18世纪称量地球的接力棒—下集·卡文迪许实验
当你从桌子上拿起自己的手机，向往常一样开始滑动屏幕，想看看今天又有什么值得关注的消息时。你可能完全不会注意到，就在刚才，你轻松的就克服了你脚下这颗巨大的行星所施加在这个手机上的引力。
这种冥冥之中强大的力量，似乎支配着宇宙中的一切，太阳，月亮，地球，黑洞，路边的一块石头，你兜里的一枚硬币，花花草草，猫猫狗狗。行星保持在轨道上移动，牛顿的苹果砰然落地，你的手机仍然稳稳的在你手里，它没有飘在空中，和世间万物一起化作一片漆黑与混沌。虽然这种力无处不在，但是起码在日常生活的层面里，它是极其微弱的，你甚至可以说，“嘿！我觉得你走位的技术比引力还弱！”咳...而我们今天的主人公亨利·卡文迪许（Henry Cavendish，1731——1810）就是要在这种层面里去测得地球的重量，或者更严格的来说，地球的质量是多少。
在上一集的节目中，我们有对这位“科学怪人”做过一些描述，他不善交际，但才华横溢，别人在外面闷声发大财，他在家里闷声做研究。在世时就在化学领域展现出了其惊人的天赋，是第一个成功的分离氢的人，也是第一个成功将氢和氧化合成水的人。即使是在他去世后，其他科学家在整理他的文献时，才知道他竟然早就洞见了能量守恒定律、欧姆定律、道尔顿分压定律等科学发现。
而且，他可能还是18世纪英国最富有的科学家，据说当时卡文迪许继承了超过了130万英镑的遗产，成为英国的巨富之一。这要归功于他深厚的家族背景，即使是今天，卡文迪许家族仍然活跃在英国的上流社会中，很多人对这个家族的认识，主要来源于查茨沃斯庄园（Chatsworth House），那里不仅是《傲慢与偏见》、《公爵夫人》等电影的取景地，现在也对外开放成为了一个景点，有机会到英国的旅游的朋友不妨去那里看看，绝对赚回票价。
时间来到1797年的夏末，天气渐凉，67岁高龄的卡文迪许翻出了几箱闲置许久的仪器，睹物思人，这使他想到了一位老朋友，地质学家与天文学家约翰·米歇尔（John Michell1724-1793），被认为是地震学的创始人之一。而这些仪器就是米歇尔留给他的，老卡文迪许心念一动，决定用这些几乎要被历史所埋没的仪器，完成米歇尔的未尽之事，精确测量地球的质量。
这个仪器的原理是根据牛顿的理论改良而来的，牛顿本人曾尝试用引力来计算地球的重量，他设想在一座大山的旁边放上一个单摆，其尾部的摆锤会受到三种力的影响：来自大山的引力、来自地球的引力，以及拉住它的绳子上的张力，这个实验的结果应该是本应竖直垂下的摆锤将朝向大山的方向偏转一个很小的角度。在这里，大山还有地球对摆锤的引力的合力应该等于绳子上的拉力，所以只要测算出这座山的质量，再量出摆锤偏转的角度，就可以用牛顿方程计算出地球的质量。
而根据牛顿的理论，加之米歇尔的先前工作，经过改良以后的仪器是这样的：在一根长杆的两端分别装有小铅球，你可以把他想象成一个类似于杠铃的样子，同时用石英丝从中间将杆子吊起来，然后在两个小铅球的两端分别放置两个可以以石英丝为中心转动位置的大铅球，当两个大一些的铅球分别靠近小铅球的前后两端，由于引力，石英丝就会跟随小铅球发生扭动，这时只要测量出石英丝的扭转程度，就可以求出引力。那么问题就来了，引力在这种情况下仍然非常微弱，怎样才能观测到这细微的变化呢？
卡文迪许想到了一个非常巧妙的解决方案，首先他用另一段杆子代替了部分的石英丝，这时你就看到了一个T型杆被石英丝从中间倒着吊起，然后他在增加了杆子的部分安装了一面镜子，再将整个仪器放置在一个专用的屋子里并用望远镜从屋外观察，他将一束光线投射在镜子上，从镜子里反射出来的光线又投射在一个弧形标尺上，当大铅球靠近小铅球时，镜子跟着石英丝发生偏转，反射出来的光线也随着在标尺上移动，于是，到这里我很识相的放了一张动图，方便大家更加清晰的理解到这个实验过程。
当然，动动嘴皮子时很容易的，实际上，卡文迪许进行了17次互不关联的测量，历时一年才完成这次实验，为了尽量避免干扰，他长期在实验室外面用望远镜通过一个窥视孔进行观察。最终，通过计算，他得出结论地球的质量为6*10^24千克，这与今天我们所熟知的地球质量5.965*10^24千克误差不到1%，今天我们的科学家可以测量出一个细胞的重量，而卡文迪许的测量结果却只有小幅度的修正。
可以说，这个实验无论是其背后的逻辑还是实验仪器本身，都颇有美感。不过说到美感，我的心早就穿越英吉利海峡，漫步在查茨沃斯庄园啦，伴着秋天的落叶与午后温婉的阳光，口腔内弥漫着混合了红茶与香料的芬芳，那一份惬意，就且继续存在于我的幻想中吧。
栏目简介
知·道SET(Science,Education,Time)是一档综合科普栏目，内容包含天文、数学、物理、化学、地球、生命等学科，提供多视角，跨学科的科普内容，让更多人提升对科学的认知和兴趣。发现新知的同时，以科学的态度看懂身边事。
关注我们/收听节目
喜马拉雅FM搜索：知道SET
微博/微信搜索：知道朝歌文化
,
