Expérience de « pesée » de la Terre il y a plus de 200 ans

En 1798, le scientifique Henry Cavendish a mené des expériences avec des sphères dans une pièce sombre et scellée et a calculé une densité approximative de la Terre.

La Terre et la Lune. Photo : NASA — La Terre et la Lune. Photo : *NASA*

À la fin du XVIIe siècle, le scientifique Isaac Newton a proposé la loi de la gravitation universelle : chaque particule attire toutes les autres particules de l’univers avec une force (F) déterminée par sa masse (M) et le carré de la distance entre les centres des objets (R). G étant la constante gravitationnelle, l’équation de cette loi est : F = G(M1xM2/ ^R2 ).

Ainsi, si l'on connaît la masse de l'un des objets et l'autre information de l'équation, on peut calculer la masse du second. En supposant une personne dont la masse est connue, celle-ci peut calculer la masse de la Terre si elle connaît sa distance par rapport au centre de la Terre. Le problème est qu'à l'époque de Newton, les scientifiques n'avaient pas encore déterminé la force G ; peser la Terre était donc impossible.

Connaître la masse et la densité de la Terre serait extrêmement utile aux astronomes, car cela leur permettrait de calculer celles des autres objets du système solaire. En 1772, la Royal Society de Londres créa le « Comité gravitationnel » pour étudier cette question.

En 1774, un groupe d'experts tenta de mesurer la densité moyenne de la Terre en utilisant le mont Schiehallion, en Écosse. Ils démontrèrent que la masse massive du mont Schiehallion attirait les pendules vers lui. Ils calculèrent donc la densité de la Terre en mesurant le mouvement du pendule et en observant la montagne. Cependant, cette mesure manquait de précision.

Illustration du scientifique Henry Cavendish et de son expérience de pesée de la Terre. Photo : Wikimedia — Illustration du scientifique Henry Cavendish et de son dispositif expérimental « pesant » la Terre. Photo : *Wikimedia*

Le géologue, le révérend John Michell, a également étudié la masse de la Terre, mais n'a pu la terminer avant sa mort. Le scientifique anglais Henry Cavendish a utilisé l'équipement de Michell pour réaliser l'expérience.

Il construisit un grand haltère, avec des sphères de plomb de 5 cm de large fixées aux extrémités d'une tige de bois de 183 cm de long. La tige était suspendue à une ficelle au centre et pouvait tourner librement. Puis, un deuxième haltère, composé de deux sphères de plomb de 30 cm de large, pesant 159 kg chacune, fut rapproché du premier, de sorte que les grandes sphères attiraient les plus petites, exerçant une légère force sur la tige suspendue. Cavendish observa la tige osciller pendant des heures.

L'attraction gravitationnelle entre les sphères était si faible que le moindre courant d'air aurait pu ruiner cette expérience délicate. Cavendish plaça l'appareil dans une chambre étanche pour éviter les courants d'air extérieurs. Il utilisa un télescope pour observer l'expérience à travers une fenêtre et installa un système de poulies pour déplacer les poids depuis l'extérieur. La pièce fut maintenue dans l'obscurité afin d'éviter les différences de température entre les différentes parties, susceptibles d'affecter l'expérience.

En juin 1798, Cavendish publia ses résultats dans la revue Transactions of the Royal Society , dans une étude intitulée « Une expérience sur la détermination de la densité de la Terre ». Il affirma que la densité de la Terre était 5,48 fois celle de l'eau, soit 5,48 g/cm³, très proche de la valeur actuelle de 5,51 g/cm³.

L'expérience de Cavendish a été importante non seulement pour mesurer la densité et la masse de la Terre (estimées à 5,974 quadrillions de kilogrammes), mais aussi pour démontrer que la loi de la gravitation universelle de Newton est également valable à des échelles bien inférieures à celle du Système solaire. Depuis la fin du XIXe siècle, des versions améliorées de l'expérience de Cavendish sont utilisées pour déterminer la force G.

Thu Thao (selon IFL Science , APS )

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