Leon Foucault – der Mann, der zeigte, dass sich die Erde um ihre Achse dreht

Zur Startseite

Naturphilosophen und andere Gelehrte Gelehrte hatten zu dieser Zeit alle möglichen Experimente durchgeführt, um dies durch eine Demonstration zu zeigen. Beispielsweise wurden Geschosse aus großer Höhe abgeworfen, beispielsweise aus Minenschächten, um beim Aufprall Abweichungen von der Vertikalen zu messen. Es gab keine eindeutigen Ergebnisse aus diesen Experimenten. Sie hatten auch versucht, eine Kanonenkugel direkt in die Luft zu schießen, um zu sehen, ob sie zum Abschusspunkt zurückkehrte. Der Versuch scheiterte (zum Glück, die Kanonenkugel „verschwand“). Doch noch war es niemandem gelungen, einen wirklich greifbaren, einfachen Beweis dafür zu finden, dass sich die Erde tatsächlich um ihre Achse dreht. Und nun war er, Leon Foucault, kurz davor, dies zu tun. Er, der nur Autodidakt war, würde dies als Erster mit einem eleganten Experiment beweisen. Doch das Seil seines Pendels riss und er musste mit seinem Experiment von vorne beginnen.

Foucault wurde 1819 als Sohn eines Pariser Verlegers geboren. Man könnte meinen, dass ein Wissenschaftler, der so ein schönes Experiment durchgeführt hat, das noch niemandem zuvor gelungen war, über eine umfassende wissenschaftliche Ausbildung verfügen würde. Aber Foucault hatte keine solche Ausbildung. An der Schule College Stanislas in Paris, wo er 1829 begann, schnitt er nicht besonders gut ab und seine Mutter organisierte Privatunterricht zu Hause, damit er seine Grundausbildung bestehen würde und die Möglichkeit haben konnte, weiter zu studieren.

 Foucaults Größe lag in seiner Fähigkeit, seine Hände zu benutzen. Während seiner Schulzeit entwarf und baute er Modellboote und Dampfmaschinen und sogar einen voll funktionsfähigen Telegraphen. Er hatte ein großes Talent für geniale, originelle Konstruktionen und arbeitete mit äußerster Genauigkeit. Als seine Mutter seine Fähigkeiten im Umgang mit seinen Händen erkannte, erkannte sie das Potenzial ihres Sohnes, Chirurg zu werden. Auch Foucault begann 1839 ein Medizinstudium, brach es jedoch nach einer Weile ab, weil er den Anblick von Blut nicht ertragen konnte. Doch bevor er sein Medizinstudium abbrach, erkannte sein Lehrer für Mikroskopie und Histologie, Alfred Donne, das Talent Foucaults und engagierte ihn als seinen Assistenten und Mitarbeiter.

Zu dieser Zeit hatte Louis Daguerre ein erstes fotografisches Verfahren entwickelt, die Daguerreographie. Ein Problem, wenn man mit dieser Technik etwas Dauerhaftes abbilden wollte, bestand darin, dass die Belichtungszeit extrem lang war. Die Zeit für eine Belichtung kann in der Größenordnung von einigen Minuten bis zu einer Stunde liegen. Damit konnte man beispielsweise Landschaften abbilden, Bilder von sich bewegenden Motiven wie Menschen waren jedoch sehr schwierig aufzunehmen

Um die Daguerreographie weiter zu verbessern und die Belichtungszeiten zu verkürzen, war eine starke Beleuchtung des abzubildenden Objekts erforderlich. Foucault gelang es auf verschiedene Weise, neue, bessere Beleuchtungstechniken zu entwickeln, die in der Mikroskopie eingesetzt werden konnten und es nun ermöglichten, beispielsweise auch biologische Präparate zu fotografieren (1845). Zusammen mit Alfred Donne erstellte Foucault einen Atlas mit 80 Bildern histologischer Präparate (Cours de Microscopie ).

