Wie Léon Foucault mit einem Pendel die Erdrotation nachwies

Im 19. Jahrhundert war die Drehung der Erde längst keine Streitfrage mehr. Doch ein direkter, anschaulicher Beweis fehlte. Physikalische Überlegungen, etwa zu abweichenden Flugbahnen von Körpern in rotierenden Systemen, lagen bereits seit Galilei und Newton vor. Trotzdem blieben praktische Versuche zum Nachweis der Erdrotation lange erfolglos – bis ein junger Pariser Physiker die Lösung fand: Jean Bernard Léon Foucault.

Früh übt sich: Mechanik statt Medizin

Léon Foucault, geboren 1819 in Paris, zeigte schon früh großes Geschick im Umgang mit Werkzeugen. Statt schulischer Spitzenleistungen interessierte er sich eher für technische Basteleien. Nach einem kurzen Ausflug in die Medizin – er konnte kein Blut sehen – entdeckte er seine Leidenschaft für die Physik. Besonders faszinierte ihn die aufkommende Daguerreotypie, ein Vorläufer der Fotografie. Bald arbeitete er mit seinem Schulfreund Hippolyte Fizeau zusammen an optischen Experimenten.

Eine ihrer frühen Leistungen: 1844 gelang ihnen die erste fotografische Aufnahme der Sonne. Diese bestätigte, dass deren Mitte heller erscheint als der Rand. Später konnte Foucault mit einem rotierenden Spiegel nachweisen, dass sich Licht in Wasser langsamer ausbreitet als in Luft. Damit stützte er die Wellentheorie des Lichts gegenüber der damals konkurrierenden Teilchentheorie.

Für dieses Experiment ließ Foucault Lichtstrahlen sowohl durch Luft als auch durch Wasser auf einen rotierenden Spiegel treffen. Die leicht unterschiedliche Geschwindigkeit führte zu einer messbaren Phasenverschiebung – ein geschickter Umweg, um das fast unvorstellbar schnelle Licht zu „bremsen“ und dadurch vergleichbar zu machen.

Wie kam es zur Idee mit dem Pendel?

Die entscheidende Idee für den berühmten Pendelversuch kam Foucault, als er in seiner Werkstatt mit einer Drehbank experimentierte. Ein dünner Metallstab, eingespannt und in Rotation versetzt, begann zu schwingen – aber die Schwingungsebene blieb unabhängig von der Drehung der Maschine. Dieser Effekt ließ sich übertragen: Was, wenn ein Pendel auf einer rotierenden Erde ebenfalls eine scheinbar „wandernde“ Schwingungsebene aufwiese?

Anfang 1851 führte Foucault erste Tests in seinem Keller durch. Ein 5 Kilogramm schweres Messingpendel an einer zwei Meter langen Schnur zeigte bereits eine erkennbare Drehung der Schwingungsebene. Nach mehreren Versuchen konstruierte er eine deutlich größere Version am Pariser Observatorium.

Doch das wahre Aufsehen erregte ein noch größerer Aufbau: ein 28-Kilogramm-Pendel, aufgehängt an einem 67 Meter langen Draht, frei schwingend unter der Kuppel des Panthéon. Die Bewegung war sichtbar: Der unter dem Pendel montierte Stift durchpflügte bei jeder Umkehr feuchten Sand und offenbarte dabei eine allmähliche Drehung. Der Clou: Nicht das Pendel drehte sich – sondern der Boden unter ihm.

Die Physik hinter Foucaults Pendel

Das zentrale physikalische Phänomen hinter Foucaults Pendel ist die sogenannte Corioliskraft – eine Trägheitskraft, die nur in rotierenden Bezugssystemen auftritt. Die Erde ist ein solches System: Sie dreht sich einmal alle 24 Stunden um ihre eigene Achse. Für Beobachtende auf der Erdoberfläche bedeutet das, dass sie sich selbst in einem rotierenden Koordinatensystem befinden. Bewegungen innerhalb dieses Systems – wie etwa die Schwingung eines Pendels – werden daher durch zusätzliche Scheinkräfte beeinflusst.

Ein frei aufgehängtes Pendel wie das Foucaultsche folgt der Trägheit: Es behält die Richtung seiner Schwingungsebene im Raum bei, solange keine äußeren Kräfte wirken. Von außen gesehen, also aus einem nicht rotierenden, sogenannten inertialen Bezugssystem, bleibt die Schwingungsebene konstant ausgerichtet. Für eine Beobachterin oder einen Beobachter auf der sich drehenden Erde erscheint es jedoch so, als würde sich diese Ebene langsam drehen.

