地球有多重?科学怪人巧“称”之(下)

—— 万有引力发现之后(二)
作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-06-01

地球有多重?“称”出地球的第一人,非“科学怪人”卡文迪许莫属!

       文接《地球有多重?科学怪人巧“称”之(上)》

失败的总结

  卡文迪什有许多利于从事科学研究的条件:不缺钱,不缺时间,没有人打扰。

  此外,他还有个好习惯:永不言败!

  据说,他从十几岁起就想测出万有引力常量。为此,他常常茶不思、饭不想、睡不着,常常把自己关在实验室很多天,偶尔出门,也会把周围的事物联想到实验中。

  一次,他到商店买笔时,看到废纸上写着:一个叫米歇尔的英国机械师用一根石英丝吊住一条磁铁,然后用另一块磁铁吸引它,石英磁被扭转了,这样就测出了磁力的大小。

  这是个好办法!卡文迪什依葫芦画瓢,在一根细长棒两端各安一个小铅球(就像哑铃),再用石英丝把“哑铃”吊起来,并用两个大铅球靠近这两个小铅球。

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哑铃(网络图)

  用这种方法能测出引力大小?答案是否定的。

  失败了!

  没关系!失败是成功的妈妈,科学人都知道。

  关键是要从失败中总结经验。卡文迪什总结的经验是,由于铅球间的引力太小太小,所以遇到细微的干扰都会让实验失败。

精巧的实验

  多少年过去了,卡文迪什的头发由黑变白,嘴下长满长长的胡须。

  但他还是没有找到方法。

  67岁那年,卡文迪什到实验室的途中,看到几个小孩手拿小镜子来反射太阳光,互相照着玩。镜面偏转一个小角度,远处光点的位置就会偏转很大角度。

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卡文迪许的扭秤实验,源于小孩的一个游戏(网络图)

  这是个好办法!卡文迪什灵机一动,决定再来一次依葫芦画瓢。

  他把一面小镜子固定在石英丝上,利用望远镜在室外远距离操纵和测量,避免了空气的扰动(当时还没有真空设备)。又用一根39英寸的镀银铜丝吊一根木杆,杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球,另用两颗直径12英寸的大铅球吸引它们。铅球间引力引起的摆动周期,通过反射光在不远处的刻度尺上显示出来。

  “成功了!”卡文迪什跳了起来。激动的他迅速平复心态,先后做了17次类似的实验。

卡文迪什测万有引力常量的扭秤实验(网络图)

  通过精确的计算,卡文迪什得出的万有引力常量为

  他测出的这个值精确度非常高,以致此后八九十年中没有人能超过他的成就。

  没办法,谁叫万有引力是已知物理学中最弱的力,而测量这种力时很难屏蔽外界的干扰。

  而这个构思、设计与操作十分精巧的著名实验,被称为卡文迪什实验。英国物理学家坡印廷曾这样评价:“(卡文迪什实验)开创了弱力测量的新时代。”

  视频:卡文迪什实验

尾声

  测出万有引力常量的卡文迪什很快发表了生平中为数不多的一篇论文。

  文中他不但给出了地球的密度为5.48g/cm3,还宣布地球质量为5.977x1024千克(即约六十万亿亿吨)。

  “称”出地球的第一人,非“科学怪人”卡文迪许莫属!

  当然,后世科学家并没停止继续“称”地球的步伐。

  300多年旷日持久的争论之后,美国华盛顿大学贡德拉赫教授的研究小组最近正式向美国物理学会提交研究报告,称地球质量为5.972×1024千克,比卡文迪什计算的要轻0.005×1024千克。自然,贡德拉赫研究小组也借助了卡文迪什实验的原理!

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  【注】

        亨利·卡文迪什(1731.10.10—1810.2.24),又译作卡文迪许,英国物理学家和化学家,担任过英国皇家学会会员等,其重大贡献是建立电势概念、测量万有引力扭秤实验等。他年轻时在其父(是一位实验科学家)的实验室中从事科学研究工作,后因发表论文《论人工空气》而获皇家学会科普利奖章。他制出纯氧,并确定了空气中氧、氮的含量,证明水不是元素而是化合物,被称为“化学界的牛顿”。

  卡文迪什生平不喜欢发表论文。他逝世后100多年,物理学家麦克斯韦整理其实验论文,出版了名为《尊敬的亨利·卡文迪什的电学研究》一书,麦克斯韦说:“这些论文证明卡文迪什几乎预料到电学上所有的伟大事实,这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”

  【参考资料】

  1、文章《卡文迪许怎样给地球称体重?》,作者董改正,《知识窗》2016年第12期

        2、文章《卡文迪许:第一个称量地球的人》,未来网

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