2008. június (17. évfolyam, 6. szám)

1798. június: Cavendish megméri a világot

1798 júniusában Henry Cavendish beszámolt a Föld sűrűségének híres méréséről. A nagyszerű kémikus és fizikus, Henry Cavendish (1731-1810) megszállott, rendkívül félénk és különc volt. Közismert volt arról, hogy 50 évvel divatjamúlt ruhákat viselt. Kerülte a társaságot, különösen félt a nőktől. Éjszaka sétált, hogy ne lássák meg a szomszédok, és még egy extra lépcsőházat is építtetett a házába, hogy a lépcsőn ne találkozzon a szolgáival.
Ez a furcsa személyiség kétségtelenül nagyszerű tudóssá tette, aki képes volt arra, hogy olyan rendkívül pontos méréseknek szentelje magát, ahol mások elveszítenék a türelmüket. Szeretett tudományos műszereket építeni és átépíteni, mindig igyekezett javítani rajtuk. Rendkívül módszeres volt, szisztematikusan kizárta a különböző hibaforrásokat, soha nem elégedett meg azzal, hogy a munka befejeződött.
A kor sok tudósához hasonlóan Henry Cavendish is arisztokrata volt, és elég pénzt örökölt ahhoz, hogy kémiai és fizikai kísérleteit finanszírozni tudja. Házának nagy részét laboratóriummá alakította, és csak egy kis részét szentelte lakóhelynek.
Számos kísérlete közül a leghíresebb a ma Cavendish-kísérletnek nevezett kísérletéről, amellyel a Föld sűrűségét határozta meg.
Newton 1687-ben publikálta a gravitációs törvényét, de nem tett kísérletet a G állandó vagy a Föld tömegének meghatározására. Az 1700-as évekre a csillagászok meg akarták ismerni a Föld sűrűségét, mivel ez lehetővé tette volna a többi bolygó sűrűségének meghatározását. Ezenkívül, mivel az Újvilágot kezdték felfedezni és területeket követeltek, a földmérőknek tudniuk kellett a Föld sűrűségét. 1763-ban Mason és Dixon elindult, hogy rendezze a Maryland és Pennsylvania közötti határvitát. Cavendish kíváncsi volt, mennyire pontosak lehetnek a méréseik. Rájött, hogy az Allegheny-hegység enyhe húzóerőt gyakorolna a földmérő berendezésükre, ami esetleg befolyásolná a méréseiket, de nem tudta, hogy ez a hatás mekkora lenne. Ez arra késztette őt és másokat, hogy elgondolkodjanak magának a Földnek az átlagos sűrűségén.
1772-ben a Királyi Társaság “Vonzási Bizottságot” állított fel a Föld sűrűségének meghatározására. Néhányan azt javasolták, hogy ezt úgy mérjék, hogy keressenek egy nagyon egyenletes alakú hegyet, és mérjék meg, mennyire térít el egy merőleges bunkót. Mivel a gravitáció olyan gyenge, ez egy aprócska hatás lenne, de a bizottság, köztük Cavendish, ennek ellenére kipróbálta, és egy nagy skóciai hegyet használt. A Föld sűrűségére a víz sűrűségének körülbelül 4,5-szeresét kapták. De olyan feltételezésekkel éltek, amelyeket Cavendish megalapozatlannak tartott.

Évekig gondolkodott a problémán, mígnem 1797-ben, 67 évesen saját kísérletekbe kezdett. Egy torziós mérlegkészülékkel kezdte, amelyet barátjától, a geológus John Michell tiszteletestől kapott, aki maga is szerette volna elvégezni a kísérletet, de halála előtt nem tudta végrehajtani. Felismerve, hogy Michell berendezése nem volt megfelelő a két kis fémgömb közötti apró gravitációs erő mérésére, Cavendish addig bütykölt, amíg nem talált egy pontosabb berendezést.
Elkészített egy nagy súlyzót, két hüvelykes ólomgömböket ragasztott egy kétméteres farúd végére. A rúd egy középen tartott drótra volt felfüggesztve, és szabadon foroghatott. Ezután egy második súlyzót két tizenkét hüvelykes, egyenként 350 font súlyú ólomgömböt vittek az első közelébe, hogy a nagy gömbök vonzzák a kisebbeket, enyhe nyomatékot gyakorolva a felfüggesztett rúdra. Cavendish ezután órákon át fáradhatatlanul figyelte a rúd rezgéseit.
Ezzel meg lehetett mérni a nagyobb gömböknek a kisebbekre gyakorolt gravitációs erejét. És mivel a gömbök sűrűsége ismert volt, és a Föld és a gömbök közötti gravitációs vonzást a gömbök mérésével meg lehetett mérni, a két erő arányából meg lehetett határozni a Föld sűrűségét.
Mivel a gömbök közötti gravitációs erő olyan gyenge, a legkisebb légáramlat is tönkretehette a kényes kísérletet. Cavendish a készüléket egy zárt helyiségben helyezte el, hogy távol tartsa a külső légáramlatokat. Egy ablakon keresztül távcsővel figyelte a kísérleteket, és felállított egy csigarendszert, amely lehetővé tette a súlyok kívülről történő mozgatását. A helyiséget sötétben tartotta, hogy a helyiség különböző részeiben lévő hőmérsékletkülönbségek ne befolyásolják a kísérletet.
Cavendish könyörtelenül felkutatta a lehetséges hibaforrásokat. Forgatta a gömböket, hátha felvettek valamilyen mágnesezettséget. Megfigyelte a rudak vonzását a végeken lévő gömbök nélkül. Különböző típusú drótokat próbált ki a készülék alátámasztására.
Miután minden lehetséges bonyolító tényezőn gyötrődött, Cavendish végül 1798 júniusában jelentette be eredményeit a Transactions of the Royal Society 57 oldalas, “Experiments to Determine the Density of the Earth” (Kísérletek a Föld sűrűségének meghatározására) című tanulmányában. Arról számolt be, hogy a Föld sűrűsége 5,48-szorosa a víz sűrűségének. (A jelenleg elfogadott érték 5,52).
Mások később megismételték a kísérletet, hasonló készülékkel, és majdnem egy évszázadon keresztül senki sem ért el javulást Cavendish eredeti méréséhez képest.
Ma Cavendish kísérletét inkább a G egyetemes gravitációs állandó mérésének módjaként tekintik, mint a Föld sűrűségének méréseként. Naprakésszé tett mérőberendezéssel, de ugyanazzal az alapfelállással a fizikushallgatók és tudósok ma is gyakran végzik el Cavendish kísérletét, amelyet még mindig minden idők egyik legelegánsabb fizikai kísérletének tartanak.

Fizika története

Ez a hónap a fizika történetében
APS News Archives

Historic Sites Initiative
Fizikatörténeti események helyszínei és részletei

.