Kesäkuu 2008 (Volume 17, Number 6)

Kesäkuu 1798: Cavendish punnitsee maailman

Kesäkuussa 1798 Henry Cavendish raportoi kuuluisan mittauksensa Maan tiheydestä. Suuri kemisti ja fyysikko Henry Cavendish (1731-1810) oli pakkomielteinen, äärimmäisen ujo ja eksentrinen. Hänet tunnettiin siitä, että hän käytti vaatteita, jotka olivat 50 vuotta vanhanaikaisia. Hän vältti seuraa ja pelkäsi erityisesti naisia. Hän käveli yöllä välttääkseen naapureiden näkemisen, ja hän jopa asennutti taloonsa ylimääräisen portaikon välttääkseen palvelijoidensa kohtaamisen portaissa.
Tämän oudon persoonallisuuden osat tekivät hänestä epäilemättä suurenmoisen tiedemiehen, joka kykeni omistautumaan äärimmäisen tarkkojen mittausten tekemiseen siellä, missä muut menettäisivät kärsivällisyytensä. Hän rakensi ja korjasi mielellään tieteellisiä instrumentteja ja yritti aina parantaa niitä. Hän oli äärimmäisen järjestelmällinen, sulki järjestelmällisesti pois erilaisia virhelähteitä eikä koskaan ollut tyytyväinen siihen, että työ oli valmis.
Kuten monet tiedemiehet tuohon aikaan, Henry Cavendish oli aristokraatti, ja hän oli perinyt tarpeeksi rahaa rahoittaakseen kemian ja fysiikan kokeilunsa. Hän muutti suuren osan talostaan laboratorioksi ja omisti vain pienen osan talosta asuintilaksi.
Lukuisten kokeidensa joukosta hän on tunnetuin nykyisin Cavendishin kokeeksi kutsutusta kokeesta, jonka avulla hän määritteli Maan tiheyden.
Newton oli julkaissut painovoimalainsa vuonna 1687, mutta hän ei ollut yrittänyt määrittää vakiota G tai Maan massaa. Tähtitieteilijät halusivat 1700-luvulla tietää Maan tiheyden, koska sen avulla olisi mahdollista määrittää muiden planeettojen tiheys. Lisäksi kun uutta maailmaa tutkittiin ja alueita lunastettiin, maanmittarit tarvitsivat tietoa Maan tiheydestä. Vuonna 1763 Mason ja Dixon lähtivät ratkaisemaan Marylandin ja Pennsylvanian välistä rajakiistaa. Cavendish ihmetteli, kuinka tarkkoja heidän mittauksensa voisivat olla. Hän ymmärsi, että Allegheny-vuoristo harjoittaisi pientä vetovoimaa heidän maanmittauslaitteisiinsa ja vaikuttaisi mahdollisesti heidän mittauksiinsa, mutta hän ei tiennyt, kuinka suuri vaikutus olisi. Tämä sai hänet ja muut ihmettelemään itse maapallon keskimääräistä tiheyttä.
Kuninkaallinen seura perusti vuonna 1772 ”vetovoimakomitean” määrittämään maapallon tiheyttä. Jotkut olivat ehdottaneet, että tämä mitattaisiin etsimällä hyvin tasaisesti muotoiltu vuori ja mittaamalla, kuinka paljon se poikkeutti luotia. Koska painovoima on niin heikko, vaikutus olisi hyvin pieni, mutta komitea, johon kuului myös Cavendish, kokeili sitä kuitenkin käyttämällä suurta vuorta Skotlannissa. He saivat Maan tiheydeksi noin 4,5 kertaa veden tiheyden verran. He olivat kuitenkin tehneet oletuksia, joita Cavendish piti perusteettomina.

