第一个称量地球的人——卡文迪许

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第一个称量地球的人——卡文迪许

2016-11-09 作者: xuzhiping 浏览: 4239 次

摘要: 17世纪,权威人士断言:人类永远不会知道地球的质量。因为在当时的条件下,要知道地球的质量必须用体积和密度相乘计算出来,而地球的构成相当复杂,各部的密度差异很大,无法求出它的平均密度,所以无法得出地球的质量。 到17世纪末,牛顿发现万有引力定律后,他想用测定引力...

17世纪,权威人士断言:人类永远不会知道地球的质量。因为在当时的条件下,要知道地球的质量必须用体积和密度相乘计算出来,而地球的构成相当复杂,各部的密度差异很大,无法求出它的平均密度,所以无法得出地球的质量。

到17世纪末,牛顿发现万有引力定律后,他想用测定引力的办法来计算地球的质量,但始终没能成功。直到一百年后,一个叫亨利•卡文迪许的英国物理学家才计算出了地球的质量,他因此被誉为“第一个称出地球的人”。

1731年10月,亨利•卡文迪许生于法国尼斯的一个贵族家庭,幼年受过良好的教育。1742年,他在英国伦敦附近的海克纳学校读书。7年后,18岁的卡文迪许考上了剑桥大学。后来,他去巴黎留学,主攻物理和数学。返回英国后,卡文迪许在伦敦建立了一个自己的实验室,从事化学和物理学研究。1760年,当选为皇家学会会员,并成为法国科学院的外国院士。此后,他专心致力于科学研究工作。

性情孤僻的卡文迪许很少与人交往,但却与他的老师、英国剑桥大学的天文学家、机械师约翰•米歇尔来往密切,他们的共同理想是测定地球的密度。

1750年,米歇尔把一块磁铁用线悬挂起来,再用另一块磁铁去排斥它,从线的扭转程度来测定磁力的大小,发现了两个磁极之间的作用力与磁极间距离的平方成反比。但是,米歇尔还未用它来进行测定,便去世了。

米歇尔去世后,这架仪器几经辗转传到了卡文迪许手里,而这时,卡文迪许已是年近古稀的老人了。卡文迪许首先对米歇尔制作的扭秤进行分析,他发现,米歇尔用石英丝横吊磁铁的扭转来观察磁引力,但是靠肉眼看不到石英丝的变化。

一天,卡文迪许正在对实验进行冥思苦想,突然,他看到一群孩子拿着小镜子,用来反射太阳光玩。小镜子微微一动,远处的光点就会发生很大的移动。这个游戏给卡文迪许以极大的启发。他重新制作了绝大部分部件,并对原装置进行了一些改动:他在石英丝上固定一面小镜子,用一束光线去照射它,结果,石英丝极小的扭转被放大了,提高了实验的灵敏度。

卡文迪许根据牛顿提出的直接测量两个物体间的引力的想法,利用扭秤进行了一系列十分仔细的测量,终于准确地测定了引力常数,算出了地球的质量。这就是著名的扭秤实验。他的测定方法非常精巧,在八九十年间竟无人能赶超他的测量精度,就是现在看来,卡文迪许的测量仍有相当的精确度。卡文迪许把自己的这个实验称作“测量地球的重量”,他因此成为“称量地球第一人”。对这一构思、设计与操作极其精巧的实验,英国物理学家J.H.坡印廷在《地球》一书中给予高度赞扬,称其“开创了测量弱力的新时代”。

1798年,卡文迪许把自己的测定实验写成论文,发表在《哲学学报》第17卷上。引力常数的准确测量为牛顿的万有引力定律的可靠性提供了最重要的实验佐证,它使牛顿的万有引力定律不再是一个比例性的陈述,而成为一项精确的定量规律。

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