Articles

Foucault, Jean Bernard Léon

(b. Parigi, Francia, 19 settembre 1819; d. Parigi, II febbraio 1868)

fisica sperimentale.

Figlio di un libraio-editore, Foucault ricevette la sua educazione a casa a causa della sua delicata salute. Studente indifferente, superò il baccalauréat solo dopo un allenamento speciale e iniziò a studiare medicina, sperando di mettere a frutto come chirurgo la notevole destrezza che aveva dimostrato (dall’età di tredici anni) nella realizzazione di una serie di giocattoli scientifici, tra cui un motore a vapore. Rivoltato dalla vista del sangue e della sofferenza e stimolato in nuove direzioni dall’invenzione della dagherrotipia, Foucault abbandonò gli studi medici, anche se non prima di essere venuto all’attenzione di Alfred Donné, insegnante di microscopia clinica all’École de Médecine. Donné lo fece assistente nel corso di microscopia, poi coautore del suo libro di testo (pubblicato nel 1844 – 1845). Foucault infine succedette al suo maestro come giornalista scientifico per il giornale Journal des débats (1845), in seguito scrivendo, in uno stile brillante allo stesso tempo vivace e preciso, una rubrica regolare in cui ha discusso per un pubblico generale le ultime dal mondo della scienza.

Dal 1844 al 1846 Foucault pubblicò testi di geometria, aritmetica e chimica per il baccalauréat. In seguito, ad eccezione dei suoi articoli di giornale, ha pubblicato solo articoli scientifici. Foucault ha lavorato in un laboratorio allestito nella sua casa fino a quando, a seguito dell’aggiudicazione della Croce della Legion d’Onore nel 1851 (per il suo esperimento del pendolo) e il docteur ès sciences physiques nel 1853 (per la sua tesi a confronto la velocità della luce nell’aria e acqua), è stato dato un posto come il fisico presso l’osservatorio di Parigi da Napoleone III. Ulteriori onori di seguito: la Medaglia Copley della Royal Society nel 1855, ufficiale della Legion d’Onore e membro del Bureau des Longitudes nel 1862, e membro straniero della Royal Society (1864) e le accademie di Berlino e San Pietroburgo. Infine, dopo non essere stato eletto nel 1857, Foucault fu scelto nel 1865, dopo la morte di Clapeyron, membro dell’Académie des Sciences.

Un cattolico non osservante fino a quando la sua malattia finale lo ha restituito alla chiesa, Foucault ha condotto una vita tranquilla di totale devozione alla ricerca scientifica. Piccolo e fragile, riuscì a presiedere con grazia il gruppo di amici scientifici che si riunivano il giovedì nella sua casa in rue d’Assas. Morì di malattia cerebrale all’età di quarantotto anni dopo una malattia di sette mesi.

Foucault è meglio conosciuto per due degli esperimenti più significativi della metà del XIX secolo-la determinazione in laboratorio della velocità della luce (1850, 1862) e la dimostrazione meccanica della rotazione terrestre (1851, 1852)-e per il suo avanzamento della tecnologia del telescopio. Egli ha anche eseguito una serie di altri importanti esperimenti, principalmente in ottica, e sviluppato diversi dispositivi che sono stati ampiamente utilizzati sia nella scienza sperimentale e la tecnologia.

Nel 1834 Charles Wheatstone sviluppò un apparato rotaingmirror per misurare la velocità dell’elettricità, e nel 1838 Arago suggerì che lo stesso principio potesse essere applicato per determinare la velocità della luce terrestre (le determinazioni precedenti erano astronomiche). Un confronto di questa velocità nell’aria e nell’acqua sarebbe un chiaro test sperimentale tra le teorie delle onde e delle particelle della luce, poiché la prima richiedeva alla luce di viaggiare più velocemente nell’aria; la seconda, nell’acqua. I tentativi di Arago di portare a termine l’esperimento non ebbero successo, e la mancanza di vista lo costrinse ad abbandonarli. Immediatamente Foucault e Hippolyte Fizeau, con i quali Foucault aveva collaborato a ricerche ottiche tra il 1845 e il 1847, iniziarono autonomamente a tentare di superare gli ostacoli che avevano sconfitto Arago.

