Experiment zur „Wägung“ der Erde vor mehr als 200 Jahren

Im Jahr 1798 führte der Wissenschaftler Henry Cavendish Experimente mit Kugeln in einem dunklen, abgedichteten Raum durch und berechnete eine ungefähre Dichte der Erde.

Erde und Mond. Foto: NASA

Ende des 17. Jahrhunderts formulierte der Wissenschaftler Isaac Newton das Gravitationsgesetz: Jedes Teilchen im Universum zieht jedes andere Teilchen mit einer Kraft (F) an, die durch seine Masse (M) und das Quadrat des Abstands zwischen den Mittelpunkten der Objekte (R) bestimmt wird. Mit G als Gravitationskonstante lautet die Gleichung für dieses Gesetz: F = G(M₁xM₂/ ^R² ).

Kennt man also die Masse eines Objekts und die übrigen Angaben in der Gleichung, kann man die Masse des zweiten Objekts berechnen. Angenommen, eine Person kennt ihre Masse, dann könnte diese Person die Masse der Erde berechnen, wenn sie ihre Entfernung vom Erdmittelpunkt kennt. Das Problem ist jedoch, dass Wissenschaftler zu Newtons Zeiten die Erdbeschleunigung G noch nicht bestimmt hatten, weshalb es unmöglich war, die Erde zu wiegen.

Die Kenntnis von Masse und Dichte der Erde wäre für Astronomen äußerst nützlich, da sie ihnen die Berechnung der Massen und Dichten anderer Objekte im Sonnensystem ermöglichen würde. 1772 gründete die Royal Society of London das „Gravitationskomitee“, um dies zu erforschen.

Im Jahr 1774 versuchte eine Gruppe von Experten, die durchschnittliche Dichte der Erde mithilfe des Schiehallion in Schottland zu messen. Sie wiesen nach, dass die enorme Masse des Schiehallion Pendel anzog. So berechneten sie die Dichte der Erde, indem sie die Pendelbewegung maßen und den Berg vermassen. Diese Messung war jedoch nicht sehr genau.

Illustration des Wissenschaftlers Henry Cavendish und seiner Versuchsanordnung zur „Wägung“ der Erde. Foto: Wikimedia

Der Geologe Reverend John Michell untersuchte ebenfalls die Masse der Erde, konnte die Untersuchung jedoch vor seinem Tod nicht abschließen. Der englische Wissenschaftler Henry Cavendish nutzte Michells Geräte, um das Experiment durchzuführen.

Er konstruierte eine große Hantel, an deren Enden eine 183 cm lange Holzstange befestigt war, jeweils mit 5 cm Durchmesser beschwerten Bleikugeln. Die Holzstange war in der Mitte an einem Faden aufgehängt und konnte sich frei drehen. Anschließend wurde eine zweite Hantel mit zwei 30 cm breiten Bleikugeln, die jeweils 159 kg wogen, nahe an die erste Hantel herangeführt, sodass die größeren Kugeln die kleineren anzogen und dadurch eine leichte Kraft auf die hängende Stange ausübten. Cavendish beobachtete die Schwingungen der Stange über viele Stunden.

Die Gravitationsanziehung zwischen den Kugeln war so schwach, dass selbst die geringste Luftströmung das empfindliche Experiment hätte zerstören können. Cavendish platzierte die Apparatur in einer abgedichteten Kammer, um äußere Luftströmungen auszuschließen. Er nutzte ein Teleskop, um das Experiment durch ein Fenster zu beobachten, und baute ein Flaschenzugsystem, um die Gewichte von außen zu bewegen. Der Raum wurde abgedunkelt, um Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Bereichen zu vermeiden, die das Experiment hätten beeinflussen können.

Im Juni 1798 veröffentlichte Cavendish seine Ergebnisse in der Zeitschrift Transactions of the Royal Society in einer Studie mit dem Titel „Ein Experiment zur Bestimmung der Dichte der Erde“. Er präsentierte, dass die Dichte der Erde das 5,48-fache der Dichte von Wasser, also 5,48 g/cm³, betrug, was dem heutigen Wert von 5,51 g/cm³ recht nahe kommt.

Cavendishs Experiment war nicht nur für die Messung der Dichte und Masse der Erde (geschätzt auf 5,974 Billiarden Kilogramm) von Bedeutung, sondern auch für den Nachweis, dass Newtons Gravitationsgesetz auch auf viel kleineren Skalen als denen des Sonnensystems gilt. Seit dem späten 19. Jahrhundert werden verbesserte Versionen des Cavendish-Experiments zur Bestimmung der Erdbeschleunigung G eingesetzt.

Thu Thao (Laut IFL Science , APS )

Quellenlink: https://vnexpress.net/thi-nghiem-can-trai-dat-cach-day-hon-200-nam-4616753.html