Iunie 2008 (Volumul 17, Numărul 6)

Iunie 1798: Cavendish cântărește lumea

În iunie 1798 Henry Cavendish a raportat celebra sa măsurătoare a densității Pământului. Un mare chimist și fizician, Henry Cavendish (1731-1810) era obsesiv, extrem de timid și excentric. Era cunoscut pentru faptul că purta haine care nu mai erau la modă de 50 de ani. Evita compania, temându-se mai ales de femei. Se plimba noaptea pentru a evita să fie văzut de vecini și chiar și-a instalat o scară suplimentară în casă pentru a evita să se întâlnească cu servitorii săi pe scări.
Elemente ale acestei personalități ciudate l-au făcut, fără îndoială, un mare om de știință, capabil să se dedice efectuării unor măsurători extrem de precise acolo unde alții și-ar fi pierdut răbdarea. Îi plăcea să construiască și să reconstruiască instrumente științifice, încercând mereu să le îmbunătățească. Era extrem de metodic, eliminând sistematic diverse surse de eroare, nefiind niciodată mulțumit că lucrarea era completă.
Ca mulți oameni de știință din acea vreme, Henry Cavendish era aristocrat și a moștenit suficienți bani pentru a-și finanța experimentele de chimie și fizică. El a transformat o mare parte din casa sa în laborator, dedicând doar o mică parte din casă spațiului de locuit.
Printre numeroasele sale experimente, el este cel mai faimos pentru ceea ce se numește acum experimentul Cavendish, pe care l-a folosit pentru a determina densitatea Pământului.
Newton își publicase legea gravitației în 1687, dar nu a făcut nicio încercare de a determina constanta G sau masa Pământului. Până în anii 1700, astronomii doreau să cunoască densitatea Pământului, deoarece acest lucru ar fi făcut posibilă determinarea densității celorlalte planete. În plus, pe măsură ce Lumea Nouă era explorată și se revendicau teritorii, topografii aveau nevoie să cunoască densitatea Pământului. În 1763, Mason și Dixon au pornit la drum pentru a rezolva o dispută privind granițele dintre Maryland și Pennsylvania. Cavendish s-a întrebat cât de precise puteau fi măsurătorile lor. Și-a dat seama că Munții Allegheny vor exercita o ușoară atracție asupra echipamentului lor de topografie, afectându-le probabil măsurătorile, dar nu știa cât de mare va fi efectul. Acest lucru l-a determinat pe el și pe alții să se întrebe despre densitatea medie a Pământului însuși.
În 1772, Societatea Regală a înființat un „Comitet de Atracție” pentru a determina densitatea Pământului. Unii oameni propuseseră să măsoare acest lucru prin găsirea unui munte de formă foarte uniformă și măsurarea cât de mult deviază un fir cu plumb. Având în vedere că gravitația este atât de slabă, acest efect ar fi fost foarte mic, dar comitetul, inclusiv Cavendish, a încercat totuși acest lucru, folosind un munte mare din Scoția. Ei au ajuns la o valoare pentru densitatea Pământului de aproximativ 4,5 ori mai mare decât densitatea apei. Dar au făcut presupuneri pe care Cavendish le-a considerat nefondate.

A considerat problema timp de ani de zile, până când, în 1797, la vârsta de 67 de ani, a început propriile experimente. A început cu un aparat cu balanță de torsiune pe care i l-a dat prietenul său, geologul Reverendul John Michell, care fusese interesat să facă el însuși experimentul, dar nu a reușit să îl realizeze înainte de a muri. Dându-și seama că echipamentul lui Michell era inadecvat pentru a măsura forța gravitațională minusculă dintre două mici sfere de metal, Cavendish a început să se chinuie până când a obținut o instalație mai precisă.
A construit o halteră mare, cu sfere de plumb de două inci lipite la capetele unei tije de lemn de doi metri lungime. Tija a fost suspendată de o sârmă ținută în centru și era liberă să se rotească. O a doua halteră cu două sfere de plumb de 12 inci, cântărind fiecare 350 de lire sterline, a fost apoi adusă lângă prima, astfel încât sferele mari să le atragă pe cele mai mici, exercitând un ușor cuplu asupra tijei suspendate. Cavendish privea apoi minuțios timp de ore întregi pentru a observa oscilațiile tijei.
Aceasta ar oferi o măsură a forței gravitaționale a sferelor mari asupra celor mici. Și din moment ce densitatea sferelor era cunoscută și atracția gravitațională dintre Pământ și sfere putea fi măsurată prin cântărirea sferelor, raportul dintre cele două forțe putea fi folosit pentru a determina densitatea Pământului.
Din moment ce forța gravitațională dintre sfere este atât de slabă, cel mai mic curent de aer ar putea ruina experimentul delicat. Cavendish a plasat aparatul într-o cameră închisă pentru a împiedica curenții de aer străini. El a folosit un telescop pentru a observa experimentele printr-o fereastră și a montat un sistem de scripeți care a făcut posibilă deplasarea greutăților din exterior. Camera a fost ținută în întuneric pentru a evita ca diferențele de temperatură din diferite părți ale camerei să afecteze experimentul.
Cavendish a urmărit neîncetat potențialele surse de eroare. El a rotit sferele în cazul în care acestea ar fi captat o anumită magnetizare. A observat atracția tijelor fără sferele de la capete. A încercat diferite tipuri de sârmă pentru a susține aparatul.
După ce a agonizat asupra tuturor factorilor posibili de complicare, Cavendish și-a raportat în cele din urmă rezultatele în iunie 1798 într-o lucrare de 57 de pagini în Transactions of the Royal Society intitulată „Experiments to Determine the Density of the Earth”. El a raportat că densitatea Pământului era de 5,48 ori mai mare decât cea a apei. (Valoarea acceptată în prezent este de 5,52).
Alții au repetat ulterior experimentul, folosind aparatură similară, și timp de aproape un secol nimeni nu a obținut nicio îmbunătățire față de măsurarea inițială a lui Cavendish.
Astăzi, experimentul lui Cavendish este privit ca o modalitate de măsurare a constantei gravitaționale universale G, mai degrabă decât ca o măsurătoare a densității Pământului. Folosind aparatură de măsurare actualizată, dar același montaj de bază, studenții la fizică și oamenii de știință de astăzi realizează adesea experimentul lui Cavendish, care este încă recunoscut ca fiind unul dintre cele mai elegante experimente de fizică din toate timpurile.

Istoria fizicii

Această lună în istoria fizicii
Arhivele de știri ale APS

Initiativa siturilor istorice
Localizări și detalii despre evenimentele istorice din fizică.