آزمایش «وزن کردن» زمین بیش از ۲۰۰ سال پیش

در سال ۱۷۹۸، دانشمندی به نام هنری کاوندیش آزمایش‌هایی را با کره‌هایی در یک اتاق تاریک و مهر و موم شده انجام داد و چگالی تقریبی زمین را محاسبه کرد.

زمین و ماه. عکس: ناسا — زمین و ماه. عکس: *ناسا*

در اواخر دهه ۱۶۰۰، دانشمند ایزاک نیوتن قانون گرانش جهانی را مطرح کرد: هر ذره، هر ذره دیگر را در جهان با نیرویی (F) که توسط جرم (M) و مجذور فاصله بین مراکز اجسام (R) تعیین می‌شود، جذب می‌کند. با توجه به اینکه G ثابت گرانش است، معادله این قانون به صورت زیر است: F = G(M1xM2/ ^R2 ).

بنابراین، اگر کسی جرم یکی از اجسام و اطلاعات دیگر در معادله را بداند، می‌تواند جرم جسم دوم را محاسبه کند. با فرض شخصی که جرمش مشخص است، این شخص می‌تواند جرم زمین را محاسبه کند اگر بداند چقدر از مرکز زمین فاصله دارد. مشکل این است که در زمان نیوتن، دانشمندان هنوز G را تعیین نکرده بودند، بنابراین وزن کردن زمین غیرممکن بود.

دانستن جرم و چگالی زمین برای ستاره شناسان بسیار مفید خواهد بود زیرا به آنها کمک می کند تا جرم و چگالی سایر اجرام منظومه شمسی را محاسبه کنند. در سال ۱۷۷۲، انجمن سلطنتی لندن «کمیته گرانشی» را برای مطالعه در این زمینه تأسیس کرد.

در سال ۱۷۷۴، گروهی از متخصصان سعی کردند با استفاده از کوه شیهالیون در اسکاتلند، میانگین چگالی زمین را اندازه‌گیری کنند. آن‌ها نشان دادند که جرم عظیم شیهالیون، پاندول‌ها را به سمت خود جذب می‌کند. بنابراین آن‌ها با اندازه‌گیری حرکت پاندول و بررسی کوه، چگالی زمین را محاسبه کردند. با این حال، این اندازه‌گیری خیلی دقیق نبود.

تصویری از دانشمند هنری کاوندیش و آزمایش وزن کردن زمین او. عکس: ویکی‌مدیا — تصویری از دانشمند هنری کاوندیش و مجموعه آزمایشگاهی او که زمین را "وزن" می‌کنند. عکس: *ویکی‌مدیا*

کشیش جان میشل، زمین‌شناس، نیز جرم زمین را بررسی کرد اما نتوانست آن را قبل از مرگش تکمیل کند. دانشمند انگلیسی، هنری کاوندیش، از تجهیزات میشل برای انجام آزمایش استفاده کرد.

او یک دمبل بزرگ ساخت که در آن کره‌های سربی به عرض ۵ سانتی‌متر به دو انتهای یک میله چوبی به طول ۱۸۳ سانتی‌متر متصل بودند. میله چوبی از یک نخ در مرکز آویزان بود و می‌توانست آزادانه بچرخد. سپس دمبل دومی با دو کره سربی به عرض ۳۰ سانتی‌متر، هر کدام به وزن ۱۵۹ کیلوگرم، به دمبل اول نزدیک شد، به طوری که کره‌های بزرگ، کره‌های کوچک‌تر را جذب کرده و نیروی کمی به میله آویزان وارد می‌کردند. کاوندیش ساعت‌ها نوسان میله را تماشا کرد.

جاذبه گرانشی بین کره‌ها آنقدر ضعیف بود که حتی کوچکترین جریان هوا می‌توانست آزمایش حساس را خراب کند. کاوندیش دستگاه را در یک محفظه بسته قرار داد تا از جریان هوای بیرون جلوگیری کند. او از یک تلسکوپ برای مشاهده آزمایش از طریق یک پنجره استفاده کرد و یک سیستم قرقره‌ای برای حرکت وزنه‌ها از بیرون نصب کرد. اتاق تاریک نگه داشته شد تا از اختلاف دما بین قسمت‌های مختلف اتاق که می‌توانست بر آزمایش تأثیر بگذارد، جلوگیری شود.

در ژوئن ۱۷۹۸، کاوندیش نتایج خود را در مجله Transactions of the Royal Society در مطالعه‌ای با عنوان «آزمایشی در مورد تعیین چگالی زمین» منتشر کرد. او ارائه داد که چگالی زمین ۵.۴۸ برابر آب یا ۵.۴۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب است که بسیار نزدیک به مقدار امروزی ۵.۵۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب است.

آزمایش کاوندیش نه تنها برای اندازه‌گیری چگالی و جرم زمین (که ۵.۹۷۴ کوادریلیون کیلوگرم تخمین زده می‌شود) مهم بود، بلکه برای نشان دادن اینکه قانون گرانش جهانی نیوتن در مقیاس‌های بسیار کوچکتر از مقیاس منظومه شمسی نیز صادق است، نیز اهمیت داشت. از اواخر قرن نوزدهم، نسخه‌های بهبود یافته آزمایش کاوندیش برای تعیین G استفاده شده‌اند.

پنجشنبه تائو (طبق گفته IFL Science ، APS )

لینک منبع