如何測量地球的質量?

2021-01-15 溯源時空宇宙

在回答這個問題之前,有一點需要知道的是,物體質量與重量是有區別的,質量是物質本身的屬性,重量是物體所受的重力,二者並不能混為一談。

任何有質量的物體之間都存在著引力,也就是牛頓所說的萬有引力,在地球上地球與其它物體之間的萬有引力就是我們常說的重力。

測量地球這種事情人類很早就在做,早在古希臘時期就有人用非常巧妙的方法測量出了地球的半徑,但對於如何測量地球的質量卻毫無頭緒。

正常我們要向知道一個物體的質量可以用秤來稱量,但地球太大,不可能找到如此巨大的秤。

直到1750年英國科學家卡文迪許設計了一個巧妙的試驗測算出了地球的質量,根據牛頓的萬有引力定律,用光線放大了微小的變量,最終計算出了地球質量。

卡文迪許測算地球質量的方法現在被稱為卡文迪許扭秤試驗。

用石英絲懸著一根木棍,木棍兩端各有一個鉛球,然後在木棍中點出放置一面鏡子,在遠處固定住一個可以發射平行光的光源照射鏡面,再放置一個接收屏接收反射光線。

最後再用另外兩個質量比較大的鉛球提供額外引力,由於萬有引力,木棍會轉動一定角度,不過這個傾斜角度肉眼很難觀測到。

但這個實驗巧妙之處就在於光線,當木棍受力轉動的時候,原本反射在接收屏上的光就會偏移,只要接收屏放得足夠遠,這個偏移角度就能夠直接測量出來。

卡文迪許通過這個實驗測量出了萬有引力常量,現代科學測算的萬有引力常量約為G=6.67x10^-11 (N·m^2 /kg^2),卡文迪許測量的誤差小於1%。

最終卡文迪許算出地球質量為60萬億億噸,而現代測量的結果為59.76萬億億噸,基本相差不大,現代測算地球質量並沒有在方法上有突破,只是測量更加精準。

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