Diese scheinbare Drehung ist das Resultat der Corioliskraft. Sie wirkt quer zur Bewegungsrichtung eines Körpers, der sich innerhalb des rotierenden Systems bewegt. In Bezug auf das Pendel bedeutet das: Da der Aufhängepunkt durch die Erdrotation mitgeführt wird, erfährt das Pendel aus Sicht der rotierenden Erde eine seitliche Ablenkung. Diese verändert nicht den Schwingungspfad selbst, wohl aber dessen Orientierung gegenüber dem Erdboden.

Einfluss des Äquators

Der Effekt ist umso stärker, je weiter man sich von Äquator entfernt. An den geografischen Polen – also auf 90° nördlicher oder südlicher Breite – beträgt die scheinbare Drehung der Schwingungsebene exakt 360 Grad in 24 Stunden. Dort dreht sich das Pendel aus Sicht eines auf der Erde stehenden Menschen also einmal am Tag vollständig im Uhrzeigersinn (Nordpol) bzw. gegen den Uhrzeigersinn (Südpol).

In anderen Breiten ist der Effekt schwächer. In Paris, das auf etwa 49° nördlicher Breite liegt, dreht sich die Pendelrichtung um rund 11 Grad pro Stunde. Dies entspricht mathematisch dem Produkt aus 360 Grad pro Tag und dem Sinus der geografischen Breite. Dieser sogenannte Sinusfaktor beschreibt, wie stark der Anteil der Erdrotation in der Vertikalrichtung am jeweiligen Ort ist.

Am Äquator ist der Sinus der geografischen Breite gleich null – daher gibt es dort keine seitliche Ablenkung, und die Schwingungsebene bleibt in Bezug auf den Erdboden stabil. Erst mit zunehmender geografischer Breite wird der Effekt messbar. Das macht das Foucaultsche Pendel auch zu einem praktischen Demonstrator für die Erdgeografie: Aus der gemessenen Rotationsgeschwindigkeit der Schwingungsebene lässt sich die geografische Breite des Ortes bestimmen.

Die Bedeutung des Versuchs für die Physik

Foucaults Pendel war der erste experimentell sichtbare Nachweis der Erdrotation. Es zeigte unmittelbar, was bis dahin nur rechnerisch erschlossen worden war. Und es funktionierte weltweit – mit umgekehrter Drehrichtung auf der Südhalbkugel. Der Versuch wurde vielfach nachgebaut, von Rio bis Moskau.

Gleichzeitig stieß die genaue Herleitung des Effekts auf Diskussionen. Die physikalisch exakte Erklärung über die Corioliskraft wurde später nachgeliefert – damals begnügte sich Foucault mit einer empirischen Darstellung. Seine Zurückhaltung war klug: Viele Fachleute verstrickten sich in geometrische oder analytische Deutungen, die häufig unvollständig blieben.

Gyroskop und Raumorientierung

Ein Jahr nach dem Pendelversuch entwickelte Foucault ein weiteres Gerät zum Nachweis der Erdrotation: das Gyroskop. Ein Kreisel mit beweglicher Achse zeigt – wie das Pendel – durch seine Trägheit eine konstante Ausrichtung im Raum. Auch hier ließ sich die langsame Drehung der Erde nachweisen, wenn man die Lage des Kreisels genau beobachtete.

Gyroskope werden bis heute in Flugzeugen, U-Booten und Satelliten zur Navigation eingesetzt. Sie bilden die Grundlage für moderne Trägheitsnavigationssysteme.

Teleskoptechnik und Lichtgeschwindigkeit

Neben seinen Experimenten zur Erdrotation verbesserte Foucault auch die Technik von Spiegelteleskopen. Statt schwerer Metallspiegel setzte er auf Glas mit aufgedampfter Silberschicht – eine Innovation, die spätere Großteleskope überhaupt erst ermöglichte. Außerdem entwickelte er Prüfmethoden zur Qualitätskontrolle optischer Flächen – darunter das noch heute gebräuchliche „Foucault-Schneidenverfahren“.

Seine letzte große Leistung: die präzise Messung der Lichtgeschwindigkeit mit 298.000 km/s – ein Wert, der nur knapp vom heutigen Standardwert abweicht.

Ein eigenwilliger Forscher

Foucault war kein einfacher Charakter. Er galt als schroff, eigensinnig und nicht besonders diplomatisch. Vielleicht war das mit ein Grund, warum er lange keine akademische Karriere machte. Doch seine Beiträge zur experimentellen Physik waren wegweisend. 1865 – erst im sechsten Anlauf – wurde er in die Akademie der Wissenschaften gewählt.

Er starb früh, mit nur 48 Jahren, wahrscheinlich an multipler Sklerose. Seine Experimente aber wirken bis heute nach – in jeder Physikausstellung mit einem Foucaultschen Pendel, in jeder Navigationshilfe, die auf Gyroskopen basiert, und in der präzisen Messkunst moderner Optik.