juni 2008 (Bind 17, Nummer 6)

Juni 1798: Cavendish vejer verden

I juni 1798 rapporterede Henry Cavendish sin berømte måling af Jordens massefylde. Henry Cavendish (1731-1810) var en stor kemiker og fysiker, men han var besat, ekstremt genert og excentrisk. Han var kendt for at bære tøj, der var 50 år forældet. Han undgik selskab og var især bange for kvinder. Han gik ture om natten for at undgå at blive set af naboerne, og han fik endda installeret en ekstra trappe i sit hus for at undgå at møde sine tjenere på trappen.
Elementer af denne mærkelige personlighed gjorde ham utvivlsomt til en stor videnskabsmand, der var i stand til at dedikere sig til at foretage ekstremt præcise målinger, hvor andre ville miste tålmodigheden. Han kunne lide at bygge og ombygge videnskabelige instrumenter, idet han altid forsøgte at forbedre dem. Han var ekstremt metodisk og udelukkede systematisk forskellige fejlkilder, idet han aldrig var tilfreds med, at arbejdet var færdigt.
Som mange videnskabsmænd på den tid var Henry Cavendish aristokrat og havde arvet penge nok til at finansiere sine eksperimenter inden for kemi og fysik. Han omdannede en stor del af sit hus til et laboratorium og dedikerede kun en lille del af huset til beboelsesrum.
I blandt sine mange eksperimenter er han mest berømt for det, der i dag kaldes Cavendish-eksperimentet, som han brugte til at bestemme Jordens massefylde.
Newton havde offentliggjort sin gravitationslov i 1687, men han havde ikke gjort noget forsøg på at bestemme konstanten G eller Jordens masse. I 1700-tallet ønskede astronomerne at kende Jordens massefylde, da det ville gøre det muligt at bestemme massefylden på de andre planeter. Da den nye verden blev udforsket, og der blev gjort krav på territorier, havde landmålerne desuden brug for at kende Jordens massefylde. I 1763 tog Mason og Dixon af sted for at bilægge en grænsestrid mellem Maryland og Pennsylvania. Cavendish undrede sig over, hvor præcise deres målinger kunne være. Han var klar over, at Allegheny-bjergene ville udøve et lille træk på deres opmålingsudstyr og muligvis påvirke deres målinger, men han vidste ikke, hvor stor effekten ville være. Dette fik ham og andre til at spekulere over den gennemsnitlige massefylde af selve Jorden.
I 1772 nedsatte Royal Society en “Committee of Attraction” for at bestemme Jordens massefylde. Nogle mennesker havde foreslået at måle dette ved at finde et meget ensartet formet bjerg og måle, hvor meget det afbøjede et lod. Da tyngdekraften er så svag, ville dette være en meget lille effekt, men komitéen, herunder Cavendish, forsøgte det alligevel ved hjælp af et stort bjerg i Skotland. De fandt frem til en værdi for Jordens massefylde på ca. 4,5 gange vandets massefylde. Men de havde gjort antagelser, som Cavendish mente var ubegrundede.

Han overvejede problemet i årevis, indtil han i 1797, i en alder af 67 år, begyndte sine egne eksperimenter. Han startede med et torsionsvægteapparat, som han havde fået af sin ven, geologen pastor John Michell, som havde været interesseret i at udføre eksperimentet selv, men som ikke var i stand til at gennemføre det, inden han døde. Da han indså, at Michells udstyr var utilstrækkeligt til at måle den lille tyngdekraft mellem to små metalkugler, gik Cavendish i gang med at fifle, indtil han havde et mere præcist setup.
Han byggede en stor håndvægt med to tommer store blykugler, der var fastgjort til enderne af en seks fod lang træstang. Stangen var ophængt fra en wire, der blev holdt i midten, og kunne frit rotere. En anden håndvægt med to 12-tommers blykugler, der hver vejede 350 pund, blev derefter bragt tæt på den første, således at de store kugler ville tiltrække de mindre kugler og udøve et lille drejningsmoment på den ophængt stang. Cavendish så omhyggeligt på i timevis for at observere stavens svingninger.
Dette ville give et mål for den tyngdekraft, som de større kugler udøver på de mindre kugler. Og da kuglernes massefylde var kendt, og tyngdekraften mellem Jorden og kuglerne kunne måles ved at veje kuglerne, kunne forholdet mellem de to kræfter bruges til at bestemme Jordens massefylde.
Da gravitationskraften mellem kuglerne er så svag, kunne den mindste luftstrøm ødelægge det delikate eksperiment. Cavendish placerede apparatet i et lukket rum for at holde fremmede luftstrømme ude. Han brugte et teleskop til at observere eksperimenterne gennem et vindue og opstillede et remskivesystem, der gjorde det muligt at flytte vægtene udefra. Rummet blev holdt mørkt for at undgå, at temperaturforskelle i forskellige dele af rummet skulle påvirke forsøget.
Cavendish opsporede ubarmhjertigt potentielle fejlkilder. Han drejede kuglerne i tilfælde af, at de havde opfanget noget magnetisering. Han observerede tiltrækningen af stængerne uden kuglerne på enderne. Han prøvede forskellige typer tråd til at støtte apparatet.
Efter at have plaget sig med alle mulige komplicerende faktorer rapporterede Cavendish endelig sine resultater i juni 1798 i en 57-siders artikel i Transactions of the Royal Society med titlen “Experiments to Determine the Density of the Earth” (Eksperimenter til bestemmelse af jordens massefylde). Han rapporterede, at Jordens massefylde var 5,48 gange så stor som vandets massefylde. (Den i dag accepterede værdi er 5,52).
Andre gentog senere eksperimentet ved hjælp af lignende apparater, og i næsten et århundrede opnåede ingen nogen forbedring i forhold til Cavendishs oprindelige måling.
I dag betragtes Cavendishs eksperiment som en måde at måle den universelle tyngdekraftskonstant G på, snarere end som en måling af Jordens massefylde. Ved hjælp af opdateret måleapparat, men den samme grundlæggende opsætning, udfører fysikstuderende og forskere i dag ofte Cavendishs eksperiment, der stadig er anerkendt som et af de mest elegante fysikeksperimenter nogensinde.

Fysikhistorie

Denne måned i fysikkens historie
APS News Archives Historic Sites Initiative
Lokaliteter og detaljer om historiske fysikbegivenheder