Experiment zum „Wiegen“ der Erde vor mehr als 200 Jahren

Im Jahr 1798 führte der Wissenschaftler Henry Cavendish Experimente mit Kugeln in einem dunklen, abgedichteten Raum durch und berechnete die ungefähre Dichte der Erde.

Erde und Mond. Foto: NASA

Ende des 17. Jahrhunderts stellte der Wissenschaftler Isaac Newton das Gravitationsgesetz auf: Jedes Teilchen im Universum zieht jedes andere Teilchen mit einer Kraft (F) an, die von der Masse (M) und dem Quadrat des Abstands zwischen den Mittelpunkten der beiden Teilchen (R) abhängt. Da G die Gravitationskonstante ist, lautet die Gleichung für dieses Gesetz: F = G(M1xM2/ ^R2 ).

Kennt man also die Masse eines Objekts und die anderen Informationen in der Gleichung, kann man die Masse des zweiten Objekts berechnen. Angenommen, jemand hat eine bekannte Masse, kann er die Masse der Erde berechnen, wenn er weiß, wie weit er vom Erdmittelpunkt entfernt ist. Das Problem ist, dass zu Newtons Zeiten die G-Kraft noch nicht bestimmt war, sodass das Wiegen der Erde unmöglich war.

Die Kenntnis der Masse und Dichte der Erde wäre für Astronomen äußerst nützlich, da sie ihnen helfen würde, die Masse und Dichte anderer Objekte im Sonnensystem zu berechnen. 1772 gründete die Royal Society of London das „Committee on Gravitation“, um dies zu untersuchen.

1774 versuchte eine Gruppe von Experten, die durchschnittliche Dichte der Erde anhand des Schiehallion-Berges in Schottland zu messen. Sie stellten fest, dass die enorme Masse des Schiehallion Pendel anzog. Daher berechneten sie die Dichte der Erde, indem sie die Bewegung des Pendels maßen und den Berg vermaßen. Diese Messung war jedoch nicht sehr genau.

Illustration des Wissenschaftlers Henry Cavendish und seines Versuchsaufbaus zum „Wiegen“ der Erde. Foto: Wikimedia

Auch der Geologe Reverend John Michell untersuchte die Masse der Erde, konnte diese jedoch vor seinem Tod nicht abschließen. Der englische Wissenschaftler Henry Cavendish nutzte Michells Ausrüstung, um das Experiment durchzuführen.

Er konstruierte ein großes Gewicht aus zwei 5 cm breiten Bleikugeln, die an den Enden eines 183 cm langen Holzstabs befestigt waren. Der Stab hing in der Mitte an einer Schnur und konnte sich frei drehen. Anschließend wurde ein zweites Gewicht mit zwei 30 cm breiten Bleikugeln und einem Gewicht von je 159 kg nahe an das erste Gewicht herangeführt, sodass die größeren Kugeln die kleineren anzogen und so eine leichte Kraft auf den hängenden Stab ausübten. Cavendish beobachtete die Schwingungen des Stabs viele Stunden lang.

Die Gravitationskraft zwischen den Kugeln war so schwach, dass selbst die geringste Luftströmung das heikle Experiment hätte zerstören können. Cavendish platzierte die Apparatur in einer abgedichteten Kammer, um äußere Luftströmungen zu vermeiden. Er benutzte ein Teleskop, um das Experiment durch ein Fenster zu beobachten, und installierte ein Flaschenzugsystem, um die Gewichte von außen zu bewegen. Die Kammer wurde abgedunkelt, um Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Kammerteilen zu vermeiden, die das Experiment hätten beeinflussen können.

Im Juni 1798 veröffentlichte Cavendish seine Ergebnisse in der Zeitschrift Transactions of the Royal Society in einer Studie mit dem Titel „Experimente zur Bestimmung der Dichte der Erde“. Er stellte fest, dass die Dichte der Erde 5,48-mal so hoch wie die von Wasser ist, also 5,48 g/cm³, was dem heutigen Wert von 5,51 g/cm³ recht nahe kommt.

Cavendishs Experiment war nicht nur wichtig für die Messung der Dichte und Masse der Erde (geschätzt 5,974 Billiarden Kilogramm), sondern auch für den Nachweis, dass Newtons Gravitationsgesetz auch auf viel kleineren Skalen als der des Sonnensystems gilt. Seit dem späten 19. Jahrhundert werden verbesserte Versionen des Cavendish-Experiments zur Bestimmung von G verwendet.

Thu Thao (Laut IFL Science , APS )

Quellenlink: https://vnexpress.net/thi-nghiem-can-trai-dat-cach-day-hon-200-nam-4616753.html