En toch beweegt ze! Foucaults slinger.

En toch beweegt ze!
Het gezegde gaat terug op een uitspraak die Galileo Galilei (1564-1642) zou gedaan hebben na afloop van zijn ondervraging door de Inquisitie, waarbij hij onder dwang zijn eigen theorieën afgezworen had over de bewegingen van de hemellichamen. Eppur si muove! We hebben geen historische zekerheid over die uitspraak. Ze duikt voor het eerst op op en schilderij uit 1643 of 1645, dus kort na de dood van Galilei, wat erop lijkt te wijzen dat de anekdote al bekend was tijdens zijn leven.
Galilei was een aanhanger van de theorie van Copernicus (1473-1543), de man die tegen de gangbare opvattingen in beweerde dat de aarde niet het middelpunt is van het universum, maar een van de planeten van ons zonnestelsel. Die theorie gaf een sluitende verklaring voor de waarnemingen die men deed van de bewegingen van de planeten. Hij zag in dat de schijnbare bewegingen van de planeten en van de zon en van de maan veroorzaakt werden door de bewegingen van de planeten om de zon en de draaiende beweging van de aarde om haar as. Die ideeën formuleerde hij al in 1514, maar pas na zijn dood verscheen zijn boek dat zijn theorie uiteenzette.
Sinds de oudheid waren er verschillende opvattingen over ons zonnestelsel, ook theorieën die uitgingen van een bolvormige aarde die om haar as draait en een beweging om de zon maakt. Maar de gangbare opvatting was die van Aristoteles en Ptolemaeus, die de onbeweeglijke aarde centraal stelden, en alle andere hemellichamen daaromheen lieten draaien. Het christendom nam die opvatting over, en vond in de Bijbel enkele obscure passages die dat leken te bevestigen. Iedereen die dan een andere opvatting verdedigde, viel daarmee ook de onaantastbare Schrift aan, het absoluut ware Woord van God zelf. Dergelijke ketters konden op de brandstapel belanden, niet omdat ze een of andere wetenschappelijke theorie verdedigden, maar omdat ze het gezag van de Bijbel in vraag stelden. De Bijbel zegt echter nergens dat de zon om de aarde draait, doch enkel dat God op miraculeuze wijze de beweging van de zon kon veranderen, wat evengoed mogelijk is in een stelsel waarbij de zon in het centrum staat als in een stelsel waarbij de aarde het middelpunt is.
De theorie van Copernicus was ‘slechts’ dat: een theorie. De bewijzen werden geleverd door de waarnemingen, en door de voorspellende kracht van de theorie. Het duurde nog eeuwen voor men al de wiskundige bewijzen kon leveren voor het fundamentele inzicht van Copernicus. Ondertussen zocht men ook naar experimenten die men hier op aarde kon doen om bijvoorbeeld aan te tonen dat de aarde wel degelijk om haar as draait. De ‘beweging’ van de zon lijkt immers op het tegendeel te wijzen.
Het is verbazingwekkend dat ondanks de enorme vooruitgang van de wetenschap sinds Copernicus’ tijd niemand erin geslaagd was een dergelijk experiment te bedenken en tot een goed einde te brengen. Die eer komt toe aan Léon Foucault (1819-1868). Hij studeerde aan de betere scholen van Parijs en werd laboratoriumassistent, maar behaalde nooit de vereiste diploma’s voor een academische functie. Hij was vooral een uitstekend ingenieur met een diep aanvoelen van de fundamentele natuurwetten en een uitstekend oog voor de praktische toepassingen daarvan.
Zijn idee was uiterst eenvoudig. Hij hing een gewicht op aan een draad op een manier die de frictie van de ophanging zoveel mogelijk uitsluit, zodat het lijkt alsof de slinger zich vrij beweegt in de ruimte en de slingerbeweging zo goed als niet beïnvloed wordt door de draaiende beweging van de aarde. Na een aantal experimentele opstellingen bij hem thuis kwam hij tot het verwachte resultaat: de slingerbeweging bleef in hetzelfde vlak, terwijl de aarde daaronder bewoog. Dat gaf de schijnbare voortschrijdende beweging van de slinger tegenover een onbeweeglijke aarde; maar aangezien er geen kracht aanwezig was om die schijnbare beweging van de slinger te verklaren, moet het wel de aarde zijn die beweegt, Q.E.D. Dat was op 6 januari 1851.
Daarmee was de theorie weliswaar bewezen, maar het was natuurlijk noodzakelijk om een mathematische formule te vinden die het verschijnsel definieert in algemene termen, voor alle plaatsen op aarde. Het is immers zo dat het experiment andere resultaten geeft naargelang de breedtegraad. Als men het gewicht van de slinger voorziet van een punt en onder de slinger zand op de grond legt zodat die punt een lijn trekt in het zand, zal de slinger een reeks lijnen trekken die voorschrijden in de richting van de klok op het noordelijk halfrond en in de tegenovergestelde richting in het zuidelijk halfrond. Bovendien is de tijd nodig om een volledige cirkelbeweging op de grond te maken, of om de slinger terug op zijn uitgangspunt te brengen, verschillend: aan de polen van de aarde en op de evenaar (zie naschrift ter correctie) is die gelijk aan 24 uur. De tijd nodig om die beweging vol te maken op andere plaatsen van de aarde wordt bepaald door 24 uur te delen door de sinus van de breedtegraad. In Parijs (48°52’ NB) is de duurtijd 32,7 uur. Op 30° NB duurt het exact 48 uur. Ook dat heeft Foucault vastgesteld, allicht door de verhouding te bekijken tussen de breedtegraad en de doorlooptijd van de slingerbeweging.

Foucault heeft vervolgens de gelegenheid gekregen om zijn experiment over te doen onder indrukwekkende omstandigheden: in het Observatorium in Parijs en nadien in het Panthéon, met een slinger van 67 meter en een gewicht van 28 kg. Nadien volgden experimenten door anderen op verschillende plaatsen in Frankrijk en in andere landen, ook in het zuidelijk halfrond, die steeds het verschijnsel bevestigden en tevens de juistheid van de formule. Vandaag zijn er op talrijke plaatsen dergelijke ‘slingers van Foucault’ te bewonderen, ook in het Panthéon in Parijs.
De academische wereld zat verveeld met Foucaults succes. Een eenvoudige laborant was erin geslaagd om als eerste een afdoend bewijs te leveren van een van de fundamentele bewegingen van onze aarde, en dat tevens vast te leggen in een formule. Pas tegen het einde van zijn leven heeft Foucault in academische middens de erkenning gekregen die hij verdiende. De theoretische bewijzen voor zijn formule hebben anderen uitgewerkt, maar dat vermindert de verdiensten van deze visionaire ingenieur zeker niet.
Ik las daarover het boeiende boek van Amir D. Aczel, Pendulum. Léon Foucault and the Triumph of Science, Washington Square Press, 2003. Ik vond geen Nederlandse vertaling. In het Engels is het tweedehands te koop vanaf € 0,77 (Amazon).




