在牛顿所处的时代,人们尚未揭晓地球的重量这一未知数,倘若有人能破解这一谜题,无疑将是科学界的一项壮丽业绩。牛顿抱持着一个信念,即通过运用他所提出的万有引力定律,能够推算出地球的重量,并着手于这一研究课题。

他的逻辑十分直接:万有引力的公式清晰地写着:

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只要能找到一个质量为m1的物体,并利用秤测量其所受到的重力(F),同时地球的半径(r)是可被测得的,那么仅需得知引力常数(G),便可推算出地球的质量。

然而,问题恰恰卡在了这个引力常数上,这个看似微不足道的难题,实则艰巨无比。

这是出于何种原因呢?答案在于引力的强度异常微小。举个例子,一枚小小的磁铁能将回形针从地面吸起,意味着这颗磁铁所产生的电磁力,胜过整个地球对回形针施加的引力。

而牛顿所需要测量的,正是地球上两个物体间的微弱引力,可以想象,在当时的科技水平下,要测出这样的微小力道无疑是巨大挑战。

为了攻破这一难关,牛顿及其同行科学家们冥思苦想,设计了众多实验。

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例如,他们从高耸的悬崖上悬垂一根细线,悬挂一个铅球,并尝试测得铅球受到山体的引力。理论上,这样的做法看似可行,可实际上,任何自然因素的轻微变化,都能极大地影响实验的精确度。

这些实验都以失败告终,“如何确定地球的质量”变成了一个牛顿也无法攻克的科学难题。在他去世后的数十年中,这个问题也同样困扰着科学家们。

到了18世纪中期,科学家们发展出一种新的测力技术,他们利用一根细线悬挂一根极细的针,并通过测量细线的旋转程度来判定力的大小。

这种方法能够感知到极小的力,于是,英国物理学家亨利·卡文迪许决定用此技术来测量两个物体间的引力。

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但他同样遭遇了挫败!

因为引力实在是过于微弱,虽然这种新方法比以往更加精密,但距离测量引力所需的精确度仍然相去甚远。亨利·卡文迪许为此深感困扰,直到某日,他偶然间看到了一种儿童玩具。

这个儿童玩具,几乎每个人都在童年时玩耍过,就是用一面镜子将阳光反射到墙上,轻微晃动镜子,墙上的光点就会大幅度移动。

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看到这一幕时,亨利·卡文迪许立刻意识到他找到了解决问题的关键。

利用这个原理,他将一面极小的镜子固定在细线上,让一道光线照在镜子上,并调整镜子的角度使光线反射至一个刻度尺。这样一来,细线哪怕是极其轻微的旋转,都能导致刻度尺上的光点产生明显变化,从而被实验者观察到。

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但实验过程并不顺畅,因为这种测量极为敏感,空气的流动、声波的振动或其他任何干扰都可能导致整个实验的失败。

直至1798年,亨利·卡文迪许才终于精确地测量出了引力常数,并利用牛顿的万有引力公式,推算出地球的质量大约为5.965 x 10的24次方千克(约60万亿亿吨)。

那时,他已步入67岁高龄,可见测量地球质量的路途有多么崎岖不平!

一个曾让牛顿束手无策的科学难题,最后竟在一个儿童游戏中找到了答案,这成为了科学史上的一则轶事。亨利·卡文迪许改良的测力装置,被誉为“卡文迪许扭秤”,至今仍在众多精密实验中发挥作用。