Histologische Präparate im Atlas Cours de Microscopie . Mit Daguerreographie abgebildet

Francois Arago, ständiger Sekretär der Französischen Akademie der Wissenschaften und selbst Wissenschaftler, beauftragte 1844 Foucault und Fizeau , diese fotografische Technik zu nutzen, um scharfe Bilder der Sonne zu machen. Ziel war es, das Wissen über den Aufbau der Sonne zu erweitern. Foucault konstruierte einen Heliostat, ein Gerät, das es ermöglicht, die Sonne an einem bestimmten festen Punkt zu reflektieren und die Bewegung der Sonne auszugleichen. Mit dieser Technik gelang es ihnen, scharfe Bilder der Sonne zu machen und so zum Wissen über den Aufbau der Sonne beizutragen.

Im Rahmen seiner Erforschung der Natur des Lichts bestimmte Francois Arago die Lichtgeschwindigkeit im Wasser. Doch Diabetes verschlechterte sein Sehvermögen immer mehr, er konnte nicht mehr alleine experimentieren. Anschließend beauftragte er Foucault und Fizeau, seine Arbeit fortzusetzen und diese Entscheidung zu treffen. In der Beziehung zwischen den Freunden scheint sich etwas getan zu haben, möglicherweise waren sie sich nicht einig, welche Methoden sie anwenden sollten, aber zumindest begannen die beiden Freunde, getrennt zu arbeiten. Fizeau entwickelte die von Arago vorgeschlagene Methode weiter , während Foucault seinen eigenen Versuchsaufbau baute. Beide Methoden basierten auf schnell rotierenden Spiegeln, die sich mit einer genau definierten Geschwindigkeit drehten. Im Jahr 1850 gelang es Foucault und Fizeau jeweils, die Lichtgeschwindigkeit im Wasser zu bestimmen. Das Ergebnis zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit im Wasser geringer ist als in der Luft, was für die damalige Diskussion über die Natur des Lichts von entscheidender Bedeutung wurde. Dies war Foucaults bisher größter Erfolg. Dafür wurde ihm die Copley-Medaille der britischen Royal Society verliehen.

Im Januar 1851, eine Woche nach dem Bruch des Seils, unternahm er einen weiteren Versuch mit einer verbesserten Aufhängevorrichtung. Foucault konnte sehen, wie sich die Richtung des Pendels ständig im Uhrzeigersinn änderte. Er erkannte, dass dies an der Rotation der Erde liegen musste.

Mit jeder Schwingung änderte sich die Richtung der Schwingungsebene ganz leicht im Uhrzeigersinn, d ie Erde drehte sich unter der Schwingungsebene, und als sich die Änderungen für jede Schwingung summierten, wurde der Effekt schließlich sogar mit bloßem Auge und ohne Messgeräte sichtbar . Durch die Hinzufügung der Abweichungen war im Gegensatz zu den bisherigen Experimenten mit abgefeuerten Geschossen der Effekt erkennbar.

Doch wie würde er sein erfolgreiches Experiment der Welt präsentieren? Wie würde er Anerkennung erhalten, insbesondere von der französischen Akademie der Wissenschaften? Foucault war zu dieser Zeit kein anerkannter Wissenschaftler. Aber es gab eine Person, die Foucault dabei helfen konnte, dem Experiment die Aufmerksamkeit zu geben, die es verdiente.

Foucault war zuvor vom Staatssekretär der Französischen Akademie der Wissenschaften, dem Direktor des Pariser Observatoriums, Francois Arago , mit der Durchführung von Experimenten beauftragt worden, und die beiden hatten ein gutes Verhältnis. Er erhielt die Erlaubnis von Francois Arago , die Demonstration im prestigeträchtigen Meridian-Saal des Pariser Observatoriums durchzuführen. Es war sehr toll, das Experiment in diesem Raum durchführen zu können. Der Meridianraum war der größte, höchste und berühmteste Raum im Observatorium. Im Boden des Raumes war der Nord-Süd-Meridian eingezeichnet. Hier könnte das Pendel parallel zum Nord-Süd-Meridian gestartet werden und die Abweichung im Uhrzeigersinn wäre bald sichtbar. 

