การทดลอง ‘ชั่งน้ำหนัก’ โลกเมื่อกว่า 200 ปีก่อน

ในปี พ.ศ. 2341 นักวิทยาศาสตร์ เฮนรี่ คาเวนดิชได้ทำการทดลองกับทรงกลมในห้องที่มืดและปิดสนิท และคำนวณความหนาแน่นโดยประมาณของโลก

โลกและดวงจันทร์ ภาพ: NASA — โลกและดวงจันทร์ ภาพ: *NASA*

ในช่วงปลายคริสตศตวรรษที่ 17 นักวิทยาศาสตร์ ไอแซก นิวตัน ได้เสนอกฎแรงโน้มถ่วงสากล ซึ่งก็คือ อนุภาคทุกตัวจะดึงดูดอนุภาคอื่น ๆ ในจักรวาลด้วยแรง (F) ซึ่งกำหนดโดยมวล (M) และระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของวัตถุกำลังสอง (R) โดยที่ G เป็นค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง สมการของกฎนี้คือ F = G(M1xM2/R ² )

ดังนั้น หากทราบมวลของวัตถุชิ้นหนึ่งและข้อมูลอื่นๆ ในสมการ ก็จะคำนวณมวลของวัตถุชิ้นที่สองได้ หากสมมติว่าบุคคลหนึ่งทราบมวลแล้ว บุคคลนั้นก็จะคำนวณมวลของโลกได้หากทราบว่าตนเองอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของโลกเท่าใด ปัญหาคือ ในสมัยของนิวตัน นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถหาค่า G ได้ ดังนั้นการชั่งน้ำหนักโลกจึงเป็นไปไม่ได้

การทราบมวลและความหนาแน่นของโลกจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อนักดาราศาสตร์ เพราะจะช่วยให้คำนวณมวลและความหนาแน่นของวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะได้ ในปี ค.ศ. 1772 ราชสมาคมแห่งลอนดอนได้จัดตั้ง "คณะกรรมการแรงโน้มถ่วง" ขึ้นเพื่อศึกษาเรื่องนี้

ในปี พ.ศ. 2317 กลุ่มผู้เชี่ยวชาญพยายามวัดความหนาแน่นเฉลี่ยของโลกผ่านภูเขา Schiehallion ในสกอตแลนด์ พวกเขาพบว่ามวลมหาศาลของภูเขา Schiehallion ดึงดูดลูกตุ้มเข้าหาภูเขา พวกเขาจึงคำนวณความหนาแน่นของโลกโดยวัดการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มและสำรวจภูเขา อย่างไรก็ตาม การวัดนี้ไม่ได้แม่นยำมากนัก

ภาพประกอบของนักวิทยาศาสตร์เฮนรี่ คาเวนดิชและการทดลองชั่งน้ำหนักโลกของเขา ภาพ: Wikimedia — ภาพประกอบของนักวิทยาศาสตร์ เฮนรี่ คาเวนดิช และชุดทดลองของเขาที่กำลัง "ชั่งน้ำหนัก" โลก ภาพ: *Wikimedia*

นักธรณีวิทยาจอห์น มิเชลล์ ศึกษาเกี่ยวกับมวลของโลกเช่นกันแต่ไม่สามารถศึกษาให้เสร็จได้ก่อนที่เขาจะเสียชีวิต นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เฮนรี คาเวนดิช ได้ใช้เครื่องมือของมิเชลล์เพื่อทำการทดลองดังกล่าว

เขาประดิษฐ์ตุ้มขนาดใหญ่โดยใช้ลูกตะกั่วทรงกลมกว้าง 5 ซม. สองลูกติดกับปลายแท่งไม้ยาว 183 ซม. แท่งไม้ถูกแขวนจากเชือกตรงกลางและปล่อยให้หมุนได้อย่างอิสระ จากนั้นจึงนำตุ้มน้ำหนักลูกที่สองซึ่งมีลูกตะกั่วทรงกลมกว้าง 30 ซม. สองลูก น้ำหนักลูกละ 159 กก. มาไว้ใกล้กับตุ้มน้ำหนักลูกแรกเพื่อให้ลูกที่ใหญ่กว่าดึงดูดลูกที่เล็กกว่า โดยออกแรงเล็กน้อยกับแท่งไม้ที่แขวนอยู่ คาเวนดิชเฝ้าดูแท่งไม้แกว่งไปมาเป็นเวลาหลายชั่วโมง

แรงดึงดูดระหว่างทรงกลมทั้งสองนั้นอ่อนมากจนกระแสลมเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้การทดลองที่ละเอียดอ่อนนี้เสียหายได้ แคเวนดิชวางอุปกรณ์ไว้ในห้องปิดเพื่อหลีกเลี่ยงกระแสลมจากภายนอก เขาใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อสังเกตการทดลองผ่านหน้าต่างและติดตั้งระบบรอกเพื่อเคลื่อนย้ายน้ำหนักจากภายนอก ห้องถูกทำให้มืดเพื่อหลีกเลี่ยงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างส่วนต่างๆ ของห้องซึ่งอาจส่งผลต่อการทดลองได้

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2341 คาเวนดิชได้เผยแพร่ผลการวิจัยของเขาในวารสาร Transactions of the Royal Society โดยมีชื่อว่า "การทดลองเกี่ยวกับการกำหนดความหนาแน่นของโลก" เขาเสนอว่าความหนาแน่นของโลกมีค่ามากกว่าน้ำถึง 5.48 เท่า หรือ 5.48 g/cm3 ซึ่งใกล้เคียงกับค่าปัจจุบันที่ 5.51 g/cm3 มาก

การทดลองของคาเวนดิชมีความสำคัญไม่เพียงแต่ในการวัดความหนาแน่นและมวลของโลก (ประมาณ 5.974 ล้านล้านกิโลกรัม) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแสดงให้เห็นว่ากฎแรงโน้มถ่วงสากลของนิวตันนั้นใช้ได้กับขนาดที่เล็กกว่าขนาดของระบบสุริยะมากอีกด้วย ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 เป็นต้นมา การทดลองของคาเวนดิชที่ปรับปรุงแล้วถูกนำมาใช้เพื่อกำหนด G

ทู่ เทา (ตาม IFL Science , APS )

ลิงค์ที่มา