Fizeau è stato il primo ad avere successo; sostituendo l’apparecchio a specchio rotante in laboratorio con una ruota dentata che interrompeva un raggio di luce che viaggiava su un lungo percorso terrestre, ottenne la prima misurazione di precisione della velocità della luce sulla superficie terrestre nel 1849. Fizeau tornò allo specchio rotante per confrontare la velocità della luce in mezzi rari e densi, ma qui fu battuto da Foucault, che annunciò il 30 aprile 1850 che “la luce viaggia più velocemente nell’aria che nell’acqua” (Recueil, p. 207). Il suo apparato è schematizzato in Figura 1. Una fonte di luce ad a è riflessa da uno specchio m, che ruota a 800 giri al secondo, ad uno specchio stazionario sfericamente concavo M e di nuovo ad a’. (Il piano di vetro g consente all’osservatore di O di vedere sia la sorgente che il riflesso.) Utilizzando sia un percorso d’aria (metà superiore del diagramma, immagine a’) che un percorso d’acqua (metà inferiore del diagramma,

tubo pieno d’acqua T, immagine a”), la velocità della luce, che è una funzione dello spostamento dell’immagine riflessa a’ o a” dall’immagine sorgente a, può essere confrontata nei due media. Poiché l’immagine dell’acqua a” è deviata più dell’immagine dell’aria, la luce deve viaggiare più velocemente nell’aria che nell’acqua.

Il primo esperimento di Foucault, effettuato nel 1850 e scritto per intero nella sua tesi di dottorato del 1853, era puramente comparativo; non annunciò valori numerici fino al 1862. Quindi, con un apparato migliorato, è stato in grado di misurare con precisione la velocità della luce nell’aria. Questo risultato, significativamente più piccolo di quello di Fizeau del 1849, cambiò il valore accettato della parallasse solare e rivendicò il valore più alto che Le Verrier aveva calcolato dai dati astronomici. L’apparato a specchio girevole di Foucault fu la base per le successive determinazioni della velocità della luce da parte di A. A. Michelson e Simon Newcomb.

Con Fizeau, Foucault aveva aperto la strada nella fotografia astronomica realizzando il primo dagherrotipo del sole nel 1845. Le lunghe esposizioni necessarie per fotografare le stelle richiedevano che il telescopio rimanesse continuamente puntato verso l’oggetto celeste. Per regolare l’azionamento di tale telescopio, Foucault nel 1847 portò in pratica l’abortito progetto seicentesco di Christian Huygens per un orologio con pendolo conico. L’orologio di Foucault aveva una barra d’acciaio per sostenere il peso del suo pendolo, e notò che una tale asta, impostata vibrando mentre era bloccata nel mandrino di un tornio, tendeva a mantenere il suo piano di vibrazione quando il tornio veniva ruotato a mano.

Questo comportamento inaspettato dell’asta suggerì a Foucault una dimostrazione sperimentale della rotazione terrestre. Nella cantina della sua casa ha montato un pendolo con un bob di cinque chilogrammi sospeso da un filo d’acciaio lungo due metri, libero di oscillare in qualsiasi direzione e legato all’estremità della sua oscillazione con un filo. Quando il filo fu acceso, il pendolo cominciò a oscillare, e alle 2 del mattino di mercoledì, 8 gennaio 1851, Foucault fu ricompensato dalla vista del piano di oscillazione del pendolo che gradualmente girava “nella direzione del movimento diurno della sfera celeste” (Recueil, p. 378, n.). Ripetendo l’esperimento nella sala meridiana dell’osservatorio di Parigi con un pendolo lungo undici metri, Foucault riferì all’Académie des Sciences il 3 febbraio 1851 la sua scoperta che il cerchio descritto dal piano dell’oscillazione del pendolo è inversamente proporzionale al seno della latitudine. Questo esperimento, presto ridimensionato e trasferito al Panthéon, fu ripetuto nei due anni successivi in un certo numero di luoghi in tutto il mondo e diede luogo a un aumento di dieci volte degli articoli scientifici dedicati al pendolo.

