Khi bước vào sảnh trung tâm của một bảo tàng khoa học, bạn có thể thấy một quả nặng đang từ từ đung đưa ở đầu sợi dây dài thả từ trần nhà xuống. Dù quan sát khá lâu, nó dường như chỉ qua lại cùng một chỗ, nhưng nếu quay lại sau vài giờ, hướng dao động của quả nặng đã khác lúc đầu. Không ai chạm vào, vậy điều gì đã làm thay đổi hướng của nó? Nhân vật chính của câu đố này chính là “con lắc Foucault (Foucault Pendulum)”.
Nói đơn giản, con lắc Foucault là “thiết bị cho thấy tận mắt rằng Trái Đất tự quay, thông qua hiện tượng mặt phẳng dao động dần xoay so với mặt đất khi treo một quả nặng vào sợi dây rất dài và để nó dao động trong thời gian dài”. Đây được xem là thí nghiệm đầu tiên chứng minh sự tự quay của Trái Đất ngay trong nhà mà không cần quan sát bầu trời.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ bối cảnh ra đời của con lắc Foucault đến nguyên lý khiến mặt phẳng dao động xoay, tốc độ xoay thay đổi theo vĩ độ và cách duy trì chuyển động của con lắc tại các bảo tàng khoa học ngày nay.
Con lắc Foucault cho thấy tận mắt sự tự quay của Trái Đất
Năm 1851, hãy đến xem Trái Đất quay
Người nghĩ ra thí nghiệm này là nhà vật lý người Pháp Léon Foucault. Foucault lần đầu giới thiệu con lắc trước công chúng vào tháng 2 năm 1851 tại phòng kinh tuyến của Đài thiên văn Paris; vài tuần sau, ông treo một con lắc lớn hơn nhiều dưới mái vòm của điện Panthéon ở Paris. Tương truyền, trên thiệp mời khi ấy có ghi câu “Xin mời đến xem Trái Đất quay”.
Quy mô của con lắc tại điện Panthéon như sau.
(1) Sợi dây thép dài 67 mét
Dây càng dài thì thời gian thực hiện một dao động qua lại càng lâu và dao động càng kéo dài.
(2) Quả nặng có khối lượng 28 kilôgam
Quả nặng được làm bằng chì, bọc đồng thau bên ngoài và có khối lượng lớn nên dao động không dễ bị suy giảm do sức cản không khí.
(3) Đĩa cát trên sàn
Mỗi lần đi qua, chiếc kim nhọn gắn bên dưới quả nặng lại để lại dấu trên cát, giúp bất kỳ ai cũng có thể nhận thấy hướng dao động dần thay đổi.
Có lý do khiến thí nghiệm này gây tiếng vang lớn. Ý tưởng Trái Đất quay đã được chấp nhận rộng rãi từ sau Copernicus, nhưng phần lớn bằng chứng là những suy luận từ việc quan sát chuyển động của các ngôi sao và hành tinh. Vì con lắc Foucault trực tiếp cho thấy mặt đất quay ngay bên trong một tòa nhà mà không cần ngước nhìn bầu trời, đông đảo người dân Paris đã kéo đến xem.
Vì sao mặt phẳng dao động lại xoay?
Một khi bắt đầu dao động, con lắc có xu hướng tiếp tục qua lại trong cùng một mặt phẳng nếu không chịu mômen lực từ bên ngoài. Nếu điểm treo dây được thiết kế để có thể xoay tự do, con lắc sẽ có xu hướng giữ nguyên mặt phẳng dao động ban đầu ngay cả khi tòa nhà quay.
Nơi dễ hình dung điều này nhất là Bắc Cực. Nếu treo con lắc ở Bắc Cực, mặt phẳng dao động giữ nguyên so với không gian, còn mặt đất bên dưới quay một vòng mỗi ngày. Vì vậy, với người đứng trên mặt đất, mặt phẳng dao động của con lắc trông như đang xoay một vòng mỗi ngày theo chiều ngược lại.
- Bắc bán cầu (Northern Hemisphere): Khi nhìn từ trên xuống, mặt phẳng dao động xoay theo chiều kim đồng hồ.
- Nam bán cầu (Southern Hemisphere): Ngược lại, mặt phẳng dao động xoay ngược chiều kim đồng hồ.
