Foucault Sarkacı

Foucault Sarkacı, adını Fransız fizikçi Léon Foucault'dan alan, ilk defa deneysel olarak Dünya'nın kendi ekseni çevresinde döndüğünü kanıtlayan sarkaç düzeneğidir



Bir sarkacın asılma noktası değiştiği halde salınımı değişmediğini gözleyen Foucault, yeterince büyük bir sarkaç harekete geçirildiğinde, bunun salınım düzeninin değişmeyeceğini, fakat yerin, yani Dünya'nın hareket edeceği kuramını geliştirmiştir Eğer Dünya dönüyorsa, Dünya ile birlikte sarkacı izleyen gözlemciler de dönecekler, buna karşın sarkacın salınım düzlemi hareketsiz kalacaktı Bu nedenle sarkacın salınım düzlemi gözlemcilere göre yavaşça hareket ediyor gibi görünecekti Gerçekte ise, gözlemcilerin dolaysız bir yolla izlemiş oldukları olay, Dünya'nın kendi etrafında dönmesinin bir sonucuydu

Düşünceleri ile toplumda büyük bir ilgi uyandıran Foucault'ya imparator III Napolyon, deneyini Paris'teki büyük kubbeli Panthéon binasında yapmasına izin vermiştir Foucault, kubbenin ortasına 67 metrelik çelik telle 28 kg ağırlığında bir demir top asmıştır Topun alt tarafına sivri bir uç takılarak, yere serili ince kum tabakasında, bu ucun bıraktığı izlerden yararlanarak, sarkacın salınım düzlemindeki değişimin gözlemciler tarafından izlenebilmesi sağlanmıştır



Bu tarihi deneyi izlemek için Pantheon'a büyük bir kalabalık toplanmıştır Foucault'nun sarkacı hareket ettirmesinden bir saat önce, titreşim ve hava akımlarına engel olmak üzere, gözlemcilerin hareketsiz ve sessiz olmaları temin edilmiştir Sessizce salınımına başlayan sarkacın salınım düzleminde, bir süre her hangi bir değişim gözlenmemiştir Bu sessiz bekleyişin ardından gözlemciler, kumun üzerindeki izlerin yavaşça değiştiğini görmüşlerdir Sarkacın salınım düzlemi gözle görünür biçimde dönmektedir Bu topluluk, tarihte ilk kez Dünya'nın kendi ekseni etrafında döndüğüne tanık olmuştur Foucault'nun 1851'de, bu deney sırasında Pantheon'a yerleştirdiği bu sarkaç hala aynı yerde asılı durmaktadır

Kuzey Kutbu ya da Güney Kutbu'nda, bir sarkacın salınım düzlemi, altındaki Dünya dönmeye devam ederken, yıldızlara göre değişmeden sabit kalacaktır Tam turunu tamamlaması bir gün sürecektir

Foucault sarkacına benzeyen bir düzenekle benzeri bir deney, Foucault'dan iki yüzyıl önce 1661'de Vincenzo Viviani tarafından gerçekleştirilmiştir

Dünya'daki pek çok kurum, müze ve laboratuarlarda, Foucault sarkacına benzeyen sarkaçlar bulunmaktadır Hatta Güney Kutbu'nda da bir Foucault sarkacı bulunur Türkiye'de Bilkent Üniversitesi Fen Fakültesi binasında ve Ege Üniversitesi Rasathanesi'nde bulunmaktadır

1850′lerde Foucault Paris’teki Pantheon’un kubbesine 67 m uzunluğunda bir sarkaç astı Sarkaç topu her salınımda yaklaşık 1 cm presesyon yaptı Bu, Dünyanın gerçekten döndüğüne dair doğrudan ilk delildi
Sarkaç her yöne salınacak şekilde asılmıştı İleri geri salındıkça hareket düzlemi de düşey bir eksen etrafında yavaş yavaş salınıyordu Orta enlemlerde yaklaşık 1,5 günde bir tam dönme gerçekleşiyordu Bu presesyon Yerin dönmesi sebebiyleydi Hareket düzlemi bir eylemsizlik sistemine göre sabitti, ancak altındaki Yerküre dönüyordu


Foucault Sarkacı Dünyanın döndüğünü dramatik bir şekilde göstermekle birlikte derin bir sır da taşır Bu sarkacı Kuzey Kutbu’na götürdüğümüzü düşünelim Presesyon aşikar bir yanılgıdır Altındaki Dünya dönerken hareket düzlemi sabit kalır Neye göre? Sarkaç düzlemi sabit yıldızlara, mesela Kutup Yıldızı’na, göre sabit kalır Bu nasıl olabilir? Sarkaç sabit yıldızlara göre durgun bir düzlemde dönmesi gerektiğini nereden “biliyor” da düzgün bir oranda dönen düzleme göre dönmüyor?