Diesmal hängte Foucault einen fünf Kilogramm schweren Ball an einer elf Meter langen Leine auf und justierte die Aufhängevorrichtung sorgfältig. Um sicherzustellen, dass die Kugel beim Abfeuern in Ruhe war, befestigte er die Kugel mit einer Baumwollschnur an der Wand, wartete, bis sich die Kugel nicht mehr bewegte, und verbrannte dann die Schnur. Das Pendel wurde nun parallel zum Nord- Süd-Meridian in Bewegung gesetzt und die Abweichung im Uhrzeigersinn wurde bald deutlich. Nun funktionierte das Experiment und alles war für die Präsentation vorbereitet.

Foucault verschickte nun Einladungskarten an alle berühmten Wissenschaftler in Paris. Auf der Einladungskarte schrieb er: „ Sie sind eingeladen, morgen zwischen drei und fünf Uhr im Meridiansaal des Pariser Observatoriums zu kommen und zuzusehen, wie sich die Erde dreht.“

Am 3. Februar 1851 hielt er seine große Demonstration ab. Gleichzeitig lieferte er eine Formel, mit der sich die Rotationszeit der Schwingungsebene in allen Breitengraden des Globus berechnen ließ.  ür ein Pendel, das im Norden oder aufgehängt ist Am Südpol dreht die Schwingungsebene in 24 Stunden (23 Stunden) eine volle Umdrehung 56 Minuten 04 Sekunden). Am Äquator dreht sich die Schwingungsebene überhaupt nicht. Mit der Formel konnte nun die Zeit auf einem beliebigen Breitengrad berechnen. In Paris (auf dem Breitengrad 48 Grad 51 Minuten) drehte das Schwenkflugzeug eine Umdrehung von fast 32 Std. 

Die Reaktionen auf das Experiment waren gemischt. Die Bedeutung des schönen Experiments war allen klar und man hielt es für ein sehr schönes Experiment. Aber wie kam es, dass noch niemand an dieses einfache Experiment gedacht hatte? Und wie haben Sie Foucaults Formel bewiesen? Foucault war kein ausgebildeter Mathematiker und hatte auch keine Erklärung für die Formel hinterlassen.

Die Mathematiker machten sich sofort daran, die Formel theoretisch zu beweisen. Am 17. Februar legte der Mathematiker Jacques Binet der Französischen Akademie der Wissenschaften einen Beweis vor . Aber die Frage blieb und bleibt – wie konnte Foucault diese Formel „finden“?

Aber solch ein schönes Experiment verdiente es natürlich, der ganzen Welt mit Pomp und Umstand bekannt gegeben zu werden. Der damalige Präsident der Republik, Louis-Napoleon Bonaparte, der zukünftige Napoleon III., erkannte den Marktwert einer solchen Demonstration. Er selbst interessierte sich sehr für Naturwissenschaften und ergriff die Initiative für eine öffentliche Ausstellung unter der Kuppel des Pantheons.

Der Rahmen in diesem wunderschönen Gebäude und die Deckenhöhe, die eine Pendellänge von 67 Metern Unter der Kugel befand sich ein Stock, der Spuren in eine Sandbank zeichnete. Jedes Mal, wenn die Kugel vorbeiflog, riss sie ein Stück der Sandbank auf. Selbst ein normalerweise ungeduldiger Beobachter konnte bald erkennen, dass die Kugel ihre Richtung im Uhrzeigersinn änderte.

Natürlich wurde die Bewegung des Geschosses irgendwann durch den Luftwiderstand verlangsamt, aber es pendelte etwa fünf bis sechs Stunden lang hin und her. Während dieser Zeit änderte sich die Richtung der Schwenkebene um etwa 60°.

Anzeigen in den Pariser Zeitungen versprachen nun: „Kommen Sie und sehen Sie sich den Beweis dafür an, dass sich die Erde um ihre Achse dreht.“ Die öffentliche Demonstration fand vor einer großen Menge erstaunter Pariser statt und wurde von Präsident Louis-Napoleon Bonaparte angeführt. Foucault stand tagelang im Pantheon und erklärte den Zuschauern die Funktion. Die Nachricht verbreitete sich schnell um die Welt, weltweit wurden Shuttles gebaut und ein regelrechter Shuttle-Manie brach aus. Das Pendelexperiment wurde unter anderem in Rio de Janeiro auf der Südhalbkugel durchgeführt. Es drehte sich wie erwartet gegen den Uhrzeigersinn. Dies war eine weitere Bestätigung der Gültigkeit der Sinusformel.

