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Foucault, Jean Bernard Léon

(geb. Paris, Frankreich, 19.September 1819; gest. Paris, II. Februar 1868)

Experimentalphysik.

Der Sohn eines Buchhändlers und Verlegers, Foucault erhielt seine Ausbildung zu Hause wegen seiner empfindlichen Gesundheit. Als gleichgültiger Student bestand er das Baccalauréat erst nach einem speziellen Coaching und begann Medizin zu studieren, in der Hoffnung, die beträchtliche Geschicklichkeit, die er (ab seinem dreizehnten Lebensjahr) bei der Herstellung einer Reihe wissenschaftlicher Spielzeuge, darunter einer Dampfmaschine, unter Beweis gestellt hatte, als Chirurg einsetzen zu können. Empört über den Anblick von Blut und Leiden und angeregt durch die Erfindung der Daguerreotypie in neue Richtungen, gab Foucault sein Medizinstudium auf, obwohl er Alfred Donné, Lehrer für klinische Mikroskopie an der École de Médecine, nicht auf sich aufmerksam gemacht hatte. Donné machte ihn Assistent in der Mikroskopie natürlich, dann Co-Autor seines Lehrbuchs (veröffentlicht in 1844- 1845). Foucault folgte schließlich seinem Meister als Wissenschaftsreporter für die Zeitung Journal des débats (1845) und schrieb danach in einem brillanten Stil, der gleichzeitig lebhaft und präzise war, eine regelmäßige Kolumne, in der er für ein allgemeines Publikum das Neueste aus der Welt der Wissenschaft diskutierte.

Von 1844 bis 1846 veröffentlichte Foucault Geometrie-, Arithmetik- und Chemietexte für das Baccalauréat. Danach veröffentlichte er außer seinen Zeitungsartikeln nur wissenschaftliche Arbeiten. Foucault arbeitete in einem in seinem Haus eingerichteten Labor, bis er nach der Verleihung des Kreuzes der Ehrenlegion 1851 (für sein Pendelexperiment) und des Docteur ès sciences physiques 1853 (für seine Dissertation zum Vergleich der Lichtgeschwindigkeit in Luft und Wasser) von Napoleon III. einen Platz als Physiker am Pariser Observatorium erhielt. Weitere Auszeichnungen folgten: die Copley Medal der Royal Society 1855, Offizier der Ehrenlegion und Mitglied des Bureau des Longitudes 1862 und ausländisches Mitglied der Royal Society (1864) und die Akademien von Berlin und St. Petersburg. Nachdem Foucault 1857 nicht gewählt worden war, wurde er 1865 nach dem Tod von Clapeyron, einem Mitglied der Académie des Sciences, ausgewählt.

Ein nicht beobachtender Katholik, bis ihn seine letzte Krankheit in die Kirche zurückbrachte, führte Foucault ein ruhiges Leben voller Hingabe an die wissenschaftliche Forschung. Klein und gebrechlich gelang es ihm, der Gruppe wissenschaftlicher Freunde, die sich donnerstags in seinem Haus in der Rue d’Assas versammelten, anmutig vorzustehen. Er starb im Alter von achtundvierzig Jahren nach siebenmonatiger Krankheit an einer Gehirnerkrankung.

Foucault ist vor allem für zwei der bedeutendsten Experimente der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts bekannt – die Laborbestimmung der Lichtgeschwindigkeit (1850, 1862) und die mechanische Demonstration der Erdrotation (1851, 1852) – und für seine Weiterentwicklung der Technologie des Teleskops. Er führte auch eine Reihe anderer wichtiger Experimente durch, hauptsächlich in der Optik, und entwickelte mehrere Geräte, die sowohl in der experimentellen Wissenschaft als auch in der Technologie weit verbreitet waren.

1834 entwickelte Charles Wheatstone einen Rotationsspiegelapparat zur Messung der Elektrizitätsgeschwindigkeit, und 1838 schlug Arago vor, das gleiche Prinzip auf die terrestrische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit anzuwenden (frühere Bestimmungen waren astronomisch). Ein Vergleich dieser Geschwindigkeit in Luft und Wasser wäre ein klarer experimenteller Test zwischen der Wellen- und der Teilchentheorie des Lichts, da ersteres Licht benötigte, um sich schneller in der Luft zu bewegen; letzteres in Wasser. Aragos Versuche, das Experiment durchzuführen, waren erfolglos, und sein Sehvermögen zwang ihn, sie aufzugeben. Sofort begannen Foucault und Hippolyte Fizeau, mit denen Foucault zwischen 1845 und 1847 an optischen Forschungen zusammengearbeitet hatte, unabhängig zu versuchen, die Hindernisse zu überwinden, die Arago besiegt hatten.