Come Foucault sosteneva nel suo rapporto all’Accademia, la sua scoperta illustrò il trattamento teorico di Poisson della forza di deflessione della rotazione terrestre (Journal de l’École polytechnique, 16, (1-68), ma Poisson aveva esplicitamente negato che l’effetto sul pendolo potesse essere osservato (p. 24).

Continuando a sperimentare sulla meccanica della rotazione terrestre, Foucault nel 1852 inventò il giroscopio, che, mostrò, dava una dimostrazione più chiara del pendolo della rotazione terrestre e aveva la proprietà, simile a quella dell’ago magnetico, di mantenere una direzione fissa. Il pendolo e il giroscopio di Foucault avevano più di un significato popolare (che continua fino ad oggi). In primo luogo, hanno stimolato lo sviluppo della meccanica teorica, rendendo il moto relativo e le teorie del pendolo e del giroscopio argomenti standard per lo studio e l’indagine. In secondo luogo, prima delle dimostrazioni di Foucault lo studio di quei moti sulla superficie terrestre in cui la forza di rotazione deviante gioca una parte prominente (specialmente i venti e le correnti oceaniche) era dominato da nozioni non fisiche di come questa forza agisse. Le dimostrazioni di Foucault e i trattamenti teorici che hanno ispirato hanno dimostrato in modo conclusivo che questa forza deviante agisce in tutte le direzioni orizzontali, fornendo così la solida intuizione fisica su cui Buys Ballot, Ferrel, Ulrich Vettin e altri potrebbero costruire.

Il loro dagherrotipo del sole era solo un frutto della collaborazione tra Foucault e Fizeau. Insieme, tra il 1844 e il 1847, effettuarono una mezza dozzina di ricerche. Due sono di particolare importanza: nel 1845 e il 1846 hanno esteso gli esperimenti di Thomas Young e Fresnel per mostrare che l’interferenza ha avuto luogo tra raggi di luce di cui i percorsi differivano da diverse migliaia di lunghezze d’onda, e nel 1847 hanno mostrato, da studiare l’interferenza dei raggi di calore dal sole, che il calore radiante è un ondulatorio struttura identica a quella della luce. Questi due esperimenti rafforzarono notevolmente la teoria delle onde della luce.

Con il suo caro amico Jules Regnault, Foucault ha mostrato nel 1848 come il cervello combina in un’unica immagine due colori separati, ognuno presentato a un singolo occhio. Poco dopo Foucault gettò la luce solare sulla luce da un arco di carbonio per sovrapporre gli spettri. Dalla sua osservazione che la doppia linea gialla brillante dell’arco era identica alla doppia linea scura nello spettro solare (linea D dal sodio), concluse che l’arco poteva assorbire la stessa luce che emetteva, ma la generalizzazione di questa osservazione per spiegare le linee di Fraunhofer fu lasciata a Kirchhoff nel 1859.

Nel 1853 Foucault studiò la conduttività nei liquidi e nel 1855 dimostrò la conversione del lavoro meccanico in calore ruotando con una manovella un disco di rame posto tra i poli di un elettromagnete e misurando il calore prodotto nel disco.

