- 第10節(jié) 第一個稱量地球的人——卡文迪許
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17世紀(jì),權(quán)威人士斷言:人類永遠(yuǎn)不會知道地球的質(zhì)量。因為在當(dāng)時的條件下,要知道地球的質(zhì)量必須用體積和密度相乘計算出來,而地球的構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜,各部的密度差異很大,無法求出它的平均密度,所以無法得出地球的質(zhì)量。
到17世紀(jì)末,牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律后,他想用測定引力的辦法來計算地球的質(zhì)量,但始終沒能成功。直到一百年后,一個叫亨利·卡文迪許的英國物理學(xué)家才計算出了地球的質(zhì)量,他因此被譽(yù)為“第一個稱出地球的人”。
1731年10月,亨利·卡文迪許生于法國尼斯的一個貴族家庭,幼年受過良好的教育。1742年,他在英國倫敦附近的海克納學(xué)校讀書。7年后,18歲的卡文迪許考上了劍橋大學(xué)。后來,他去巴黎留學(xué),主攻物理和數(shù)學(xué)。返回英國后,卡文迪許在倫敦建立了一個自己的實驗室,從事化學(xué)和物理學(xué)研究。1760年,當(dāng)選為皇家學(xué)會會員,并成為法國科學(xué)院的外國院士。此后,他專心致力于科學(xué)研究工作。
性情孤僻的卡文迪許很少與人交往,但卻與他的老師、英國劍橋大學(xué)的天文學(xué)家、機(jī)械師約翰·米歇爾來往密切,他們的共同理想是測定地球的密度。
1750年,米歇爾把一塊磁鐵用線懸掛起來,再用另一塊磁鐵去排斥它,從線的扭轉(zhuǎn)程度來測定磁力的大小,發(fā)現(xiàn)了兩個磁極之間的作用力與磁極間距離的平方成反比。但是,米歇爾還未用它來進(jìn)行測定,便去世了。
米歇爾去世后,這架儀器幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)傳到了卡文迪許手里,而這時,卡文迪許已是年近古稀的老人了?ㄎ牡显S首先對米歇爾制作的扭秤進(jìn)行分析,他發(fā)現(xiàn),米歇爾用石英絲橫吊磁鐵的扭轉(zhuǎn)來觀察磁引力,但是靠肉眼看不到石英絲的變化。
一天,卡文迪許正在對實驗進(jìn)行冥思苦想,突然,他看到一群孩子拿著小鏡子,用來反射太陽光玩。小鏡子微微一動,遠(yuǎn)處的光點就會發(fā)生很大的移動。這個游戲給卡文迪許以極大的啟發(fā)。他重新制作了絕大部分部件,并對原裝置進(jìn)行了一些改動:
他在石英絲上固定一面小鏡子,用一束光線去照射它,結(jié)果,石英絲極小的扭轉(zhuǎn)被放大了,提高了實驗的靈敏度。
卡文迪許根據(jù)牛頓提出的直接測量兩個物體間的引力的想法,利用扭秤進(jìn)行了一系列十分仔細(xì)的測量,終于準(zhǔn)確地測定了引力常數(shù),算出了地球的質(zhì)量。這就是著名的扭秤實驗。他的測定方法非常精巧,在八九十年間竟無人能趕超他的測量精度,就是現(xiàn)在看來,卡文迪許的測量仍有相當(dāng)?shù)木_度。
卡文迪許把自己的這個實驗稱作“測量地球的重量”,他因此成為“稱量地球第一人”。對這一構(gòu)思、設(shè)計與操作極其精巧的實驗,英國物理學(xué)家JH坡印廷在《地球》一書中給予高度贊揚(yáng),稱其“開創(chuàng)了測量弱力的新時代”。
1798年,卡文迪許把自己的測定實驗寫成論文,發(fā)表在《哲學(xué)學(xué)報》第17卷上。引力常數(shù)的準(zhǔn)確測量為牛頓的萬有引力定律的可靠性提供了最重要的實驗佐證,它使牛頓的萬有引力定律不再是一個比例性的陳述,而成為一項精確的定量規(guī)律。
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