Fizeau war der erste, der Erfolg hatte; indem er den Drehspiegelapparat im Labor durch ein Zahnrad ersetzte, das einen Lichtstrahl unterbrach, der sich über einen langen Erdweg bewegte, erhielt er 1849 die erste präzise Messung der Lichtgeschwindigkeit an der Erdoberfläche. Fizeau kehrte zum rotierenden Spiegel zurück, um die Lichtgeschwindigkeit in seltenen und dichten Medien zu vergleichen, aber hier wurde er von Foucault geschlagen, der am 30. April 1850 verkündete, dass „Licht sich schneller in der Luft als im Wasser bewegt“ (Recueil, S. 207). Sein Apparat ist in Abbildung 1 dargestellt. Eine Lichtquelle bei a wird von einem mit 800 Umdrehungen pro Sekunde rotierenden Spiegel m zu einem sphärisch konkaven feststehenden Spiegel M und wieder zurück zu a‘ reflektiert. (Die Glasebene g ermöglicht es dem Beobachter bei O, sowohl Quelle als auch Reflexion zu sehen. Durch die Verwendung sowohl eines Luftweges (obere Hälfte des Diagramms, Bild a‘) als auch eines Wasserweges (untere Hälfte des Diagramms,

wassergefülltes Rohr T, Bild a“) kann die Lichtgeschwindigkeit, die eine Funktion der Verschiebung des reflektierten Bildes a‘ oder a“ vom Quellbild a ist, in den beiden Medien verglichen werden. Da das Wasserbild a“ stärker abgelenkt wird als das Luftbild, muss sich Licht in Luft schneller bewegen als in Wasser.

Foucaults erstes Experiment, das 1850 durchgeführt und in seiner Doktorarbeit von 1853 vollständig niedergeschrieben wurde, war rein vergleichend; Er gab bis 1862 keine Zahlenwerte bekannt. Dann konnte er mit einem verbesserten Gerät die Lichtgeschwindigkeit in der Luft genau messen. Dieses Ergebnis, deutlich kleiner als das von Fizeau von 1849, änderte den akzeptierten Wert der Sonnenparallaxe und bestätigte den höheren Wert, den Le Verrier aus astronomischen Daten berechnet hatte. Foucaults Drehspiegelapparat war die Grundlage für die späteren Bestimmungen der Lichtgeschwindigkeit durch A. A. Michelson und Simon Newcomb.

Mit Fizeau hatte Foucault Pionierarbeit in der astronomischen Fotografie geleistet, indem er 1845 die erste Daguerreotypie der Sonne anfertigte. Die zum Fotografieren der Sterne erforderlichen Langzeitbelichtungen erforderten, dass das Teleskop kontinuierlich auf das Himmelsobjekt gerichtet blieb. Um den Antrieb für ein solches Teleskop zu regulieren, brachte Foucault 1847 Christian Huygens ‚fehlgeschlagenes Projekt aus dem siebzehnten Jahrhundert für eine Uhr mit einem konischen Pendel in die Praxis um. Foucaults Uhr hatte eine Stahlstange, um die Bewegung ihres Pendels zu unterstützen, und er bemerkte, dass eine solche Stange, die vibrierte, während sie im Spannfutter einer Drehmaschine eingespannt war, dazu neigte, ihre Schwingungsebene beizubehalten, wenn die Drehmaschine von Hand gedreht wurde.

Dieses unerwartete Verhalten des Stabes schlug Foucault eine experimentelle Demonstration der Erdrotation vor. Im Keller seines Hauses montierte er ein Pendel mit einem fünf Kilogramm schweren Bob, der an einem zwei Meter langen Stahlfaden aufgehängt war, frei in jede Richtung schwenken und am Ende seines Schwungs mit einem Faden gebunden war. Als der Faden in Brand gesetzt wurde, begann das Pendel zu schwingen, und am Mittwoch, dem 8. Januar 1851, um 2 Uhr morgens, wurde Foucault durch den Anblick der Schwingungsebene des Pendels belohnt, die sich allmählich „in Richtung der täglichen Bewegung der Himmelskugel“ drehte (Recueil, S. 378). Foucault wiederholte das Experiment in der Meridianhalle des Pariser Observatoriums mit einem elf Meter langen Pendel und berichtete der Académie des Sciences am 3. Februar 1851 von seiner Feststellung, dass der durch die Schwingungsebene des Pendels beschriebene Kreis umgekehrt proportional zum Sinus des Breitengrades ist. Dieses Experiment, das bald vergrößert und ins Panthéon verlegt wurde, wurde in den nächsten zwei Jahren an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt wiederholt und führte zu einer Verzehnfachung der wissenschaftlichen Arbeiten, die dem Pendel gewidmet waren.

