June 2008 (Volume 17, Number 6)

June 1798: Cavendish waży świat

W czerwcu 1798 roku Henry Cavendish zgłosił swój słynny pomiar gęstości Ziemi. Wielki chemik i fizyk, Henry Cavendish (1731-1810) był obsesyjny, niezwykle nieśmiały i ekscentryczny. Znany był z noszenia ubrań, które wyszły z mody 50 lat temu. Unikał towarzystwa, szczególnie obawiał się kobiet. Chodził na spacery nocą, aby uniknąć bycia widzianym przez sąsiadów, a nawet miał dodatkowe schody zainstalowane w swoim domu, aby uniknąć spotkania ze swoimi służącymi na schodach.
Elementy tej dziwnej osobowości niewątpliwie uczyniły go wielkim naukowcem, zdolnym do poświęcenia się wykonywaniu niezwykle precyzyjnych pomiarów, przy których inni straciliby cierpliwość. Lubił budować i przebudowywać instrumenty naukowe, zawsze starając się je ulepszać. Był niezwykle metodyczny, systematycznie wykluczał różne źródła błędów, nigdy nie był zadowolony, że praca została zakończona.
Jak wielu naukowców w tamtych czasach, Henry Cavendish był arystokratą i odziedziczył wystarczająco dużo pieniędzy, by sfinansować swoje eksperymenty z dziedziny chemii i fizyki. Zamienił dużą część swojego domu w laboratorium, przeznaczając tylko niewielką część domu na przestrzeń mieszkalną.
Pośród jego wielu eksperymentów, jest najbardziej znany z tego, co jest obecnie nazywane eksperymentem Cavendisha, którego użył do określenia gęstości Ziemi.
Newton opublikował swoje prawo grawitacji w 1687 roku, ale nie podjął żadnej próby wyznaczenia stałej G lub masy Ziemi. W latach 1700 astronomowie chcieli znać gęstość Ziemi, ponieważ umożliwiłoby to wyznaczenie gęstości innych planet. Ponadto, w miarę jak odkrywano Nowy Świat i zdobywano nowe terytoria, geodeci musieli znać gęstość Ziemi. W 1763 roku Mason i Dixon wyruszyli, by rozstrzygnąć spór graniczny między Marylandem a Pensylwanią. Cavendish zastanawiał się, jak dokładne mogą być ich pomiary. Zdawał sobie sprawę, że Góry Allegheny będą wywierać niewielki wpływ na ich sprzęt geodezyjny, być może wpływając na ich pomiary, ale nie wiedział, jak duży będzie ten efekt. To doprowadziło go i innych do zastanowienia się nad uśrednioną gęstością samej Ziemi.
W 1772 roku Towarzystwo Królewskie powołało „Komitet Przyciągania” w celu określenia gęstości Ziemi. Niektórzy ludzie proponowali zmierzyć to poprzez znalezienie bardzo jednolicie ukształtowanej góry i zmierzenie, jak bardzo odchyliła się ona od pionu. Ponieważ grawitacja jest tak słaba, byłby to niewielki efekt, ale komitet, w tym Cavendish, mimo to spróbował tego, używając dużej góry w Szkocji. Otrzymali wartość gęstości Ziemi równą około 4,5 razy gęstości wody. Ale poczynili założenia, które Cavendish uważał za bezpodstawne.

Rozważał ten problem przez lata, aż w 1797 roku, w wieku 67 lat, rozpoczął własne eksperymenty. Zaczął od aparatu do badania równowagi skrętnej podarowanego mu przez jego przyjaciela, geologa, wielebnego Johna Michella, który sam był zainteresowany przeprowadzeniem tego eksperymentu, ale nie był w stanie go przeprowadzić przed śmiercią. Zdając sobie sprawę, że sprzęt Michella był nieodpowiedni do pomiaru niewielkiej siły grawitacji między dwiema małymi metalowymi kulami, Cavendish zaczął majstrować aż do uzyskania bardziej precyzyjnego urządzenia.
Zbudował duży hantel, z dwucalowymi ołowianymi kulami przyklejonymi do końców długiego na sześć stóp drewnianego pręta. Pręt był zawieszony na drucie trzymanym w centrum i mógł się swobodnie obracać. Drugi hantel z dwiema dwunastocalowymi ołowianymi kulami o wadze 350 funtów każda został następnie zbliżony do pierwszego, tak by duże kule przyciągały mniejsze, wywierając niewielki moment obrotowy na zawieszony pręt. Cavendish przez wiele godzin skrupulatnie obserwował oscylacje pręta.
Dostarczyłoby to miary siły grawitacyjnej większych kul na mniejsze. A ponieważ gęstość kul była znana, a przyciąganie grawitacyjne między Ziemią a kulami mogło być zmierzone przez ważenie kul, stosunek tych dwóch sił mógł być użyty do określenia gęstości Ziemi.
Ponieważ siła grawitacji pomiędzy kulami jest tak słaba, najmniejszy prąd powietrza mógłby zrujnować delikatny eksperyment. Cavendish umieścił aparaturę w zamkniętym pomieszczeniu, aby nie dopuścić do powstania obcych prądów powietrza. Użył teleskopu, by obserwować eksperyment przez okno, i założył system kół pasowych, który umożliwiał poruszanie ciężarkami z zewnątrz. Pokój był utrzymywany w ciemności, aby uniknąć różnic temperatur w różnych częściach pokoju wpływających na eksperyment.
Cavendish niestrudzenie tropił potencjalne źródła błędów. Obracał kule na wypadek, gdyby odebrały one jakieś namagnesowanie. Obserwował przyciąganie prętów bez kul na końcach. Próbował różnych rodzajów drutu do podtrzymywania aparatury.
Po mękach nad każdym możliwym czynnikiem komplikującym, Cavendish w końcu przedstawił swoje wyniki w czerwcu 1798 roku w 57-stronicowej pracy w Transactions of the Royal Society zatytułowanej „Experiments to Determine the Density of the Earth”. Stwierdził, że gęstość Ziemi była 5,48 razy większa od gęstości wody. (Obecnie przyjęta wartość to 5,52).
Inni później powtórzyli ten eksperyment, używając podobnej aparatury, i przez prawie sto lat nikt nie osiągnął żadnej poprawy w stosunku do oryginalnego pomiaru Cavendisha.
Dzisiaj eksperyment Cavendisha jest postrzegany jako sposób pomiaru uniwersalnej stałej grawitacyjnej G, a nie jako pomiar gęstości Ziemi. Używając zaktualizowanej aparatury pomiarowej, ale tego samego podstawowego układu, studenci fizyki i naukowcy często wykonują eksperyment Cavendisha, który jest wciąż uznawany za jeden z najbardziej eleganckich eksperymentów fizycznych wszech czasów.

Historia fizyki

This Month in Physics History
APS News Archives

Historic Sites Initiative
Lokalizacje i szczegóły historycznych wydarzeń z dziedziny fizyki

.