Эксперимент по «взвешиванию» Земли более 200 лет назад

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

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

В конце 1600-х годов ученый Исаак Ньютон предложил закон всемирного тяготения: каждая частица притягивает каждую другую частицу во Вселенной с силой (F), определяемой ее массой (M) и квадратом расстояния между центрами объектов (R). Если G — гравитационная постоянная, то уравнение этого закона выглядит так: F = G(M1xM2/R ² ).

Таким образом, если известна масса одного из объектов и другая информация в уравнении, можно вычислить массу второго объекта. Предполагая, что у человека есть известная масса, этот человек может вычислить массу Земли, если он знает, как далеко он находится от центра Земли. Проблема в том, что во времена Ньютона ученые еще не определили G, поэтому взвешивание Земли было невозможно.

Знание массы и плотности Земли было бы чрезвычайно полезно для астрономов, поскольку помогло бы им рассчитать массы и плотности других объектов в Солнечной системе. В 1772 году Королевское общество Лондона создало «Комитет по гравитации» для изучения этого вопроса.

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 исследуя гору. Однако это измерение было не очень точным.

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

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

Он сконструировал большой груз с двумя свинцовыми сферами шириной 5 см, прикрепленными к концам деревянного стержня длиной 183 см. Стержень был подвешен на веревке в центре и мог свободно вращаться. Затем второй груз с двумя свинцовыми сферами шириной 30 см, весом 159 кг каждая, был поднесен близко к первому грузу так, чтобы большие сферы притягивали меньшие, 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 деликатный эксперимент. Кавендиш поместил аппарат в герметичную камеру, чтобы избежать внешних потоков воздуха. Он использовал телескоп, чтобы наблюдать за экспериментом через окно, и установил систему блоков, чтобы перемещать грузы снаружи. Камера была темной, чтобы избежать разницы температур между различными частями камеры, которая могла бы повлиять на эксперимент.

В июне 1798 года Кавендиш опубликовал свои результаты в журнале Transactions of the Royal Society в исследовании под названием «Эксперименты по определению плотности Земли». Он представил, что плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды, или 5,48 г/см3, что довольно 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 также выполняется в масштабах, намного меньших масштаба Солнечной системы. С конца 19 века для определения G использовались улучшенные версии эксперимента Кавендиша.

Тху Тао (по данным IFL Science , APS )

Ссылка на источник