Wie Foucault in seinem Bericht an die Akademie behauptete, illustrierte sein Befund Poissons theoretische Behandlung der Ablenkkraft der Erdrotation (Journal de l’École polytechnique, 16 , (1-68), aber Poisson hatte ausdrücklich bestritten, dass die Wirkung auf das Pendel beobachtet werden konnte (S. 24).

Foucault experimentierte weiter mit der Mechanik der Erdrotation und erfand 1852 das Gyroskop, das, wie er zeigte, eine klarere Demonstration als das Pendel der Erdrotation lieferte und die Eigenschaft hatte, ähnlich der der Magnetnadel, eine feste Richtung beizubehalten. Foucaults Pendel und Gyroskop hatten mehr als eine populäre Bedeutung (die bis heute andauert). Erstens stimulierten sie die Entwicklung der theoretischen Mechanik und machten die Relativbewegung und die Theorien des Pendels und des Gyroskops zu Standardthemen für Studium und Untersuchung. Zweitens wurde vor Foucaults Demonstrationen das Studium jener Bewegungen auf der Erdoberfläche, bei denen die ablenkende Rotationskraft eine herausragende Rolle spielt (insbesondere Winde und Meeresströmungen), von unphysikalischen Vorstellungen darüber dominiert, wie diese Kraft wirkte. Foucaults Demonstrationen und die von ihnen inspirierten theoretischen Behandlungen zeigten schlüssig, dass diese ablenkende Kraft in alle horizontalen Richtungen wirkt, und lieferten so die fundierte physikalische Einsicht, auf der Buys Ballot, Ferrel, Ulrich Vettin und andere aufbauen konnten.

Ihre Daguerreotypie der Sonne war nur eine Frucht der Zusammenarbeit zwischen Foucault und Fizeau. Zusammen führten sie zwischen 1844 und 1847 ein halbes Dutzend Forschungen durch. Zwei waren von besonderer Bedeutung: 1845 und 1846 erweiterten sie die Experimente von Thomas Young und Fresnel, um zu zeigen, dass Interferenzen zwischen Lichtstrahlen stattfanden, deren Wege sich um mehrere tausend Wellenlängen unterschieden, und 1847 zeigten sie durch Untersuchung der Interferenz von Wärmestrahlen von der Sonne, dass Strahlungswärme eine wellenartige Struktur aufweist, die mit der des Lichts identisch ist. Diese beiden Experimente stärkten die Wellentheorie des Lichts erheblich.

Mit seinem engen Freund Jules Regnault zeigte Foucault 1848, wie das Gehirn zwei separate Farben zu einem Bild kombiniert, die jeweils einem Auge präsentiert werden. Kurz darauf warf Foucault Sonnenlicht auf das Licht eines Kohlenstoffbogens, um die Spektren zu überlagern. Aus seiner Beobachtung, dass die doppelte hellgelbe Linie des Lichtbogens identisch mit der doppelten dunklen Linie im Sonnenspektrum war (D-Linie von Natrium), schloss er, dass der Lichtbogen das gleiche Licht absorbieren könnte, das er emittierte, aber die Verallgemeinerung dieser Beobachtung zur Erklärung der Fraunhofer-Linien wurde Kirchhoff 1859 überlassen.

1853 untersuchte Foucault die Leitfähigkeit von Flüssigkeiten und demonstrierte 1855 die Umwandlung mechanischer Arbeit in Wärme, indem er mit einer Kurbel eine Kupferscheibe zwischen den Polen eines Elektromagneten drehte und die in der Scheibe erzeugte Wärme maß.

