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第10節(jié) 第一個稱量地球的人——卡文迪許

17世紀,權威人士斷言:人類永遠不會知道地球的質量。因為在當時的條件下,要知道地球的質量必須用體積和密度相乘計算出來,而地球的構成相當復雜,各部的密度差異很大,無法求出它的平均密度,所以無法得出地球的質量。

到17世紀末,牛頓發(fā)現萬有引力定律后,他想用測定引力的辦法來計算地球的質量,但始終沒能成功。直到一百年后,一個叫亨利·卡文迪許的英國物理學家才計算出了地球的質量,他因此被譽為“第一個稱出地球的人”。

1731年10月,亨利·卡文迪許生于法國尼斯的一個貴族家庭,幼年受過良好的教育。1742年,他在英國倫敦附近的?思{學校讀書。7年后,18歲的卡文迪許考上了劍橋大學。后來,他去巴黎留學,主攻物理和數學。返回英國后,卡文迪許在倫敦建立了一個自己的實驗室,從事化學和物理學研究。1760年,當選為皇家學會會員,并成為法國科學院的外國院士。此后,他專心致力于科學研究工作。

性情孤僻的卡文迪許很少與人交往,但卻與他的老師、英國劍橋大學的天文學家、機械師約翰·米歇爾來往密切,他們的共同理想是測定地球的密度。

1750年,米歇爾把一塊磁鐵用線懸掛起來,再用另一塊磁鐵去排斥它,從線的扭轉程度來測定磁力的大小,發(fā)現了兩個磁極之間的作用力與磁極間距離的平方成反比。但是,米歇爾還未用它來進行測定,便去世了。

米歇爾去世后,這架儀器幾經輾轉傳到了卡文迪許手里,而這時,卡文迪許已是年近古稀的老人了?ㄎ牡显S首先對米歇爾制作的扭秤進行分析,他發(fā)現,米歇爾用石英絲橫吊磁鐵的扭轉來觀察磁引力,但是靠肉眼看不到石英絲的變化。

一天,卡文迪許正在對實驗進行冥思苦想,突然,他看到一群孩子拿著小鏡子,用來反射太陽光玩。小鏡子微微一動,遠處的光點就會發(fā)生很大的移動。這個游戲給卡文迪許以極大的啟發(fā)。他重新制作了絕大部分部件,并對原裝置進行了一些改動:

他在石英絲上固定一面小鏡子,用一束光線去照射它,結果,石英絲極小的扭轉被放大了,提高了實驗的靈敏度。

卡文迪許根據牛頓提出的直接測量兩個物體間的引力的想法,利用扭秤進行了一系列十分仔細的測量,終于準確地測定了引力常數,算出了地球的質量。這就是著名的扭秤實驗。他的測定方法非常精巧,在八九十年間竟無人能趕超他的測量精度,就是現在看來,卡文迪許的測量仍有相當的精確度。

卡文迪許把自己的這個實驗稱作“測量地球的重量”,他因此成為“稱量地球第一人”。對這一構思、設計與操作極其精巧的實驗,英國物理學家JH坡印廷在《地球》一書中給予高度贊揚,稱其“開創(chuàng)了測量弱力的新時代”。

1798年,卡文迪許把自己的測定實驗寫成論文,發(fā)表在《哲學學報》第17卷上。引力常數的準確測量為牛頓的萬有引力定律的可靠性提供了最重要的實驗佐證,它使牛頓的萬有引力定律不再是一個比例性的陳述,而成為一項精確的定量規(guī)律。

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