การทดลอง 'ชั่งน้ำหนัก' โลกเมื่อกว่า 200 ปีก่อน

ในปี พ.ศ. 2341 นักวิทยาศาสตร์ เฮนรี คาเวนดิช ได้ทำการทดลองกับทรงกลมในห้องที่มืดและปิดสนิท และคำนวณความหนาแน่นโดยประมาณของโลก

โลกและดวงจันทร์ ภาพ: NASA — โลกและดวงจันทร์ ภาพ: *NASA*

ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 17 ไอแซก นิวตัน นักวิทยาศาสตร์ ได้เสนอกฎแรงโน้มถ่วงสากล ว่า อนุภาคทุกตัวจะดึงดูดอนุภาคอื่นๆ ในจักรวาลด้วยแรง (F) ซึ่งกำหนดโดยมวล (M) และระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของวัตถุทั้งสองกำลังสอง (R) โดยที่ G เป็นค่าคงตัวของแรงโน้มถ่วง สมการของกฎนี้คือ F = G(M1xM2/ ^R2 )

ดังนั้น หากทราบมวลของวัตถุชิ้นหนึ่งและข้อมูลอื่น ๆ ในสมการ ก็สามารถคำนวณมวลของวัตถุชิ้นที่สองได้ สมมติว่าบุคคลหนึ่งทราบมวล บุคคลนั้นสามารถคำนวณมวลของโลกได้หากทราบว่าตนเองอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของโลกเท่าใด ปัญหาคือในสมัยของนิวตัน นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถคำนวณหาค่า G ได้ ดังนั้นการชั่งน้ำหนักโลกจึงเป็นไปไม่ได้

การทราบมวลและความหนาแน่นของโลกจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อนักดาราศาสตร์ เพราะจะช่วยให้พวกเขาคำนวณมวลและความหนาแน่นของวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะได้ ในปี ค.ศ. 1772 ราชสมาคมแห่งลอนดอนได้จัดตั้ง "คณะกรรมการแรงโน้มถ่วง" ขึ้นเพื่อศึกษาเรื่องนี้

ในปี ค.ศ. 1774 กลุ่มผู้เชี่ยวชาญได้พยายามวัดความหนาแน่นเฉลี่ยของโลกโดยใช้ภูเขาชีฮัลเลียนในสกอตแลนด์ พวกเขาแสดงให้เห็นว่ามวลมหาศาลของภูเขาชีฮัลเลียนดึงดูดลูกตุ้มเข้าหาภูเขา ดังนั้นพวกเขาจึงคำนวณความหนาแน่นของโลกโดยการวัดการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มและการสำรวจภูเขา อย่างไรก็ตาม การวัดนี้ไม่ได้แม่นยำมากนัก

ภาพประกอบนักวิทยาศาสตร์เฮนรี คาเวนดิช และการทดลองชั่งน้ำหนักโลกของเขา ภาพ: วิกิมีเดีย — ภาพประกอบนักวิทยาศาสตร์เฮนรี คาเวนดิช และชุดทดลองของเขากำลัง "ชั่งน้ำหนัก" โลก ภาพ: *วิกิมีเดีย*

นักธรณีวิทยาท่านหนึ่งชื่อ จอห์น มิเชลล์ ก็ได้ศึกษามวลของโลกเช่นกัน แต่ไม่สามารถศึกษาจนสำเร็จได้ก่อนที่ท่านจะเสียชีวิต นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เฮนรี คาเวนดิช ได้ใช้เครื่องมือของมิเชลล์ในการทดลองนี้

เขาประดิษฐ์ดัมเบลขนาดใหญ่ขึ้น โดยใช้ลูกกลมตะกั่วกว้าง 5 เซนติเมตร ติดกับปลายแท่งไม้ยาว 183 เซนติเมตร แท่งไม้ถูกแขวนไว้ด้วยเชือกตรงกลางและสามารถหมุนได้อย่างอิสระ จากนั้นนำดัมเบลอีกอันหนึ่งที่มีลูกกลมตะกั่วกว้าง 30 เซนติเมตร สองลูก น้ำหนักลูกละ 159 กิโลกรัม มาวางไว้ใกล้กับดัมเบลอันแรก เพื่อให้ลูกกลมขนาดใหญ่ดึงดูดลูกกลมขนาดเล็กกว่า และสร้างแรงเล็กน้อยให้กับแท่งไม้ที่แขวนอยู่ คาเวนดิชเฝ้าดูแท่งไม้แกว่งไปมาเป็นเวลาหลายชั่วโมง

แรงดึงดูดระหว่างทรงกลมทั้งสองนั้นอ่อนมากจนแม้แต่กระแสลมเพียงเล็กน้อยก็อาจทำลายการทดลองอันละเอียดอ่อนนี้ได้ คาเวนดิชจึงนำอุปกรณ์ไปไว้ในห้องปิดสนิทเพื่อหลีกเลี่ยงกระแสลมจากภายนอก เขาใช้กล้องโทรทรรศน์สังเกตการณ์การทดลองผ่านหน้าต่างและติดตั้งระบบรอกเพื่อเคลื่อนย้ายตุ้มน้ำหนักจากภายนอก ห้องถูกควบคุมให้มืดมิดเพื่อป้องกันความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างส่วนต่างๆ ของห้องซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อการทดลอง

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2341 คาเวนดิชได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาของเขาในวารสาร Transactions of the Royal Society ในหัวข้อ "การทดลองเกี่ยวกับการกำหนดความหนาแน่นของโลก" เขาเสนอว่าความหนาแน่นของโลกสูงกว่าน้ำถึง 5.48 เท่า หรือ 5.48 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งใกล้เคียงกับค่าปัจจุบันที่ 5.51 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร

การทดลองของคาเวนดิชมีความสำคัญไม่เพียงแต่ในการวัดความหนาแน่นและมวลของโลก (ประมาณ 5.974 ล้านล้านกิโลกรัม) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแสดงให้เห็นว่ากฎแรงโน้มถ่วงสากลของนิวตันนั้นสามารถนำไปใช้ได้ในระดับที่เล็กกว่าระดับของระบบสุริยะมาก นับตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 เป็นต้นมา ได้มีการนำการทดลองของคาเวนดิชฉบับปรับปรุงมาใช้เพื่อหาค่า G

Thu Thao (อ้างอิงจาก IFL Science , APS )

ลิงค์ที่มา