Le Pendule de Foucault au Panthéon de Paris
Comment une masse de 28 kilogrammes suspendue à un fil de 67 mètres a prouvé que la Terre tourne — et comment l'observer lors de votre visite
En mars 1851, le physicien Léon Foucault suspendit une sphère de plomb enrobée de laiton de 28 kilogrammes au bout d'un fil de 67 mètres sous la coupole du Panthéon, invitant les Parisiens à contempler la Terre tourner sous leurs yeux. Cette démonstration constitua la première expérience de laboratoire rendant la rotation terrestre directement visible à l'œil nu, sans recours à l'instrumentation astronomique. La sphère d'origine est aujourd'hui conservée au Musée des Arts et Métiers ; une réplique exacte du pendule oscille au Panthéon depuis 1995. Ce guide détaille le principe de l'expérience, les raisons pour lesquelles elle fonctionne à la latitude de Paris, ce que vous observerez en vous tenant sous le dispositif aujourd'hui, et où vous positionner pour percevoir l'effet de rotation durant votre visite.
La démonstration de 1851 — dispositif et public
Le pendule de Foucault n'était pas une simple expérience de physique théorique. Il s'agissait d'une démonstration publique commandée pour rendre directement observable un phénomène jusqu'alors abstrait — la rotation de la Terre — à quiconque acceptait de s'arrêter pour l'observer. Après un prototype plus modeste installé à l'Observatoire de Paris en février 1851, Foucault fut invité par le prince Louis-Napoléon (alors Président de la Deuxième République, bientôt Empereur Napoléon III) à installer une version à échelle réelle sous la coupole centrale du Panthéon, où les 67 mètres de dégagement entre l'oculus du dôme et le sol permettaient un fil d'une longueur exceptionnelle et, par conséquent, une période d'oscillation lente, aisément observable. La sphère — une masse de 28 kilogrammes en plomb revêtu de laiton — était libérée par un mécanisme de fil brûlé, procédé dans lequel une fine cordelette maintenant le pendule sur le côté était consumée à la flamme d'une bougie afin qu'aucune poussée latérale ne soit transmise au moment de la mise en mouvement. Un plateau de sable disposé au sol enregistrait le tracé de l'oscillation sous forme d'une série de fines crêtes qui pivotaient visiblement au fil de la journée, tandis qu'une pointe de fer fixée sous la sphère gravait directement la rotation dans le sable.
L'installation du Panthéon ouvrit au public le 26 mars 1851 et connut un succès immédiat. Les journaux rapportèrent des files continues de Parisiens attendant leur tour sous la coupole, et Foucault répéta la démonstration plusieurs fois par jour durant les premières semaines. Les visiteurs revenant au même endroit après quelques heures pouvaient constater, de leurs propres yeux, que le plan d'oscillation avait pivoté par rapport au plateau de sable et à l'édifice sous-jacent. L'effet ne nécessitait aucun instrument autre que la patience — la rotation est d'environ 11,3 degrés par heure à la latitude de Paris, perceptible en une heure et indubitable en trois. Foucault reçut la Légion d'honneur l'année suivante, le gyroscope (qu'il inventa en 1852 pour confirmer le même phénomène par une méthode différente) devint un instrument standard des laboratoires de physique, et l'expression pendule de Foucault entra dans le langage courant. La sphère demeura au Panthéon jusqu'en 1855, date à laquelle l'édifice fut rendu au culte religieux et le pendule transféré au Conservatoire des Arts et Métiers, où l'original oscille encore aujourd'hui.
Pourquoi cela fonctionne — et pourquoi la latitude compte
Le principe est plus simple que ne le suggèrent les mathématiques. Un pendule en oscillation libre conserve le plan de son balancement par rapport aux étoiles fixes, et non par rapport au sol sous-jacent. La Terre effectuant une rotation complète par jour sidéral, le sol sous le pendule tourne tandis que le plan d'oscillation demeure fixe — et pour un observateur debout sur ce sol, le plan d'oscillation semble lui-même pivoter. La vitesse de rotation apparente est donnée par ω = 360° × sin(φ) par jour sidéral, où φ désigne la latitude du lieu d'installation. À la latitude de Paris (48,86° N), sin(φ) vaut environ 0,752, ce qui donne une rotation apparente d'environ 271 degrés par jour, soit 11,3 degrés par heure, accomplissant une révolution complète en approximativement 31 heures 50 minutes.
