juni 2008 (volym 17, nummer 6)

juni 1798: Cavendish väger världen

I juni 1798 rapporterade Henry Cavendish sin berömda mätning av jordens densitet. Henry Cavendish (1731-1810) var en stor kemist och fysiker, men han var besatt, extremt blyg och excentrisk. Han var känd för att bära kläder som var 50 år omodernt. Han undvek sällskap och var särskilt rädd för kvinnor. Han tog promenader på natten för att undvika att bli sedd av grannarna och lät till och med installera en extra trappa i sitt hus för att undvika att träffa sina tjänare i trappan.
Element av denna udda personlighet gjorde honom utan tvekan till en stor vetenskapsman, som kunde ägna sig åt att göra extremt exakta mätningar där andra skulle förlora tålamodet. Han gillade att bygga och bygga om vetenskapliga instrument och försökte alltid förbättra dem. Han var ytterst metodisk, han uteslöt systematiskt olika felkällor och var aldrig nöjd med att arbetet var färdigt.
Som många vetenskapsmän på den tiden var Henry Cavendish aristokrat och hade ärvt tillräckligt med pengar för att finansiera sina kemi- och fysikexperiment. Han förvandlade en stor del av sitt hus till ett laboratorium och ägnade endast en liten del av huset åt bostadsutrymme.
Av sina många experiment är han mest känd för det som nu kallas Cavendish-experimentet, som han använde för att bestämma jordens densitet.
Newton hade publicerat sin gravitationslag 1687, men han hade inte gjort något försök att bestämma konstanten G eller jordens massa. På 1700-talet ville astronomerna veta jordens densitet, eftersom det skulle göra det möjligt att bestämma de andra planeternas densitet. När den nya världen utforskades och territorier togs i anspråk behövde lantmätarna dessutom känna till jordens densitet. År 1763 gav sig Mason och Dixon ut för att lösa en gränstvist mellan Maryland och Pennsylvania. Cavendish undrade hur exakta deras mätningar kunde vara. Han insåg att Alleghenybergen skulle utöva en liten dragningskraft på deras mätutrustning och eventuellt påverka deras mätningar, men han visste inte hur stor effekten skulle vara. Detta fick honom och andra att undra över den genomsnittliga densiteten på själva jorden.
1772 inrättade Royal Society en ”Committee of Attraction” för att fastställa jordens densitet. Några personer hade föreslagit att man skulle mäta detta genom att hitta ett mycket likformigt berg och mäta hur mycket det avböjde ett lod. Eftersom gravitationen är så svag skulle detta vara en mycket liten effekt, men kommittén, inklusive Cavendish, försökte ändå med ett stort berg i Skottland. De kom fram till ett värde för jordens densitet på ungefär 4,5 gånger vattnets densitet. Men de hade gjort antaganden som Cavendish ansåg vara ogrundade.

Han funderade på problemet i flera år, tills han 1797, vid 67 års ålder, påbörjade sina egna experiment. Han började med en torsionsvågsapparat som han fick av sin vän, geologen pastor John Michell, som hade varit intresserad av att göra experimentet själv men inte kunde genomföra det innan han dog. Cavendish insåg att Michells utrustning var otillräcklig för att mäta den lilla gravitationskraften mellan två små metallsfärer och började pyssla tills han hade en mer exakt uppställning.
Han byggde en stor hantel, med två tums blykulor som satt fast i ändarna på en sex fot lång trästav. Staven hängde i en tråd som hölls i mitten och kunde fritt rotera. En andra hantel med två 12-tums blykulor som vägde 350 pund vardera fördes sedan nära den första så att de stora kulorna skulle dra till sig de mindre och utöva ett litet vridmoment på den upphängda stången. Cavendish skulle sedan noggrant titta i timmar för att observera stavens svängningar.
Detta skulle ge ett mått på de större sfärernas gravitationskraft på de mindre sfärerna. Och eftersom sfärernas densitet var känd och den gravitationella attraktionen mellan jorden och sfärerna kunde mätas genom att väga sfärerna, kunde förhållandet mellan de två krafterna användas för att bestämma jordens densitet.
Då gravitationskraften mellan sfärerna är så svag att minsta lilla luftström skulle kunna förstöra det känsliga experimentet. Cavendish placerade apparaten i ett slutet rum för att hålla främmande luftströmmar borta. Han använde ett teleskop för att observera experimenten genom ett fönster och satte upp ett remskivsystem som gjorde det möjligt att flytta vikterna utifrån. Rummet hölls mörkt för att undvika att temperaturskillnader i olika delar av rummet påverkade experimentet.
Cavendish spårade obevekligt upp potentiella felkällor. Han roterade sfärerna i fall de hade tagit upp någon magnetisering. Han observerade dragningskraften hos stavarna utan sfärerna i ändarna. Han provade olika typer av tråd för att stödja apparaten.
Efter att ha plågat sig igenom alla möjliga komplicerande faktorer rapporterade Cavendish slutligen sina resultat i juni 1798 i en 57-sidig artikel i Transactions of the Royal Society med titeln ”Experiments to Determine the Density of the Earth” (experiment för att bestämma jordens densitet). Han rapporterade att jordens täthet var 5,48 gånger vattnets täthet. (Det för närvarande accepterade värdet är 5,52).
Andra senare upprepade experimentet med liknande apparatur, och under nästan ett århundrade uppnådde ingen någon förbättring jämfört med Cavendishs ursprungliga mätning.
I dag betraktas Cavendishs experiment som ett sätt att mäta den universella gravitationskonstanten G, snarare än som en mätning av jordens densitet. Med hjälp av uppdaterad mätutrustning men med samma grundläggande uppställning utför fysikstudenter och forskare idag ofta Cavendishs experiment, som fortfarande erkänns som ett av de mest eleganta fysikexperimenten genom tiderna.

Fysikhistoria

Denna månad i fysikhistoria
APS News Archives

Initiativet för historiska platser
Lokaliseringar och detaljer om historiska fysikhändelser

.