Dieses weltberühmte Pendelexperiment von Foucault wird immer noch oft zu den zehn schönsten aller physikalischen Experimente der Welt gezählt.

Foucaults Experiment wurde unter anderem 1852 im Kölner Dom mit einem mindestens 160 Meter langen Pendel wiederholt. Die Pendelzeit soll etwa 25 Sekunden betragen haben! Hier wurde die Gültigkeit der Sinusformel erneut bestätigt. Das Experiment wurde hier viele Male mit unterschiedlichen Startrichtungen wiederholt, um zu sehen, ob das Ergebnis das gleiche war. Die Startrichtung schien das Ergebnis nicht zu beeinflussen.

Wie kam Foucault dann auf die Idee zu seinem Experiment? Ihm war aufgefallen, dass die Schwenkebene unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Drehmaschine beibehalten wird, wenn man eine Stahlstange in eine Drehmaschine einlegt und sie in Schwingungen versetzt, zum Beispiel auf und ab. Der Stahlstab schwang somit die ganze Zeit über weiter auf und ab, auch wenn die Drehmaschine gestartet wurde, und wurde durch die Drehung der Drehmaschine nicht beeinträchtigt. Foucault erkannte, dass dies mit dem Pendel und der Rotation der Erde vergleichbar sei.

Nach seiner großen Pendeldemonstration konstruierte und benannte Leon Foucault auch das Gyroskop, das den Kreiselkompass ermöglichte. Das Gyroskop lieferte auch einen neuen Beweis dafür, dass sich die Erde um ihre eigene Achse dreht.

Im Jahr 1862 führte Foucault eine weitere Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durch und kam auf den damals besten Wert von 298.000 km/Sekunde, nur 0,6 % des heute akzeptierten Wertes. Anschließend nutzte er einen von Thomas Wheatstone vorgeschlagenen Versuchsaufbau .

1865 wurde er in seinem sechsten Anlauf in die Französische Akademie der Wissenschaften gewählt. Darauf hatte er sich während seiner gesamten Erwachsenenkarriere gesehnt.

   Foucaults pendel i Pantheon

Leon Foucault starb 1868 im Alter von 49 Jahren, wahrscheinlich an Multipler Sklerose.

/Bo Göransson

Appendix

Foucaults formel 

Bei seiner Demonstration im Jahr 1851 stellte Foucault fest, dass die Zeit, die die Rotationsebene benötigt, um sich um eine volle Umdrehung zu drehen, durch T = 24 / sin λ berechnet werden könne, wobei λ der Breitengrad des Ortes sei. Der Verdrehungseffekt wäre somit an den Polen am größten. An den Polen gilt der Breitengrad λ = +/- 90°. Da am Nordpol λ = 90° ist, beträgt die Zeit T = 24/sin 90°, d. h. T = 24 h. Die oszillierende Ebene dreht sich also in 24 h um eine volle Umdrehung . Foucault lieferte weder einen Beweis für die Sinusformel, noch hatte er das Experiment an einem anderen Ort durchgeführt und verfügte daher über keine experimentellen Daten von anderen Orten als Paris. Dennoch war es ihm gelungen, eine Formel für die Rotationsgeschwindigkeit aufzustellen, die, wie sich herausstellte, allgemein für den gesamten Globus galt.

Foucault lieferte weder einen Beweis für die Sinusformel, noch hatte er das Experiment an einem anderen Ort durchgeführt und verfügte daher über keine experimentellen Daten von anderen Orten als Paris. Dennoch war es ihm gelungen, eine Formel für die Rotationsgeschwindigkeit aufzustellen, die, wie sich herausstellte, allgemein für den gesamten Globus galt. 

Zuruck