Expérience visant à « peser » 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

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 leur 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 les autres informations de l'équation, on peut calculer la masse du second objet. Supposons qu'une personne dont la masse est connue, elle puisse calculer la masse de la Terre si elle connaît sa distance au centre de la Terre. Le problème est qu'à l'époque de Newton, les scientifiques n'avaient pas encore déterminé la force gravitationnelle G ; peser la Terre était donc impossible.

La connaissance de la masse et de la densité de la Terre serait extrêmement utile aux astronomes, car elle leur permettrait de calculer les masses et les densités des autres objets du système solaire. En 1772, la Royal Society de Londres créa le « Comité de gravitation » afin d'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 imposante du Schiehallion attirait les pendules. Ils calculèrent donc la densité de la Terre en mesurant le mouvement du pendule et en effectuant des relevés topographiques de la montagne. Cependant, cette mesure s'avéra imprécise.

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

Le géologue John Michell étudia également la masse de la Terre, mais ne put achever ses recherches avant sa mort. Le scientifique anglais Henry Cavendish utilisa l'équipement de Michell pour mener à bien l'expérience.

Il construisit un haltère imposant, composé de sphères de plomb de 5 cm de diamètre fixées aux extrémités d'une tige de bois de 183 cm de long. Cette tige, suspendue en son centre par une corde, pouvait pivoter librement. Un second haltère, muni de deux sphères de plomb de 30 cm de diamètre et pesant chacune 159 kg, fut ensuite approché du premier, de sorte que les grosses sphères attirent les plus petites, exerçant une légère force sur la tige. Cavendish observa les oscillations de la tige pendant de longues heures.

L'attraction gravitationnelle entre les sphères était si faible qu'un simple courant d'air aurait pu compromettre cette expérience délicate. Cavendish plaça le dispositif dans une chambre étanche afin d'éviter toute interférence extérieure. Il utilisa un télescope pour observer l'expérience à travers une fenêtre et mit en place un système de poulies pour déplacer les masses depuis l'extérieur. La pièce était maintenue dans l'obscurité pour éviter que les différences de température entre ses différentes parties n'influencent l'expérience.

En juin 1798, Cavendish publia ses résultats dans la revue Transactions of the Royal Society, dans une étude intitulée « Expérience sur la détermination de la densité de la Terre ». Il y présenta que la densité de la Terre était 5,48 fois supérieure à celle de l'eau, soit 5,48 g/cm3, une valeur 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 reste 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 ont été utilisées pour déterminer la force gravitationnelle G.

Thu Thao (Selon IFL Science , APS )

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