Legendäres Experiment vor 170 Jahren - Foucault, sein Pendel und ...
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Legendäres Experiment vor 170 Jahren - Foucault, sein Pendel und die Drehung der Erde
Vor 170 Jahren führte Léon Foucault im Keller seines Hauses in Paris erstmals seinen legendären Pendelversuch durch: Ein fünf Kilogramm schweres Gewicht hing an einer zwei Meter langen Schnur. Legendäres Experiment vor 170 Jahren - Foucault, sein Pendel und die Drehung der Erde
Pendule de Foucault
▻https://fr.wikipedia.org/wiki/Pendule_de_Foucault
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Le pendule : quel système de référence ?
Le pendule de Foucault pose la question de la nature du repère qui sert de référence. En effet, tout mouvement est relatif. Si la Terre est en rotation, elle l’est par rapport à quelque chose ; on ne peut pas parler d’un mouvement sans définir un cadre de référence. Ce cadre est le référentiel galiléen dans lequel le pendule oscille dans un plan fixe.
Les mesures montrent que les étoiles distantes6 semblent former, en première approximation, un référentiel par rapport auquel le plan d’oscillation du pendule paraît être fixe. Mais comment est défini exactement ce référentiel ? Qu’a-t-il de particulier pour que le pendule reste fixe par rapport à celui-ci et pas un autre ? Cette question reste toujours sujette à controverse7.
Cette question ne posait pas de problème fondamental au temps de Foucault, car il était généralement admis à cette époque qu’il existait un espace absolu, tel que l’avait postulé Newton dans ses Principia Mathematica, par rapport auquel tous les mouvements sont définis, et qui forme donc un référentiel naturel d’oscillation du pendule. Cette notion d’espace absolu avait été critiquée notamment par Leibniz et d’autres philosophes, mais restait un concept dominant vers la fin du XIXe siècle, d’autant que la découverte alors récente des ondes électromagnétiques par Maxwell semblait impliquer l’existence d’un éther luminifère qui constituait également un repère absolu. À cette époque, le physicien Ernst Mach essaye de nouveau d’apporter une critique de l’espace absolu, et postule le principe de Mach, selon lequel l’inertie des objets matériels est définie par rapport à un référentiel constitué par les masses distantes. Selon ce principe, dans un univers sans aucun objet matériel, l’espace absolu serait inobservable. On n’y sentirait donc aucune accélération ni force centrifuge, et le pendule n’y oscillerait pas selon un plan fixe. Si le principe de Mach est vrai, alors le référentiel d’oscillation du pendule serait le référentiel défini par la distribution de la matière de tout l’univers, et serait donc lié aux étoiles distantes, comme cela est observé8.
Au début du XXe siècle, Albert Einstein élabore la théorie de la relativité, guidé en partie par le principe de Mach. Einstein espérait démontrer le principe de Mach à partir des équations de la théorie de la relativité générale. Mais des difficultés théoriques rendaient difficile cette démonstration, et Einstein finit par y renoncer7. La théorie de la relativité semble alors en contradiction avec le pendule de Foucault : cette théorie postule qu’il n’existe aucun référentiel privilégié, et pourtant on constate que le pendule de Foucault privilégie un référentiel précis.
Cependant, la théorie de la relativité générale implique l’existence d’une entité, l’espace-temps, qui possède une réelle existence physique7, et qui existe indépendamment des masses, même si l’espace-temps est déformé et modelé par elles9. L’espace-temps permet donc de définir un référentiel galiléen par rapport auquel le pendule reste fixe9.
Actuellement, il n’existe pas de preuves que le référentiel du pendule est lié réellement aux masses distantes par le principe de Mach, ou à l’espace temps. Il existe pourtant une expérience qui permettrait d’apporter des éléments de preuve : la vérification de l’effet Lense-Thirring sur le pendule9. Cet effet prévoit que l’espace-temps est (très faiblement) entraîné par la rotation de la Terre, et que celle-ci imprime donc un faible mouvement de rotation à l’espace temps. Si le pendule est lié à l’espace-temps, comme le prévoit la relativité générale, on devrait observer une dérive du pendule par rapport aux étoiles de l’ordre de grandeur de l’effet Lense-Thirring, et dépendante de la latitude (contrairement à l’effet prédit par Mach). Mais cet effet n’est pas encore mesurable sur un pendule de Foucault par les technologies actuelles.
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Pendule de Foucault de 67 mètres lâché au Panthéon de Paris à une distance de 50 mètres à l’est du point d’équilibre avec une vitesse initiale nulle. La vitesse de rotation de la Terre est exagérée (1 tour en 110 secondes). Vue d’une caméra liée au soleil.
Sechs identische Foucaultsche Pendel während 6 Stunden
