juni 2008 (jaargang 17, nummer 6)

juni 1798: Cavendish weegt de wereld

In juni 1798 rapporteerde Henry Cavendish zijn beroemde meting van de dichtheid van de aarde. Henry Cavendish (1731-1810), een groot scheikundige en natuurkundige, was obsessief, extreem verlegen en excentriek. Hij stond erom bekend kleren te dragen die 50 jaar uit de mode waren. Hij vermeed gezelschap, vooral uit angst voor vrouwen. Hij ging ’s nachts wandelen om te voorkomen dat hij door de buren werd gezien, en liet zelfs een extra trap in zijn huis installeren om te voorkomen dat hij zijn bedienden op de trap zou tegenkomen.
Elementen van deze vreemde persoonlijkheid maakten hem ongetwijfeld tot een groot wetenschapper, die zich kon wijden aan het verrichten van uiterst nauwkeurige metingen waar anderen hun geduld zouden verliezen. Hij bouwde en herbouwde graag wetenschappelijke instrumenten, steeds proberend ze te verbeteren. Hij was uiterst methodisch, sloot systematisch verschillende bronnen van fouten uit, nooit tevreden dat het werk af was.
Zoals veel wetenschappers in die tijd was Henry Cavendish een aristocraat, en had hij genoeg geld geërfd om zijn scheikundige en natuurkundige experimenten te financieren. Hij veranderde een groot deel van zijn huis in een laboratorium en wijdde slechts een klein deel van het huis aan woonruimte.
Van zijn vele experimenten is hij het beroemdst om wat nu het Cavendish-experiment wordt genoemd, waarmee hij de dichtheid van de aarde bepaalde.
Newton had zijn gravitatiewet in 1687 gepubliceerd, maar hij had geen enkele poging ondernomen om de constante G of de massa van de aarde te bepalen. In de jaren 1700 wilden de astronomen de dichtheid van de Aarde kennen, omdat het dan mogelijk zou zijn de dichtheid van de andere planeten te bepalen. Toen de Nieuwe Wereld werd verkend en grondgebied werd geclaimd, moesten landmeters bovendien de dichtheid van de Aarde weten. In 1763 gingen Mason en Dixon op weg om een grensconflict tussen Maryland en Pennsylvania op te lossen. Cavendish vroeg zich af hoe nauwkeurig hun metingen konden zijn. Hij realiseerde zich dat het Allegheny gebergte een lichte aantrekkingskracht zou uitoefenen op hun landmeetkundige apparatuur en mogelijk hun metingen zou beïnvloeden, maar hij wist niet hoe groot het effect zou zijn. Dit bracht hem en anderen op het idee van de gemiddelde dichtheid van de Aarde zelf.
In 1772 richtte de Royal Society een “Committee of Attraction” op om de dichtheid van de Aarde te bepalen. Sommigen hadden voorgesteld dit te meten door een zeer gelijkmatig gevormde berg te vinden en te meten hoeveel deze een schietlood deed afbuigen. Aangezien de zwaartekracht zo zwak is, zou dit een miniem effect zijn, maar de commissie, waaronder Cavendish, probeerde het toch, met behulp van een grote berg in Schotland. Zij kwamen uit op een waarde voor de dichtheid van de aarde van ongeveer 4,5 maal de dichtheid van water. Maar zij hadden veronderstellingen gemaakt die Cavendish ongegrond vond.

Hij dacht jaren over het probleem na, totdat hij in 1797, 67 jaar oud, met zijn eigen experimenten begon. Hij begon met een torsiebalans-apparaat dat hij had gekregen van zijn vriend, de geoloog dominee John Michell, die geïnteresseerd was geweest om het experiment zelf uit te voeren, maar niet in staat was geweest het uit te voeren voordat hij stierf. Hij realiseerde zich dat Michells apparatuur ontoereikend was om de kleine zwaartekracht tussen twee kleine metalen bollen te meten, en Cavendish begon te knutselen tot hij een preciezere opstelling had.
Hij bouwde een grote halter, met loden bollen van twee duim die aan de uiteinden van een twee meter lange houten staaf waren bevestigd. De staaf werd opgehangen aan een draad die in het midden werd gehouden, en kon vrij ronddraaien. Een tweede halter met twee loden bollen van elk 350 pond werd dan in de buurt van de eerste gebracht, zodat de grote bollen de kleinere zouden aantrekken en een lichte torsie zouden uitoefenen op de opgehangen staaf. Cavendish keek dan urenlang nauwgezet toe om de schommelingen van de staaf te observeren.
Dit zou een maat opleveren van de gravitatiekracht van de grotere bollen op de kleinere. En aangezien de dichtheid van de bollen bekend was en de aantrekkingskracht tussen de aarde en de bollen kon worden gemeten door de bollen te wegen, kon de verhouding tussen de twee krachten worden gebruikt om de dichtheid van de aarde te bepalen.
Omdat de gravitatiekracht tussen de bollen zo zwak is, zou de kleinste luchtstroom het delicate experiment kunnen ruïneren. Cavendish plaatste het apparaat in een gesloten ruimte om vreemde luchtstromen buiten te sluiten. Hij gebruikte een telescoop om de experimenten door een raam waar te nemen, en zette een katrolsysteem op dat het mogelijk maakte de gewichten van buitenaf te verplaatsen. De kamer werd donker gehouden om te voorkomen dat temperatuurverschillen in verschillende delen van de kamer het experiment zouden beïnvloeden.
Cavendish spoorde onophoudelijk mogelijke foutenbronnen op. Hij draaide de bollen voor het geval zij magnetisatie hadden opgepikt. Hij observeerde de aantrekkingskracht van de staven zonder de bollen aan de uiteinden. Hij probeerde verschillende soorten draad om het apparaat te ondersteunen.
Na alle mogelijke complicerende factoren te hebben overwogen, rapporteerde Cavendish uiteindelijk zijn resultaten in juni 1798 in een 57 pagina’s tellend artikel in de Transactions of the Royal Society getiteld “Experiments to Determine the Density of the Earth.” Hij rapporteerde dat de dichtheid van de aarde 5,48 maal de dichtheid van water was. (De thans aanvaarde waarde is 5,52).
Anderen herhaalden later het experiment, gebruikmakend van soortgelijke apparatuur, en bijna een eeuw lang bereikte niemand enige verbetering ten opzichte van de oorspronkelijke meting van Cavendish.
Heden ten dage wordt het experiment van Cavendish gezien als een manier om de universele gravitatieconstante G te meten, en niet zozeer als een meting van de dichtheid van de aarde. Met behulp van bijgewerkte meetapparatuur maar met dezelfde basisopstelling voeren natuurkundestudenten en wetenschappers tegenwoordig vaak het experiment van Cavendish uit, dat nog steeds wordt erkend als een van de elegantste natuurkunde-experimenten aller tijden.

Fysicageschiedenis

Deze maand in de fysicageschiedenis
APS Nieuwsarchieven

Historic Sites Initiative
Locaties en details van historische natuurkundegebeurtenissen