地球有多重？科學怪人巧「稱」之-下

文接《地球有多重？科學怪人巧「稱」之（上）》

失敗的總結

卡文迪什有許多利於從事科學研究的條件：不缺錢，不缺時間，沒有人打擾。

此外，他還有個好習慣：永不言敗！

據說，他從十幾歲起就想測出萬有引力常量。為此，他常常茶不思、飯不想、睡不著，常常把自己關在實驗室很多天，偶爾出門，也會把周圍的事物聯想到實驗中。

一次，他到商店買筆時，看到廢紙上寫著：一個叫米歇爾的英國機械師用一根石英絲吊住一條磁鐵，然後用另一塊磁鐵吸引它，石英磁被扭轉了，這樣就測出了磁力的大小。

這是個好辦法！卡文迪什依葫蘆畫瓢，在一根細長棒兩端各安一個小鉛球（就像啞鈴），再用石英絲把「啞鈴」吊起來，並用兩個大鉛球靠近這兩個小鉛球。

啞鈴（網路圖）

用這種方法能測出引力大小？答案是否定的。

失敗了！

沒關係！失敗是成功的媽媽，科學人都知道。

關鍵是要從失敗中總結經驗。卡文迪什總結的經驗是，由於鉛球間的引力太小太小，所以遇到細微的干擾都會讓實驗失敗。

精巧的實驗

多少年過去了，卡文迪什的頭髮由黑變白，嘴下長滿長長的鬍鬚。

但他還是沒有找到方法。

67歲那年，卡文迪什到實驗室的途中，看到幾個小孩手拿小鏡子來反射太陽光，互相照著玩。鏡面偏轉一個小角度，遠處光點的位置就會偏轉很大角度。

卡文迪許的扭秤實驗，源於小孩的一個遊戲（網路圖）

這是個好辦法！卡文迪什靈機一動，決定再來一次依葫蘆畫瓢。

他把一面小鏡子固定在石英絲上，利用望遠鏡在室外遠距離操縱和測量，避免了空氣的擾動（當時還沒有真空設備）。又用一根39英寸的鍍銀銅絲吊一根木杆，桿的兩端各固定一個直徑2英寸的小鉛球，另用兩顆直徑12英寸的大鉛球吸引它們。鉛球間引力引起的擺動周期，通過反射光在不遠處的刻度尺上顯示出來。

「成功了！」卡文迪什跳了起來。激動的他迅速平復心態，先後做了17次類似的實驗。

卡文迪什測萬有引力常量的扭秤實驗（網路圖）

通過精確的計算，卡文迪什得出的萬有引力常量為

他測出的這個值精確度非常高，以致此後八九十年中沒有人能超過他的成就。

沒辦法，誰叫萬有引力是已知物理學中最弱的力，而測量這種力時很難屏蔽外界的干擾。

而這個構思、設計與操作十分精巧的著名實驗，被稱為卡文迪什實驗。英國物理學家坡印廷曾這樣評價：「（卡文迪什實驗）開創了弱力測量的新時代。」

尾聲

測出萬有引力常量的卡文迪什很快發表了生平中為數不多的一篇論文。

文中他不但給出了地球的密度為5.48g/cm3，還宣布地球質量為5.977x1024千克（即約六十萬億億噸）。

「稱」出地球的第一人，非「科學怪人」卡文迪許莫屬！

當然，後世科學家並沒停止繼續「稱」地球的步伐。

300多年曠日持久的爭論之後，美國華盛頓大學貢德拉赫教授的研究小組最近正式向美國物理學會提交研究報告，稱地球質量為5.972×1024千克，比卡文迪什計算的要輕0.005×1024千克。自然，貢德拉赫研究小組也藉助了卡文迪什實驗的原理！

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【注】

亨利·卡文迪什（1731.10.10—1810.2.24），又譯作卡文迪許，英國物理學家和化學家，擔任過英國皇家學會會員等，其重大貢獻是建立電勢概念、測量萬有引力扭秤實驗等。他年輕時在其父（是一位實驗科學家）的實驗室中從事科學研究工作，後因發表論文《論人工空氣》而獲皇家學會科普利獎章。他制出純氧，並確定了空氣中氧、氮的含量，證明水不是元素而是化合物，被稱為「化學界的牛頓」。

卡文迪什生平不喜歡發表論文。他逝世後100多年，物理學家麥克斯韋整理其實驗論文，出版了名為《尊敬的亨利·卡文迪什的電學研究》一書，麥克斯韋說：「這些論文證明卡文迪什幾乎預料到電學上所有的偉大事實，這些偉大的事實後來通過庫侖和法國哲學家們的著作而聞名於科學界。」

【參考資料】

1、文章《卡文迪許怎樣給地球稱體重？》，作者董改正，《知識窗》2016年第12期

2、文章《卡文迪許:第一個稱量地球的人》，未來網

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