Эксперимент по «взвешиванию» Земли более 200 лет назад

В 1798 году ученый Генри Кавендиш провел эксперименты со сферами в темной, герметичной комнате и рассчитал приблизительную плотность Земли.

Земля и Луна. Фото: НАСА — Земля и Луна. Фото: *НАСА*

В конце XVII века учёный Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: каждая частица притягивает все остальные частицы во Вселенной с силой (F), определяемой её массой (M) и квадратом расстояния между центрами тел (R). Если G — гравитационная постоянная, то уравнение этого закона выглядит следующим образом: F = G(M1xM2/ ^R2 ).

Таким образом, зная массу одного из объектов и другую информацию из уравнения, можно вычислить массу второго объекта. Если предположить, что масса человека известна, он может вычислить массу Земли, зная расстояние от её центра. Проблема в том, что во времена Ньютона учёные ещё не определили силу тяжести (G), поэтому взвешивание Земли было невозможно.

Знание массы и плотности Земли было бы чрезвычайно полезно астрономам, поскольку помогло бы им рассчитать массы и плотности других объектов Солнечной системы. В 1772 году Лондонское королевское общество учредило «Гравитационный комитет» для изучения этих явлений.

В 1774 году группа экспертов попыталась измерить среднюю плотность Земли, используя гору Шихаллион в Шотландии. Они показали, что огромная масса Шихаллиона притягивает к себе маятники. Таким образом, измеряя движение маятника и проводя наблюдение за горой, они вычислили плотность Земли. Однако это измерение оказалось неточным.

Иллюстрация учёного Генри Кавендиша и его эксперимента по взвешиванию Земли. Фото: Wikimedia — Иллюстрация учёного Генри Кавендиша и его экспериментальной установки, «взвешивающей» Землю. Фото: *Wikimedia*

Геолог преподобный Джон Митчелл также изучал массу Земли, но не успел завершить это исследование до своей смерти. Английский учёный Генри Кавендиш использовал оборудование Митчелла для проведения эксперимента.

Он сконструировал большую гантель, состоящую из свинцовых шаров диаметром 5 см, прикрепленных к концам деревянного стержня длиной 183 см. Деревянный стержень был подвешен на нити в центре и мог свободно вращаться. Затем вторую гантель с двумя свинцовыми шарами диаметром 30 см, весом 159 кг каждый, поднесли к первой так, чтобы большие шары притягивали меньшие, оказывая небольшое усилие на подвешенный стержень. Кавендиш наблюдал за колебаниями стержня в течение многих часов.

Гравитационное притяжение между сферами было настолько слабым, что даже малейший поток воздуха мог бы испортить этот сложный эксперимент. Кавендиш поместил установку в герметичную камеру, чтобы избежать проникновения внешнего воздуха. Он использовал телескоп для наблюдения за экспериментом через окно и установил систему блоков для перемещения грузов снаружи. В комнате поддерживалась темнота, чтобы избежать разницы температур в разных частях помещения, которая могла бы повлиять на эксперимент.

В июне 1798 года Кавендиш опубликовал результаты своих исследований в журнале «Труды Королевского общества » под названием «Эксперимент по определению плотности Земли». Он предположил, что плотность Земли в 5,48 раза превышает плотность воды, или 5,48 г/см³, что весьма близко к современному значению 5,51 г/см³.

Эксперимент Кавендиша был важен не только для измерения плотности и массы Земли (оцениваемой в 5,974 квадриллиона килограммов), но и для демонстрации того, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив и в масштабах, значительно меньших масштабов Солнечной системы. С конца XIX века для определения G используются усовершенствованные версии эксперимента Кавендиша.

Thu Thao (по данным IFL Science , APS )

Ссылка на источник