L'effet est maximal aux pôles, où le plan d'oscillation d'un pendule semble effectuer une rotation complète de 360 degrés en un seul jour sidéral (23 heures 56 minutes), et nul à l'équateur, où sin(φ) est égal à zéro et le plan d'oscillation ne semble pas pivoter du tout. Un pendule de Foucault installé à Quito ou Singapour oscillerait simplement d'avant en arrière sans aucune précession apparente, quelle que soit la durée d'observation. Le fait que Paris se situe approximativement à 49 degrés de latitude nord constitua un avantage pour la démonstration — suffisamment au nord pour produire une rotation visiblement rapide en une seule après-midi, suffisamment au sud pour que le plan d'oscillation ne se déplace pas si vite qu'il en devienne déroutant. Une installation dans l'hémisphère sud, en revanche, tournerait dans le sens opposé : dans le sens antihoraire plutôt qu'horaire.
Retrait, restauration et réplique de 1995
Le pendule d'origine ne demeura pas en permanence au Panthéon. Lorsque Napoléon III rendit l'édifice au culte catholique en 1852 et le requalifia en basilique nationale, l'expérience fut interrompue ; la sphère fut officiellement transférée au Conservatoire des Arts et Métiers (aujourd'hui Musée des Arts et Métiers) en 1855. Le bâtiment revint définitivement à un usage laïc en 1881, mais le pendule ne fut pas réinstallé — en partie parce que le musée avait assumé la responsabilité curatoriale de l'appareil d'origine, en partie parce que la démonstration était, à cette époque, scientifiquement incontestée et n'était plus nécessaire.
La décision de réinstaller un pendule en fonctionnement au Panthéon a été prise en 1995, en amont des travaux de rénovation plus vastes menés par le CMN sur le monument, et une réplique exacte du dispositif de Foucault de 1851 a été suspendue à la coupole à son emplacement d'origine. La réplique utilise la même longueur de câble (67 mètres) et une sphère de masse équivalente, et elle est remise en mouvement chaque matin par le personnel du Panthéon selon le même procédé de libération par fil incandescent conçu par Foucault. La réplique a été brièvement endommagée en avril 2010 lorsque le câble de suspension s'est rompu et que la sphère est tombée, cabossant le sol en marbre ainsi que la sphère elle-même ; la sphère originale de 1851 au Musée des Arts et Métiers y est toujours exposée, désormais dans une vitrine adjacente à un pendule en fonctionnement installé dans la nef du musée.
Observer la rotation lors d'une visite d'une heure
La rotation est réellement visible au cours d'une seule visite, à condition de savoir où regarder. Le plateau de sable sous le pendule est équipé de petits piquets en bois disposés en cercle autour de la trajectoire d'oscillation ; la sphère renverse un piquet environ toutes les quinze à vingt minutes au fur et à mesure que le plan d'oscillation pivote et qu'un nouveau piquet entre dans la trajectoire de la sphère. Si vous arrivez à 10h00 lorsque le personnel vient de libérer le pendule et que le premier piquet est encore debout, puis revenez à 10h20, vous constaterez qu'un autre piquet se trouve dans l'axe d'oscillation et que le premier est au sol. C'est le moyen le plus simple d'observer la rotation sans attendre le cycle complet de trente-deux heures.
Sur le plan photographique, la meilleure position se trouve du côté est de la nef, en regardant vers l'ouest à travers le plan d'oscillation, avec la coupole et le câble de 67 mètres en raccourci au-dessus de la sphère. Un téléobjectif moyen (équivalent 50–85 mm) capture la sphère et le plateau de sable ensemble ; les objectifs plus larges perdent la sphère dans la géométrie de la coupole. La nef est éclairée par l'oculus de la coupole, de sorte que la sphère est plus lumineuse à midi en été et plus douce en hiver ; le revêtement en laiton réfléchit une lumière chaude sur la pierre froide de la nef. Les trépieds ne sont pas autorisés pendant les heures d'ouverture normales, il faut donc un objectif rapide ou une sensibilité ISO élevée pour figer le mouvement de la sphère.
Le pendule de Foucault au Panthéon comparé aux autres installations dans le monde
L'installation du Panthéon est le pendule de Foucault le plus significatif historiquement, mais pas le plus grand ni le plus précis. Des pendules de Foucault en fonctionnement sont suspendus dans des musées de physique et des centres scientifiques à travers le monde — du Smithsonian et du Griffith Observatory aux États-Unis jusqu'au siège des Nations Unies à New York, et du Deutsches Museum à Munich jusqu'au National Museum of Scotland à Édimbourg. Chacun est calibré selon la latitude locale, et chacun offre un taux de rotation visible légèrement différent : les installations situées à des latitudes plus élevées tournent plus rapidement et celles situées près de l'équateur tournent à peine.
