵抗の影響を打ち消し、振り子を無期限に揺らし続けるための電磁システムも装備されています)。

1851年1月3日、フーコーは自宅の地下室に吊るした小さな振り子を使って自分のアイデアを試しました。基本原理を確認した後、彼はナポレオン3世皇帝を含む科学者や高官のグループに招待状を送り、次のように書きました。

「地球が回転するのを見に来ませんか。」

フーコーの振り子の最初の公開デモンストレーションは、1851 年 2 月 3 日にパリ天文台の子午線室で行われました。招待された科学者たちはこの劇的な実験に驚嘆したが、フーコーが正式な教育を受けていなかったため、科学界はなかなかこの実験を真剣に受け止めることができなかった。

1 か月後、フーコーはパンテオンで有名な公開デモンストレーションを行い、その功績が確立されました。このデモンストレーションにより、フーコーは瞬く間に有名になり、展示会には大勢の観光客が集まりました。フーコーの振り子は、人々の足元の惑星の回転に関する懸念をすぐに和らげた。同年、フーコーは研究結果を発表し、科学界は渋々ながら彼を受け入れた。

1855年、彼は機械エネルギー、熱、磁気に関する科学的貢献により、ロンドン王立協会の最高栄誉であるコプリー賞を受賞しました。同年、彼はパリの帝国天文台の物理学者に任命された。この役職は彼のために特別に設けられたものだった。最終的に、1865年に彼はフランス科学アカデミーの会員に選出されました。

フーコーは振り子の発明で最もよく知られていますが、晩年に物理学とテクノロジーにもたらした多くの重要な貢献も見逃せません。たとえば、彼は磁石が動く銅板に渦電流を発生させることを発見しました。この現象は現在、高速列車の減速に使用されています。彼はまた、アーク照明を実用化する機構も開発しました。彼はジャイロスコープを開発して命名し、それを使って地球の自転を再び実証しました。彼は新しい蒸気機関の調速機を発明した。そして彼は望遠鏡のレンズに多くの改良を加えました。

しかし、よく言われるように、「ろうそくが明るくなればなるほど、その燃える時間は短くなる」のです。レオン・フーコーは、1868 年 2 月 11 日にパリで多発性硬化症のため 49 歳で亡くなりました。

パンテオンにあるフーコーの振り子。 © アストロヌー

1855年、1851年の最初のデモンストレーションに使用された振り子球はパリの工芸博物館に移され、1902年にはフーコーの振り子実験50周年を記念して別の振り子球がパンテオンに一時的に設置されました。 1995年に、オリジナルの球体はパンテオンに返還されました。

しかし、2010 年 4 月 6 日、振り子を固定するケーブルが破損し、歴史的な振り子と博物館の大理石の床の両方に修復不可能な損傷が発生しました。そのため、振り子球は後に別のガラス箱に入れて展示され、フーコーの振り子のレプリカが元の場所に設置されました。

スペイン、バルセロナのコスモカイシャ美術館にある、フーコーにインスピレーションを受けた振り子のインスタレーション。地球が自転するにつれて、振り子の軌道によって、振り子の球が徐々に円周を囲む垂直の棒を押し下げるようになります。 © ウィキメディア・コモンズ

スミソニアン博物館の振り子は、アメリカの歴史とほとんど関係がないという理由で、最終的に廃止されました。 © スミソニアン協会アーカイブ

1995年以降、パンテオンに別のレプリカが設置され、現在では世界中の科学博物館にフーコーの振り子のレプリカが数十点展示されています。これらの振り子には、振り子を揺らし続ける電磁駆動の他に、振り子のボールが徐々に押し下げる円状の極など、他の機能が付いていることがよくあります。しかし結局のところ、これらすべては同じ優れた原理に基づいて機能します。つまり、最も強力な実験は、多くの場合、最も単純なものなのです。

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ジル・メシエ

翻訳者：tamiya2

校正/ウサギの軽い足音

オリジナル記事/www.todayifoundout.com/index.php/2024/02/the-fascinating-story-of-one-of-the-most-elegant-and-powerful-experiments-in-the-history-of-science/

この記事はクリエイティブ・コモンズ・ライセンス（BY-NC）に基づいており、tamiya2によってLeviathanに掲載されています。

この記事は著者の見解を反映したものであり、必ずしもリヴァイアサンの立場を代表するものではありません。