地球有多重?科學怪人巧「稱」之(上)

2021-01-09 蝌蚪五線譜

奇怪的富翁

18世紀中葉,歐洲有一個奇怪的百萬富翁。

雖然繼承了家族的遺產,但他從來沒清點過自己有多少錢。

他不像其他富翁一樣花天酒地,到處找女人。

他不修邊幅,生活單調而無趣,也從不考慮自己的婚姻大事。

他沒有什麼朋友,總是獨來獨往。他每天要麼在實驗室和圖書館,要麼就在實驗室和圖書館的路上。

他叫亨利·卡文迪什,出生於法國尼斯的英國人。他30歲時被選為英國皇家學會會員,同時被聘為法國科學院的外國院士。

亨利·卡文迪什畫像(網絡圖)

與許多科學家不同的是,儘管卡文迪什在化學、物理等學科上進行過許多深入的研究,不少還具有獨創性,但他很少把這些成果發表出來。

山窮疑無路

從十多歲起,卡文迪什就有個偉大的理想,就是用萬有引力定律來「稱一稱」地球有多重。

之所以說偉大,是因為自牛頓發現萬有引力之後一百多年來,數不清的科學家都有這理想,但無一實現。

數不清的科學家裡面,也包括牛頓本人。

那麼,是不是牛頓以前的科學家就不想「稱」地球有多重?

當然不是。

牛頓以前的科學家們用另一種方法「稱」地球。根據球體積公式

用已知地球的半徑,推算出地球的體積是1.08×1021立方米。根據質量=密度×體積(m=pv),要得到地球的質量,只需測出地球的平均密度就行了。

但是,要測地球的平均密度,並非易事。

一是地殼表面有高山、冰地、海洋等,情況複雜;二是構成地球的物質各不相同,比例也不一樣……人們對地球的內部構造還不很清楚,特別是地心部分。

地球的構造(網絡圖)

「人類將永遠無法知道地球的重量!」對此,科學家提出斷言。

山窮疑無路之時,萬有引力定律橫空出世。

花明又一村

不愧是天才,牛頓居然從一個砸到頭上的蘋果推出著名的萬有引力定律:

黑夜中的一絲曙光照進了牛頓及許多科學家的心田。

是這樣的:M、m是已知物體受到的重力,很容易測得;r是地球與物體之間的距離,可以用地球的半徑近似值代替;只要算出萬有引力常量(G),就可以推算出地球的重量(F)。

關鍵的關鍵,就是如何通過地面上兩個小物體求出萬有引力常量。

這似乎是一塊更難啃的骨頭。

這樣說吧,既然任何兩個物體間都存在著萬有引力,為什麼我們走近桌子、房子等物體時,感覺不到這個力呢?

因為這個力實在太小了,小得只有物體重量的千萬分之一。

  地球上的兩個人之間存在微弱的引力(網絡圖)

所以,要感覺到這個力,只有讓其中一個物體變重,重得與地球、月亮一樣。

這樣的物體沒法引入實驗。

要測出這麼微弱的引力,只有一條路,就是設計非常精巧的實驗。

這就是牛頓之後一百多年來,所有科學家的困惑。

卡文迪什也不例外。那他到底要怎麼「稱」地球呢,敬請關注《地球有多重?科學怪人巧「稱」之(下)》。

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