La valeur particulière du Panthéon est contextuelle plutôt que technique. Voir le pendule dans le bâtiment où Foucault l'a suspendu pour la première fois, sous la coupole qu'il a choisie pour sa hauteur dégagée de 67 mètres, entouré des tombeaux des philosophes et des scientifiques qui ont rendu les Lumières intellectuellement possibles, inscrit l'expérience comme un fragment de l'histoire culturelle européenne plutôt qu'une simple pièce de musée scientifique. Les visiteurs qui s'intéressent à la physique obtiendront probablement une démonstration plus lisible au Musée des Arts et Métiers (où la sphère originale et un pendule en fonctionnement distinct se côtoient, avec des panneaux explicatifs en plusieurs langues) ; les visiteurs qui s'intéressent au moment de 1851 où un dispositif a rendu la rotation de la Terre visible au public voudront se tenir au Panthéon.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que le pendule de Foucault et que prouve-t-il ?
Il s'agit d'un pendule oscillant librement dont le plan d'oscillation semble pivoter au cours d'une journée, démontrant que la Terre tourne sous lui. Léon Foucault a installé la première version publique sous la coupole du Panthéon en mars 1851 — la première preuve expérimentale directe de la rotation de la Terre.
Quel est le poids de la sphère et quelle est la longueur du câble ?
Le pendule est constitué d'une sphère de plomb recouverte de laiton de 28 kilogrammes ; le câble mesure 67 mètres de long et est suspendu à l'oculus central de la coupole du Panthéon. La réplique installée en 1995 reprend les dimensions exactes du dispositif original de Foucault datant de 1851.
Quelle est la vitesse de rotation du pendule à la latitude de Paris ?
Environ 11,3 degrés par heure, accomplissant une rotation apparente complète en 31 heures 50 minutes environ. Cette vitesse est calculée selon la formule 360° × sin(latitude) par jour sidéral ; à la latitude de Paris (48,86° N), cela correspond à environ 271 degrés par jour.
Le pendule original de 1851 se trouve-t-il toujours au Panthéon ?
Non. La sphère originale a été transférée au Conservatoire des Arts et Métiers (aujourd'hui le Musée des Arts et Métiers) en 1855 et y est toujours exposée. Le pendule qui oscille actuellement au Panthéon est une réplique exacte installée en 1995.
Comment l'effet varie-t-il selon la latitude ?
La vitesse de rotation apparente est proportionnelle au sinus de la latitude. Aux pôles (90°), un pendule effectue une rotation complète en un jour sidéral (23 heures 56 minutes). À l'équateur (0°), le plan d'oscillation ne semble pas pivoter du tout. Dans l'hémisphère sud, la rotation s'effectue dans le sens antihoraire plutôt qu'horaire.
Peut-on réellement observer la rotation durant la visite ?
Oui. De petites chevilles en bois sont disposées en cercle autour de la trajectoire du pendule sous la sphère ; celle-ci en renverse une toutes les 15 à 20 minutes au fil de la rotation du plan d'oscillation. Il suffit de revenir dans la nef après 20 à 30 minutes pour constater le phénomène de vos propres yeux.
Quand le pendule est-il en fonctionnement ?
Durant l'intégralité des horaires d'ouverture. Le personnel relance le pendule chaque matin à l'aide d'un dispositif à fil incandescent qui évite toute impulsion latérale. Des travaux de restauration occasionnels peuvent l'interrompre ; le Centre des monuments nationaux publie toute fermeture prolongée sur son site internet.
Le pendule a-t-il déjà connu une défaillance ?
Oui — le câble de suspension s'est rompu en avril 2010 et la sphère réplique est tombée, endommageant le sol en marbre ainsi que la sphère elle-même. Le pendule a été réparé et réinstallé. La sphère originale de 1851 conservée au Musée des Arts et Métiers est intacte.
Pourquoi Foucault a-t-il choisi le Panthéon ?
En raison des 67 mètres de dégagement entre l'oculus de la coupole et le sol, permettant un fil d'une longueur exceptionnelle. Un fil long produit une période d'oscillation lente, rendant l'effet de rotation plus aisément observable sur de courtes durées. La coupole du Panthéon constituait l'espace intérieur le plus élevé aisément accessible à Foucault en 1851.
Quel est le meilleur emplacement pour photographier le pendule ?
Le côté est de la nef, avec vue vers l'ouest à travers le plan d'oscillation, la coupole et le fil en perspective raccourcie au-dessus. Un objectif équivalent 50-85 mm permet de capturer ensemble la sphère et le plateau de sable. Les trépieds ne sont pas autorisés durant les horaires d'ouverture ; privilégiez une optique lumineuse ou une sensibilité ISO élevée pour figer le mouvement de la sphère.