Červen 2008 (Ročník 17, číslo 6)

Červen 1798: Cavendish zvážil svět

V červnu 1798 Henry Cavendish oznámil své slavné měření hustoty Země. Henry Cavendish (1731-1810), významný chemik a fyzik, byl posedlý, nesmírně plachý a výstřední. Byl známý tím, že nosil oblečení, které bylo 50 let za zenitem. Vyhýbal se společnosti, zejména se bál žen. Na procházky chodil v noci, aby ho sousedé neviděli, a dokonce si ve svém domě nechal zřídit další schodiště, aby se na schodech nepotkával se služebnictvem.
Elementy této zvláštní osobnosti z něj nepochybně udělaly skvělého vědce, který se dokázal věnovat nesmírně přesným měřením tam, kde by jiní ztratili trpělivost. Rád stavěl a přestavoval vědecké přístroje a stále se je snažil vylepšovat. Byl nesmírně metodický, systematicky vylučoval různé zdroje chyb a nikdy se nespokojil s tím, že je práce dokončena.
Stejně jako mnoho vědců té doby byl Henry Cavendish aristokrat a zdědil dostatek peněz na financování svých chemických a fyzikálních experimentů. Většinu svého domu přeměnil na laboratoř a jen malou část domu věnoval obytným prostorám.
Mezi mnoha svými experimenty se nejvíce proslavil takzvaným Cavendishovým experimentem, kterým určil hustotu Země.
Newton sice v roce 1687 publikoval svůj gravitační zákon, ale nepokusil se určit konstantu G ani hmotnost Země. V roce 1700 chtěli astronomové znát hustotu Země, protože by to umožnilo určit hustotu ostatních planet. Kromě toho, když se objevoval Nový svět a nárokovala se území, potřebovali zeměměřiči znát hustotu Země. V roce 1763 se Mason a Dixon vydali vyřešit spor o hranice mezi Marylandem a Pensylvánií. Cavendishe zajímalo, jak přesná mohou být jejich měření. Uvědomoval si, že pohoří Allegheny bude působit na jejich zeměměřičské vybavení mírným tahem, což může ovlivnit jejich měření, ale nevěděl, jak velký tento vliv bude. To vedlo jeho i ostatní k úvahám o průměrné hustotě samotné Země.
V roce 1772 ustavila Královská společnost „Výbor pro přitažlivost“, který měl určit hustotu Země. Někteří lidé navrhovali měřit ji tak, že najdou velmi rovnoměrně tvarovanou horu a změří, jak moc vychýlí olovnici. Vzhledem k tomu, že gravitace je velmi slabá, jednalo by se o nepatrný efekt, ale výbor, včetně Cavendishe, to přesto vyzkoušel a použil velkou horu ve Skotsku. Dospěli k hodnotě hustoty Země, která byla asi 4,5násobkem hustoty vody. Vycházeli však z předpokladů, které Cavendish považoval za nepodložené.
O problému uvažoval několik let, až v roce 1797, ve svých 67 letech, zahájil vlastní experimenty. Začal s přístrojem na torzní váhy, který mu daroval jeho přítel, geolog reverend John Michell, který měl sám zájem experiment provést, ale nestihl to před svou smrtí. Cavendish si uvědomil, že Michellovo zařízení je pro měření nepatrné gravitační síly mezi dvěma malými kovovými koulemi nedostatečné, a tak se pustil do úprav, dokud nezískal přesnější zařízení.
Sestrojil velkou činku s dvoupalcovými olověnými koulemi, které připevnil na konce šest stop dlouhé dřevěné tyče. Tyč byla zavěšena na drátu drženém uprostřed a mohla se volně otáčet. Druhou činku se dvěma dvanáctipalcovými olověnými koulemi, z nichž každá vážila 350 liber, pak přiblížil k první čince tak, aby velké koule přitahovaly ty menší a působily na zavěšenou tyč mírným točivým momentem. Cavendish pak hodiny pečlivě pozoroval oscilace tyče.
Tím by získal míru gravitační síly větších koulí na ty menší. A protože hustota koulí byla známa a gravitační přitažlivost mezi Zemí a koulemi mohla být změřena zvážením koulí, mohl být poměr obou sil použit k určení hustoty Země.
Protože gravitační síla mezi koulemi je tak slabá, sebemenší proud vzduchu by mohl jemný experiment zničit. Cavendish umístil přístroj do uzavřené místnosti, aby se zabránilo cizím vzdušným proudům. Použil dalekohled, aby mohl pokusy pozorovat oknem, a zřídil systém kladek, který umožňoval pohybovat závažími zvenčí. Místnost byla tmavá, aby teplotní rozdíly v různých částech místnosti neovlivňovaly experiment.
Cavendish neúnavně sledoval možné zdroje chyb. Otáčel koulemi pro případ, že by zachytily nějakou magnetizaci. Pozoroval přitažlivost tyčí bez koulí na koncích. Zkoušel různé typy drátů, které aparaturu podpíraly.
Po trápení se všemi možnými komplikujícími faktory Cavendish nakonec v červnu 1798 oznámil své výsledky v 57stránkovém článku v Transactions of the Royal Society s názvem „Experiments to Determine the Density of the Earth“. Uvedl, že hustota Země je 5,48krát větší než hustota vody. (V současnosti je uznávaná hodnota 5,52).
Později tento pokus opakovali jiní s použitím podobných přístrojů a téměř sto let nikdo nedosáhl zlepšení oproti původnímu Cavendishovu měření.
Dnes je Cavendishův experiment považován spíše za způsob měření univerzální gravitační konstanty G než za měření hustoty Země. S použitím aktualizovaných měřicích přístrojů, ale se stejným základním uspořádáním, dnes studenti fyziky a vědci často provádějí Cavendishův experiment, který je stále uznáván jako jeden z nejelegantnějších fyzikálních experimentů všech dob.

Historie fyziky

Tento měsíc v historii fyziky
Archiv zpráv APS

Iniciativa historických míst
Místa a podrobnosti o historických fyzikálních událostech

.