Niemand in seiner Zeit übertraf Foucault an technischem Erfindungsreichtum. Von seinen ersten veröffentlichten Arbeiten über Verbesserungen in der Daguerreotypie (1841, 1843) bis zur Fertigstellung seines Siderostaten kurz nach seinem Tod lösten die von Foucault entworfenen und zuerst von ihm selbst und später mit Hilfe anderer ausgeführten Geräte herausragende Probleme der Praxis in Wissenschaft und Technik. Er entwickelte einen Regler für die Bogenlampe, der es ermöglichte, Gas bei der Versorgung des Mikroskops mit künstlichem Licht durch Elektrizität zu ersetzen (1843), und seine Verbesserung dieses Reglers (1849) brachte die Bogenlampe ins Theater. Er entwarf ein Photometer (1855). Sein Quecksilberunterbrecher (1856) verbesserte die Leistung von Ruhmkorff-Induktionsspulen, und sein doppelbrechendes Prisma (1857), das Luft anstelle von Balsam zwischen den beiden Teilen verwendete, ermöglichte es, ebenes polarisiertes Licht ins ultraviolette zu erhalten. Um 1860 kehrte er zu dem Problem zurück, die mechanische Bewegung zu vereinheitlichen, was ihn zum Pendelexperiment geführt hatte, und entwickelte eine ganze Reihe mechanischer Regler, die in ihrer Wirksamkeit erheblich über James Watts Gouverneur hinausgingen. Diese Regler wurden zuerst in Maschinen verwendet, die ein Teleskop kontinuierlich auf die Sonne (Heliostat) oder einen Stern (Siderostat) gerichtet hielten, und dann in großen Dampfmaschinen, sowohl in Fabriken als auch auf der Pariser Weltausstellung von 1867.

Keine dieser Erfindungen war jedoch für die Wissenschaft so bedeutsam wie Foucaults Einführung der modernen Technik zum Versilbern von Glas zur Herstellung von Spiegeln für Spiegelteleskope (1857) und seine einfachen, aber genauen Methoden zum Testen und Korrigieren der Figur von Spiegeln und Linsen (1858). Glas erwies sich dem zuvor in Spiegelteleskopen verwendeten Spekulummetall als viel überlegen, da es viel leichter ist, leichter zu schleifen und zu formen, und leichter wieder aufzutauchen, wenn es angelaufen oder beschädigt wird.

Foucaults außerordentliche Beherrschung einer präzisen Sprache in Wort und Tat wurde von seinen Zeitgenossen unter den Meistern der französischen analytischen Tradition, für die ihn sein sparsamer Umgang mit Mathematik als glücklichen Tüftler verurteilte, nicht immer als richtig angesehen. Seine scharfen Zeitungsartikel, obwohl nie bösartig, waren auch eine Quelle der Feindseligkeit. Foucaults Interesse an Astrophysik stieß auf den festen Widerstand von Le Verrier, Direktor des Pariser Observatoriums, einem theoretischen Astronomen der alten Schule, und Foucault wurde daher daran gehindert, seinen Siderostaten im Observatorium zu installieren. Dennoch hatte Foucault vor seinem Tod den Respekt aller als herausragender Experimentator erlangt; und sein Ruf wuchs nach seinem Tod, als sich die moderne Teleskopastronomie auf der Grundlage der von ihm eingeführten optischen Techniken entwickelte.

BIBLIOGRAPHIE

I. Originalwerke. Foucaults Arbeiten, die hauptsächlich in den Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences veröffentlicht wurden, wurden zusammen mit einer Reihe unveröffentlichter Arbeiten in Recueil des travaux scientifiques de Léon Foucault, 2 vols. in einem (Paris, 1878). Abbildung 1 im Text stammt aus Tafel 4 des Recueil, die wiederum Foucaults These Sur les vitesses relatives de la lumiére dans l’air et dans l’eau (Paris, 1853) entnommen ist.

II. Sekundärliteratur. Die beiden Hauptquellen für Foucaults Leben und Werk befinden sich ebenfalls im Recueil: J. Bertrand, „Avertissement“, I, i-iv, und „Des progrés de la mécanique“, I, v-xxviii, letztere ursprünglich veröffentlicht in Revue des deux mondes, 51 (1. Mai 1864), 96-115, um Foucaults Kandidatur für die Académie des Sciences zu helfen; und J. A. Lissajous, „Notice historique sur la vie et les travaux de Léon Foucault,“ II, 1-18. Ebenfalls nützlich ist P. Gilbert, „Leon Foucault, sa vie et son oeuvre scientifique,“ in Revue des questions scientifiques, 5 (1879), 108-154, 516-563. Betrand spielt in seinem Artikel auf die Opposition an, mit der Foucault in der Akademie konfrontiert war; die Opposition von Le Verrier wird in P. Larousse, Grand dictionnaire universel du XIXe siècle, VIII (Paris, 1872), 649 erwähnt.

Johann Wolfgang von Goethe

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