Bu soru Newton’un da başını ağrıtmıştı O bunu başka bir deneyle gösterdi: Durmakta olan bir kovanın içindeki suyun yüzeyi düzdür Kova sabit bir oranla ekseni etrafında döndürülürse, bir süre sonra su yüzeyi dönme parabolü şeklini alır Kova birden durdurulsa bile suyun yüzeyi bir süre daha şeklini korur Açıkça görülüyor ki sıvı yüzeyinin şeklini belirlemede kovaya göre hareket önemli değildir Su döndükçe yüzeyin biçimi değişir Newton buradan şu sonuca vardı: Su yüzeyini gözleyerek başka hiç bir harici nesneye bakmaksızın dönme hareketini tespit edebildiğimize göre, dönme hareketi mutlaktır
Bir taraftan dönme hareketinin mutlak oluşunda gerçekte hiç bir paradoks yoktur Galileo dönüşümleri lokal olarak sabit hızla hareket eden sistemleri ayırt edemeyeceğimizi söyler Fakat bu, ivmeli sistemleri ayırt edemeyeceğimiz anlamına gelmez Suyun dönme hareketi yaptığını hiç bir yere bakmadan anlamamız Galileo invaryansına ters düşmez

Ancak diğer taraftan ortada bir muamma var Hem Foucault Sarkacı hem de dönen kova hareketlerini sabit yıldızlara ayarlamaktadır Sabit yıldızlar nasıl olur da bir eylemsizlik sistemi belirleyebilir? Sarkaç düzlemini sabit yıldızlara göre de dönmekten alıkoyan nedir? Ya da kovadaki su yüzeyi kova sabit yıldızlara göre durgunken niçin düz kalmaktadır?
1883 yılında Newton fiziği hakkında ilk ciddi kritiği yazan Ernst Mach problemi şöyle ele aldı: Kovayı sabit tutarak bütün yıldızları döndürmeye başladığımızı farz edelim Fiziksel olarak bunun önceki durumdan farkı yoktur, bir tek farkla ki su yüzeyi yine parabolik biçim alır Görünüşe bakılırsa kovadaki suyun hareketi evrenin çok uzaklarındaki maddenin hareketiyle bağlantılıdır Daha da müthişi şudur: Evrendeki bütün yıldızları, sadece kovamız kalacak şekilde teker teker evren dışına çıkardığımızı farz edelim Bu sırada kova dönüyorsa ne olur? Kovadaki suyun nasıl davranacağını kestirmenin hiç bir yolu yoktur Uzayın eylemsizlik özellikleri tamamen değişmiş olabilir


Bu çok acayip bir durumdur: Uzayın lokal özellikleri çok uzaklardaki maddeye bağlı, yine de kovayı döndürdüğümüzde su yüzeyi derhal biçim değiştirmeye başlıyor, üstelik uzak yıldızlara sinyal gönderip cevap alacak kadar bile zaman geçmeden Kovadaki su evrenin geri kalanının ne yapmakta olduğunu nereden “biliyor”?

Uzayın eylemsizlik özelliklerinin çok uzaklardaki maddenin varlığına bağlı olduğu prensibi Mach prensibi olarak bilinir Bu prensip bazı fizikçiler tarafından kabul edilir, ancak garip sonuçlara götürebilir Mesela, evrendeki maddenin Dünya etrafında düzgün olarak dağıldığına inanmak için bir sebebimiz yok Güneş sistemi galaksimiz diskinin dışlarına yakın bir yerdedir ve galaksi diski de ince bir düzlem oluşturur Eylemsizlik uzaktaki maddenin varlığına bağlıysa onun farklı yönlerde farklı olmasını ve kütlenin ivmenin yönüne bağlı olmasını beklerdik Böyle bir olay şimdiye kadar hiç gözlenmedi
Eylemsizlik hala bir sır olarak duruyor