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.

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

À la fin des années 1600, 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/R ² ).

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 deuxième objet. Considérons une personne dont la masse est connue, cette personne peut calculer la masse de la Terre si elle sait à quelle distance elle se trouve du centre de la Terre. Le problème est qu’à l’époque de Newton, les scientifiques n’avaient pas encore déterminé G, donc peser la Terre était impossible.

Connaître la masse et la densité de la Terre serait extrêmement utile aux astronomes car cela les aiderait à calculer les masses et les densités d’autres objets du système solaire. En 1772, la Royal Society de Londres a créé le « Comité sur la gravitation » pour étudier ce phénomène.

En 1774, un groupe d'experts a tenté de mesurer la densité moyenne de la Terre via la montagne Schiehallion en Écosse. Ils ont souligné que la masse massive de Schiehallion attirait les pendules vers elle. Ils ont donc calculé la densité de la Terre en mesurant le mouvement du pendule et en examinant la montagne. Cependant, cette mesure n’est pas très précise.

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

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

Il a construit un grand haltère, avec des sphères de plomb de 5 cm de large attachées aux extrémités d'une tige en bois de 183 cm de long. La barre en bois est suspendue à une corde au centre et peut tourner librement. Ensuite, un deuxième poids composé de deux sphères de plomb de 30 cm de large, pesant chacune 159 kg, est rapproché du premier poids de sorte que les plus grandes sphères attirent les plus petites, exerçant une légère force sur la barre de suspension. Cavendish a observé attentivement les oscillations de la barre pendant des heures.

La force gravitationnelle entre les sphères est si faible que même le moindre courant d’air peut ruiner cette expérience délicate. Cavendish a placé l’appareil dans une pièce fermée pour éviter tout flux d’air extérieur. Il a utilisé un télescope pour observer l’expérience à travers une fenêtre et a installé un système de poulie pour déplacer les poids de l’extérieur. La pièce a été maintenue dans l’obscurité pour éviter les différences de température entre les différentes parties de la pièce, ce qui aurait affecté l’expérience.

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

L'expérience de Cavendish fut 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 plus petites que celle du système solaire. Depuis la fin du XIXe siècle, des versions améliorées du test de Cavendish sont utilisées pour déterminer G.

Thu Thao (selon IFL Science , APS )

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