Nessuno nel suo tempo ha superato Foucault in inventiva tecnica. Dai suoi primi articoli pubblicati sui miglioramenti nella dagherrotipia (1841, 1843) al completamento del suo siderostato poco dopo la sua morte, i dispositivi progettati da Foucault ed eseguiti, prima da lui stesso e successivamente con l’aiuto di altri, risolvevano problemi di pratica in sospeso sia nella scienza che nella tecnologia. Sviluppò un regolatore per la lampada ad arco, che permise al gas di essere soppiantato dall’elettricità nella fornitura di luce artificiale al microscopio (1843), e il suo miglioramento a questo regolatore (1849) portò la lampada ad arco nel teatro. Ha progettato un fotometro (1855). Il suo interruttore al mercurio (1856) migliorò le prestazioni delle bobine di induzione di Ruhmkorff, e il suo prisma birifrangente (1857), usando aria piuttosto che balsamo tra i due pezzi, permise di ottenere luce polarizzata piana nell’ultravioletto. Intorno al 1860 tornò al problema di rendere uniforme il movimento meccanico, che lo aveva portato all’esperimento del pendolo, e sviluppò tutta una serie di regolatori meccanici che andarono notevolmente oltre il governatore di James Watt nella loro efficacia. Questi regolatori furono usati prima in macchine che tenevano un telescopio puntato continuamente verso il sole (eliostato) o una stella (siderostato) e poi in grandi motori a vapore, sia nelle fabbriche che all’Esposizione di Parigi del 1867.

Nessuna di queste invenzioni, tuttavia, fu significativa per la scienza come l’introduzione di Foucault della tecnica moderna per l’argentatura del vetro per creare specchi per telescopi riflettenti (1857) e i suoi metodi semplici ma accurati per testare e correggere la figura di specchi e lenti (1858). Vetro dimostrato molto superiore al metallo speculum precedentemente utilizzato in telescopi riflettenti perché è molto più leggero nel peso, più facile da macinare e figura, e più facile da riemergere se diventa appannato o danneggiato.

Foucault straordinaria padronanza di un linguaggio preciso in parole e fatti non è stato sempre preso al suo vero valore dai suoi contemporanei tra i maestri della tradizione analitica francese, per i quali il suo risparmio di uso della matematica lo ha condannato come solo un fortunato armeggiatore. I suoi pungenti articoli di giornale, anche se mai viziosi, erano anche fonte di ostilità. L’interesse di Foucault per l’astrofisica incontrò la ferma opposizione di Le Verrier, direttore dell’osservatorio di Parigi, un astronomo teorico della vecchia scuola, e a Foucault fu quindi impedito di installare il suo siderostato nell’osservatorio. Tuttavia, prima di morire, Foucault aveva acquisito il rispetto di tutti come un eccezionale sperimentalista; e la sua reputazione crebbe dopo la sua morte come moderna astronomia telescopica sviluppata sulla base delle tecniche ottiche che aveva inaugurato.

BIBLIOGRAFIA

I. Opere originali. I documenti di Foucault, pubblicati per lo più nei Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences, sono stati raccolti e pubblicati insieme a una serie di documenti inediti in Recueil des travaux scientifiques de Léon Foucault, 2 voll. in uno (Parigi, 1878). La figura 1 del testo è tratta dalla tavola 4 del Recueil, a sua volta tratta dalla tesi di Foucault, Sur les vitesses relatives de la lumiére dans l’air et dans l’eau (Parigi, 1853).

II. Letteratura secondaria. Le due fonti principali per la vita e il lavoro di Foucault sono anche nel Recueil: J. Bertrand, “Avertissement”, I, i-iv, e “Des progrés de la mécanique,” I, v-xxviii, quest’ultimo, originariamente pubblicato nella Revue des deux mondes, 51 (1 Maggio 1864), 96-115, per aiutare Foucault candidatura per l’Académie des Sciences; J. A. Lissajous “Notice historique sur la vie et les travaux de Léon Foucault,” II, 1-18. Utile anche P. Gilbert, “Leon Foucault, sa vie et son oeuvre scientifique,” in Revue des questions scientifiques, 5 (1879), 108-154, 516-563. Betrand allude nel suo articolo all’opposizione che Foucault ha affrontato nell’Accademia; l’opposizione di Le Verrier è menzionata in P. Larousse, Grand dictionnaire universel du XIXe siècle, VIII (Parigi, 1872), 649.

Harold L. Burstyn

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.