如何优雅的称量地球的质量

作者: 中科院物理所

来源: 力学科普

发布日期: 2022-08-05 11:14:58

本文介绍了如何通过科学实验优雅地称量地球的质量,重点讲述了卡文迪许利用扭秤实验测定地球质量的过程及其重要性。

生活中,如果我们想要称量自己或者一个物体的质量,用天平或电子秤就能够知道,那么想要知道地球的质量该怎么办?地球可不能放在秤上称啊!就算阿基米德曾经说过,给我一个支点,我就能撬起整个地球。可他也没有办法称出地球的质量。

古往今来,许许多多的力学家、地学家和天文物理学家们都在想办法得出地球的质量。那么,咱们今天就来唠一唠地球质量那点事。1687年,牛顿的《自然哲学的数学原理》出版,这在科学史上具有里程碑式的意义。在这本书中,牛顿总结和发展了他和之前许多科学家的研究成果,其中就包含了万有引力定律。

万有引力定律的确立,成为天文学研究的划时代的事件。之前,天文学研究的主导工具是几何学,而之后天文学研究进入以力学为主导的时代。后来,确定彗星的轨迹和回归周期、海王星和冥王星的发现、小行星的发现和定位等等重要天文学成就都是在以力学为指引下得到的,而其中起核心作用的理论就是万有引力定律。

英国科学家亨利·卡文迪许巧妙地利用实验,利用牛顿的万有引力定律,成为了第一个优雅准确测出地球质量的人。不过两个普通大小的物体之间,引力是非常非常小的,通常根本察觉不到,距离仅1/4英寸的两个直径为1英尺的铅球,仅靠它们之间的引力,在一个月内也走不到一起。这样微弱的引力,在室内实验是很难测量的。可以想象卡老师测定引力大小和万有引力常量G的值是多么困难。不过卡老师自有他的妙招,就是利用扭秤实验。

卡文迪许实验的严谨之处在于,他用密闭的实验装置成功屏蔽了外界因素对测量结果的干扰,例如空气流动等;还用悬线上的镜子成功地放大了引力所带来的偏转,减少了读数误差;另外,为了克服周期性误差,例如温度的影响,卡文迪许测量地球的实验持续了好几年,从而有效降低了温度和扭秤周期性摆动对观察误差的影响。

了解地球的质量之后,就能很容易地根据万有引力定律计算出月球和太阳的质量,进而计算出太阳系其他行星和天体的质量,因此卡文迪许实验意义的重要性是不言而喻的,他的这个扭秤实验也被誉为了最美物理实验的第六名。

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