Xét cho cùng, chính chúng ta, những người đang quan sát con lắc, đang quay cùng Trái Đất chứ không phải con lắc tự xoay.
Tốc độ xoay thay đổi theo vĩ độ
Thời gian để mặt phẳng dao động xoay hết một vòng thay đổi theo vĩ độ nơi treo con lắc. Tại các cực, thời gian này bằng thời gian Trái Đất tự quay một vòng, khoảng 23 giờ 56 phút; càng gần xích đạo, mặt phẳng dao động xoay càng chậm. Công thức tính là “thời gian xoay một vòng = 23 giờ 56 phút ÷ sin(vĩ độ)”.
- Điện Panthéon (Paris): Do nằm ở khoảng 48.9 độ vĩ bắc, mặt phẳng dao động xoay khoảng 11.3 độ mỗi giờ và mất khoảng 31 giờ 50 phút để xoay hết một vòng.
- Seoul (Seoul): Ở khoảng 37.6 độ vĩ bắc, mặt phẳng dao động mất khoảng 39 giờ để xoay hết một vòng.
- Xích đạo (Equator): Mặt phẳng dao động hoàn toàn không xoay nên không thể dùng con lắc để xác nhận sự tự quay.
Mức độ xoay của mặt phẳng dao động chỉ phụ thuộc vào vĩ độ, không liên quan đến chiều dài dây hay khối lượng quả nặng. Chiều dài dây chỉ quyết định thời gian thực hiện một dao động qua lại; con lắc tại điện Panthéon mất khoảng 16 giây cho một dao động toàn phần.
Sự xoay này có cùng nguồn gốc với hiệu ứng Coriolis (Coriolis Effect), hiện tượng vật thể đang chuyển động trông như lệch sang bên do sự tự quay của Trái Đất. Tuy nhiên, hiệu ứng này rất nhỏ, nên dao động phải kéo dài thì sự thay đổi mới bộc lộ; vì vậy cần dùng con lắc có dây dài, quả nặng có khối lượng lớn và quan sát trong nhiều giờ.
Con lắc Foucault ngày nay
Ngày nay, con lắc Foucault vẫn đang dao động tại các bảo tàng khoa học, trường đại học và công trình công cộng trên khắp thế giới. Tuy nhiên, khi bắt tay vào chế tạo, công việc này khó hơn tưởng tượng.
Cách duy trì dao động của con lắc trong thời gian dài
- Sức cản không khí (Air Resistance): Do va chạm với không khí khiến dao động giảm dần, quả nặng được chế tạo có khối lượng lớn và bề mặt nhẵn.
- Dao động elip (Elliptical Motion): Nếu bị đẩy nhẹ sang bên khi thả lúc đầu, quả nặng sẽ vạch ra một đường tròn kéo dài và xoay lệch ngoài ý muốn, nên trước đây người ta buộc giữ quả nặng bằng một sợi chỉ rồi đốt đứt chỉ để nó bắt đầu chuyển động nhẹ nhàng.
- Bộ truyền động điện từ (Electromagnetic Drive): Với các con lắc trưng bày ngày nay, mỗi lần quả nặng đi qua, nam châm điện dưới sàn lại bổ sung một lực nhỏ để con lắc duy trì cùng biên độ dao động suốt cả ngày.
Quả nặng nguyên bản từng được sử dụng tại điện Panthéon đã được chuyển đến trưng bày ở Bảo tàng Nghệ thuật và Nghề thủ công Paris (Musée des Arts et Métiers), nhưng vào năm 2010, dây treo bị đứt khiến nó rơi xuống và hư hỏng nghiêm trọng.
Không cần kính thiên văn phức tạp hay các phép tính, con lắc Foucault chỉ với một sợi dây và một quả nặng đã cho thấy mặt đất nơi chúng ta đứng đang quay không ngừng. Sự tự quay trước đây chỉ được suy đoán qua chuyển động của các ngôi sao và Mặt Trời nay đã có thể được bất kỳ ai xác nhận qua những dấu vết trên cát.
Chuyển động khổng lồ ẩn trong những nhịp dao động chậm rãi chỉ bộc lộ với người kiên trì quan sát lâu. Kiên nhẫn quan sát những hiện tượng tưởng chừng hiển nhiên chính là bước đầu tiên của khoa học để khám phá trật tự ẩn giấu trong tự nhiên.
