Эксперимент по «взвешиванию» Земли более 200 лет назад

В 1798 году ученый Генри Кавендиш провел эксперименты со сферами в темной, герметичной комнате и рассчитал приблизительную плотность Земли.

Земля и Луна. Фото: NASA — Земля и Луна. Фото: *NASA*

В конце XVII века учёный Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: каждая частица притягивает все остальные частицы во Вселенной с силой (F), определяемой её массой (M) и квадратом расстояния между центрами тел (R). Если G — гравитационная постоянная, то уравнение этого закона выглядит следующим образом: F = G(M1xM2/ ^R2 ).

Таким образом, зная массу одного из объектов и другую информацию из уравнения, можно вычислить массу второго объекта. Если масса известна, то человек может вычислить массу Земли, зная расстояние от её центра. Проблема в том, что во времена Ньютона учёные ещё не определили силу тяжести (G), поэтому взвешивание Земли было невозможно.

Знание массы и плотности Земли было бы чрезвычайно полезно астрономам, поскольку помогло бы им рассчитать массы и плотности других объектов Солнечной системы. В 1772 году Лондонское королевское общество учредило «Комитет по гравитации» для изучения этого явления.

В 1774 году группа экспертов попыталась измерить среднюю плотность Земли с помощью горы Шихаллион в Шотландии. Они обнаружили, что огромная масса Шихаллиона притягивает к себе маятники. Поэтому они вычислили плотность Земли, измеряя движение маятника и проводя наблюдение за горой. Однако это измерение оказалось неточным.

Иллюстрация учёного Генри Кавендиша и его эксперимента по взвешиванию Земли. Фото: Wikimedia — Иллюстрация учёного Генри Кавендиша и его экспериментальной установки, «взвешивающей» Землю. Фото: *Wikimedia*

Геолог преподобный Джон Митчелл также изучал массу Земли, но не успел завершить это исследование до своей смерти. Английский учёный Генри Кавендиш использовал оборудование Митчелла для проведения эксперимента.

Он сконструировал большой груз, состоящий из двух свинцовых шаров шириной 5 см, прикрепленных к концам деревянного стержня длиной 183 см. Стержень был подвешен на нити в центре и мог свободно вращаться. Затем второй груз, состоящий из двух свинцовых шаров шириной 30 см и весом 159 кг каждый, был поднесен к первому грузу так, чтобы более крупные шары притягивали более мелкие, оказывая небольшое усилие на подвешенный стержень. Кавендиш наблюдал за колебаниями стержня в течение многих часов.

Гравитационное притяжение между сферами было настолько слабым, что даже малейший поток воздуха мог бы испортить этот сложный эксперимент. Кавендиш поместил установку в герметичную камеру, чтобы избежать проникновения внешнего воздуха. Он использовал телескоп для наблюдения за экспериментом через окно и установил систему блоков для перемещения грузов снаружи. Камера была темной, чтобы избежать разницы температур между её частями, которая могла бы повлиять на эксперимент.

В июне 1798 года Кавендиш опубликовал результаты своих исследований в журнале «Труды Королевского общества » под названием «Эксперименты по определению плотности Земли». Он предположил, что плотность Земли в 5,48 раза превышает плотность воды, или 5,48 г/см³, что весьма близко к современному значению 5,51 г/см³.

Эксперимент Кавендиша был важен не только для измерения плотности и массы Земли (оцениваемой в 5,974 квадриллиона килограммов), но и для демонстрации того, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив и в масштабах, значительно меньших масштабов Солнечной системы. С конца XIX века для определения G используются усовершенствованные версии эксперимента Кавендиша.

Thu Thao (по данным IFL Science , APS )

Ссылка на источник