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地球质量约为5.965×10^21吨,如此之大的数字如何测量出来的?

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宇宙时空 2021-04-08 19:59

在牛顿的时代,地球的质量是未知的,如果能够测出地球的质量,将会是一项了不起的发现。牛顿认为,通过万有引力定律的公式,就可以计算出地球的质量,于是他就开始着手这方面的研究工作。

思路其实很简单,万有引力公式为:F = G x (m1m2/r^2),可以找一个质量为m1的物体,然后用秤测出它所受到的引力(F),地球的半径(r)又是可测的,只需要测出引力常量(G),就可以计算出地球的质量。

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问题就出在这个引力常量上,这个看起来似乎很简单的问题,其实很难。

这是为什么呢?原因就是引力非常非常的微弱,举个简单的例子,一块小小的磁铁,就可以把一枚回形针吸离地面,这说明这块磁铁产生的电磁力,比整个地球对这枚回形针产生的引力还要强。

而牛顿需要测量的是地球上两个物体之间产生的引力,大家可以想象一下这个引力是多么的微弱,可以说以当时的科技水平,很难测出这么小的力。

对此,牛顿以及其他科学家想了很多办法,设计了不少的实验。

例如,从很高的悬崖上用细线吊下一枚铅球,然后去测量铅球受到的来自山体的引力。虽然这种方法从理论上来讲,是可以测出引力数值的,但实际情况却是,自然界的任何风吹草动都可以极大地影响实验结果。

所以这些实验都无一例外地失败了,“如何测出地球质量”这个问题,就成了一个牛顿无法解决的科学难题。甚至在牛顿去世后的几十年里,科学家都还是对这个问题一筹莫展。

18世纪中期,科学家发明了一种新的测力方法,他们用一根细丝将一枚很细的针吊起来,然后通过测量细丝的扭动程度来计算力的大小。

很显然,这种方法可以测量到很小的力,英国物理学家亨利.卡文迪许(Henry Cavendish)决定利用这种方法来测量两个物体间的引力。

但他还是失败了!

因为引力实在是太弱小了,尽管这种新的测力方法比之前精密了不少,但还是远远达不到测量引力的标准。亨利.卡文迪许也为此苦恼不已,直到有一天,他无意中看到了一种小孩的游戏。

这种小孩的游戏,我们小时候都玩过,就是用一面镜子将太阳光反射到墙上,我们只要轻轻晃动一下手中的镜子,墙上的光斑就会出现大幅度的移动。

当亨利.卡文迪许看到这一幕时,马上就意识到他找到了测量引力的解决方法。

根据这个游戏的原理,他将一面很小的镜子固定在细丝上,然后用一束光线照射在镜子上,接着调整镜子的角度,使光线反射到一个刻度尺上。通过这种设计,细丝只要有一点轻微的扭动,就可以造成刻度尺上的光斑出现比较明显的变化,从而被实验者观测到。

然而事情并不是那么顺利,因为这种测量是极为精细的,空气流动、声波震动或者其他的任何干扰,都可能导致整个实验的失败。

直到1798年,亨利.卡文迪才准确地测出了引力常量,并通过牛顿的万有引力公式,计算出地球的质量为5.965 x 10^24 kg(约60万亿亿吨)。

在那个时候,他已经有67岁了,由此可见地球质量的测量过程是多少的艰辛!

一个牛顿无法解决的科学难题,最后从小孩的游戏中找到了解决方法,这也成了科学界的一段佳话。亨利.卡文迪许改良的测量装置,被称之为“卡文迪许扭秤”,目前仍然应用于很多精密实验中。

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