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如今我们知道地球的质量为5.965×10^21吨 , 也就是大约60万亿亿吨 , 你可能会好奇 , 如此大的质量是怎么测量出来的呢?
当然不是用一杆秤去测量的 。
牛顿发现了伟大的万有引力定律 , 不过在牛顿时代 , 人类并不知道地球的质量 。 不过通过万有引力公式 , 理论上的确可以很容易测量出地球的质量 。
从公式中可以看出 , 随便找一个物体质量为m1 , 然后测量物体受到的地球引力 , 结合地球半径r , 只需要测量出引力常数G , 就能计算出地球质量m2 。
但是实际操作起来并不是理论上那么简单 。
原因是什么?主要是因为物体受到的引力实在太微弱了 , 引力是四种基本作用力中最微弱的力量 。
举个例子就知道了 , 一个小小的铁块 , 一个磁铁 , 磁铁可以轻而易举把铁块吸起来 , 这意味着磁铁产生的电磁力比整个地球对铁块产生的引力还要大!
受限于科学水平 , 牛顿时代的科学家们很难准确计算出地球对物体的引力常数 。 科学家们为此也想了很多方法 。
比如说 , 在高山上用细线悬挂一个铅球 , 然后测量高山对铅球的引力 。 这种方法理论上是可行的 , 但实际操作起来很难 , 因为任何风吹草动都会影响到实验结果 。
牛顿时代以及之后相当长的时间里 , 科学家的各种实验都宣告失败 , 都没有测量出引力常数 。
【地球质量约为60万亿亿吨,如此大的质量是如何测量的?】直到科学家卡文迪许的出现 , 他无意间看到小孩子们玩游戏 , 获得了灵感 。
这种游戏很多人小时候都玩过 , 拿着一面镜子 , 把太阳光反射到墙面上 , 然后让小朋友捕捉墙面上的反射光斑 。
只要手里的镜子稍微移动 , 光斑就会有大幅度移动 , 小朋友很难捕捉到光斑 。
卡文迪许通过这种游戏获得了灵感 , 意识到了测量引力常数的好办法 。
将一面小镜子固定在细丝上 , 用一束光照射镜子 , 然后调整镜子角度和位置 , 让反射的光线对准精确的刻度尺上 。
只要细丝稍微晃动 , 刻度尺上的光线就会发生明显的变化 。
但是实验过程并不是那么顺利 , 因为周围的噪音 , 风速或者其他干扰同样会影响实验结果 , 导致实验失败 。
经过多次改良 , 卡文迪许终于在1798年测量出了引力常量 , 然后通过万有引力定律 , 得出地球的质量大约为60万亿亿吨!
那时候的卡文迪许已经67岁高龄了 , 正是他不断地坚持才测量出了地球的质量 。
而卡文迪许改良后的装置 , 被后人称为“卡文迪许扭秤” , 直到两百多年后的今天 , 这个装置仍然用到多种精密实验中!
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