200年以上前に地球を「計量」する実験

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1798 年、科学者ヘンリー・キャベンディッシュは暗くて密閉された部屋で球体を使った実験を行い、地球のおおよその密度を計算しました。

1600年代後半、科学者アイザック・ニュートンは万有引力の法則を提唱しました。宇宙に存在するすべての粒子は、その質量（M）と物体の中心間の距離（R）の2乗によって決まる力（F）で他のすべての粒子を引きつけます。Gを万有引力定数とすると、この法則の式はF = G(M1xM2/R ² )となります。

このように、物体の一方の質量と方程式の他の情報がわかれば、もう一方の物体の質量を計算できます。質量がわかっている人が地球の中心からどれだけ離れているかがわかれば、地球の質量を計算できます。問題は、ニュートンの時代には科学者がまだ重力加速度（G）を決定していなかったため、地球の質量を測ることは不可能だったことです。

地球の質量と密度を知ることは、太陽系内の他の天体の質量と密度を計算するのに役立つため、天文学者にとって非常に有益です。1772年、ロンドン王立協会はこれを研究するために「重力委員会」を設立しました。

1774年、ある専門家グループがスコットランドのシーハリオン山を用いて地球の平均密度の測定を試みました。彼らは、シーハリオン山の巨大な質量が振り子を引き寄せることを示しました。そこで彼らは、振り子の動きを計測し、山の測量を行うことで地球の密度を計算しました。しかし、この測定はあまり正確ではありませんでした。

科学者ヘンリー・キャベンディッシュと彼の地球重量測定実験のイラスト。写真：ウィキメディア — 科学者ヘンリー・キャベンディッシュと彼の実験装置が地球を「計量」しているイラスト。写真：*ウィキメディア*

地質学者ジョン・ミッチェル牧師も地球の質量について研究しましたが、亡くなる前に研究を完了することはできませんでした。イギリスの科学者ヘンリー・キャベンディッシュはミッチェル牧師の装置を用いて実験を行いました。

彼は長さ183cmの木の棒の両端に幅5cmの鉛の球を取り付けた大きなダンベルを製作した。木棒は中央の紐で吊り下げられ、自由に回転する。次に、幅30cm、重さ159kgの鉛の球を2つ取り付けた2つ目のダンベルを最初のダンベルに近づけ、大きな球が小さな球を引き寄せ、吊り下げた棒にわずかな力をかけるようにした。キャベンディッシュは、この棒が振動する様子を何時間も観察した。

球体間の重力は非常に弱く、わずかな空気の流れでさえもこの繊細な実験を台無しにする可能性があった。キャベンディッシュは外気の流れを避けるため、装置を密閉された容器に入れた。望遠鏡を使って窓越しに実験を観察し、滑車を使って重りを外から動かすシステムも設置した。実験に影響を与える可能性のある、部屋内の温度差を避けるため、部屋は暗く保たれた。

1798年6月、キャベンディッシュは「地球の密度測定に関する実験」と題する研究結果を王立協会紀要に発表しました。彼は、地球の密度は水の密度の5.48倍、つまり5.48 g/cm³であり、これは現代の値である5.51 g/cm³に非常に近い値であると述べました。

キャベンディッシュの実験は、地球の密度と質量（推定5974兆キログラム）を測定しただけでなく、ニュートンの万有引力の法則が太陽系よりもはるかに小さなスケールでも成立することを実証した点でも重要でした。19世紀後半以降、キャベンディッシュの実験を改良したものがGの測定に用いられてきました。

Thu Thao （ IFL Science 、 APSによる）

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