Hän pohti ongelmaa vuosia, kunnes vuonna 1797, 67-vuotiaana, hän aloitti omat kokeensa. Hän aloitti vääntövaakalaitteella, jonka hänelle oli antanut hänen ystävänsä, geologi pastori John Michell, joka oli ollut kiinnostunut tekemään kokeen itse, mutta ei ehtinyt toteuttaa sitä ennen kuolemaansa. Cavendish tajusi, että Michellin laitteet olivat riittämättömiä kahden pienen metallipallon välisen pienen gravitaatiovoiman mittaamiseen, ja ryhtyi puuhastelemaan, kunnes hän sai aikaan tarkemman laitteiston.
Hän rakensi suuren käsipainon, jonka kahden tuuman lyijypallot oli kiinnitetty kuusimetrisen puutangon päihin. Tanko oli ripustettu keskeltä pidettyyn vaijeriin, ja se saattoi vapaasti pyöriä. Toinen käsipaino, jossa oli kaksi kahdentoista tuuman lyijypalloa, jotka kumpikin painoivat 350 kiloa, tuotiin sitten ensimmäisen lähelle, jotta suuret pallot vetäisivät puoleensa pienempiä palloja, mikä aiheutti pienen vääntömomentin ripustettuun tankoon. Cavendish seurasi sitten vaivalloisesti tuntikausia tarkkailemalla sauvan värähtelyjä.
Tällöin saataisiin mitattua suurempien pallojen pienempiin kohdistama painovoima. Ja koska pallojen tiheys tunnettiin ja Maan ja pallojen välinen vetovoima voitiin mitata punnitsemalla pallot, näiden kahden voiman suhdetta voitiin käyttää Maan tiheyden määrittämiseen.
Koska pallojen välinen gravitaatiovoima on niin heikko, pienikin ilmavirtaus voisi pilata herkän kokeen. Cavendish sijoitti laitteen suljettuun huoneeseen pitääkseen ulkopuoliset ilmavirtaukset poissa. Hän käytti kaukoputkea havainnoidakseen kokeita ikkunan läpi ja asensi hihnapyöräjärjestelmän, jonka avulla painoja voitiin siirtää ulkopuolelta. Huone pidettiin pimeänä, jotta huoneen eri osien lämpötilaerot eivät vaikuttaisi kokeeseen.
Cavendish jäljitti hellittämättä mahdollisia virhelähteitä. Hän pyöritti palloja siltä varalta, että ne olisivat ottaneet jonkinlaista magnetointia. Hän tarkkaili sauvojen vetovoimaa ilman päissä olevia palloja. Hän kokeili erityyppisiä vaijereita laitteen tueksi.
Tuskailtuaan kaikkien mahdollisten hankaloittavien tekijöiden kanssa Cavendish raportoi lopulta tuloksensa kesäkuussa 1798 57-sivuisessa artikkelissa, joka julkaistiin Kuninkaallisen seuran julkaisussa Transactions of the Royal Society otsikolla ”Experiments to Determine the Density of the Earth” (Kokeet maan tiheyden määrittämiseksi). Hän raportoi, että Maan tiheys oli 5,48 kertaa veden tiheys. (Nykyisin hyväksytty arvo on 5,52).
Muut myöhemmin toistivat kokeen käyttäen samankaltaisia laitteita, eikä kukaan lähes vuosisataan saanut aikaan parannusta Cavendishin alkuperäiseen mittaukseen.
Tänään Cavendishin koetta pidetään pikemminkin tapana mitata universaalia gravitaatiovakiota G kuin mittauksena Maan tiheydestä. Fysiikan opiskelijat ja tutkijat suorittavat nykyään usein Cavendishin kokeen, jota pidetään edelleen yhtenä kaikkien aikojen tyylikkäimmistä fysiikan kokeista, käyttäen päivitettyjä mittauslaitteita mutta samaa perusasetelmaa.

Fysiikan historia

Tämä kuukausi fysiikan historiassa
APS:n uutisarkisto

Historialliset paikat -aloite
Historiallisten fysiikkatapahtumien sijainnit ja yksityiskohdat
.