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地球約60萬億億噸,人類是怎麽稱出品質的?200年前就有人做到!

2024-08-02科學

您是否了解地球的重量?事實上,此問題在古時便已被提及,歷經數個世紀的流轉,該難題至今仍未得以解答。

然而,現今若於網頁上對「地球有多重」此問題進行搜尋,便會得出一個確切答案:地球的品質大約為 60 萬億億噸。

地球的品質究竟怎樣予以測定呢?

【稱地球的重量,異想天開?】

地球作為一個巨大的行星,若將一個人與它相比,那人便如附著於蘋果之上的一粒微乎其微的塵埃,渺小到幾近無法察覺。

人類可借助工具稱出一個蘋果、一個人乃至一頭大象的重量,然而,要獲取更大體積物體的品質則頗具難度。

我們甚至難以用工具測量一棟房子或一座山的品質,就更別提有工具能夠稱出整個地球的重量了。

然而,此並無法束縛人類的想象,倘若可以「撬動」地球,那麽或許能憑借數學公式算出其品質。

在公元前 200 年,希臘著名學者阿基米德道出了一則經典話語:「予我一支點,我可撬起整個地球!」

也許在常人聽來此語頗為荒誕,然而於科學家而言,此語並非妄言,而是具備可操作性的。

17 世紀 80 年代,牛頓被一個掉落的蘋果砸中,由此開啟了萬有重力的篇章,不久後,他便將相關定律與公式予以公布。

在以往的常規認知裏,我們覺得唯有將需稱重的物體置於可承載它的「平台」之上,方可得知其品質。然而從物理學的層面加以剖析,也許我們可另尋他法,借由定律的公式對地球品質予以計算。

在地球上,物體間存有重力,可借由幾何法與比例予以呈現,其運算式為F = G *(m1 * m2 / R2),且萬有重力可得mg = G *(Mm / R2) 。

依據公式,理論上可對地球品質予以計算。然而,地球重力過於微弱,以致未能算出地球品質。盡管未獲最終結論,但此項研究為地球品質的測量開啟了篇章。

【第一個「稱」地球重量的人,卡文迪許】

曾以為「地球有多重」此問題會恒久成謎,然而在 1798 年,一位名為卡文迪許的英國人宣稱,其已測定出地球的重量。那麽,他究竟是如何「稱」得地球的品質呢?

卡文迪許出身貴族,童年時母親離世致其性格極為孤僻,在眾人眼中或為一個「怪孩童」。然而,其自幼便呈現出非凡的學習才能,對數學與物理頗感興趣。

1749 年,他憑借卓越成績考進劍橋。在校學習時,他曾與蜜雪兒教授探討過地球品質的事宜。

1750 年,他迅速設計出一個小型試驗器具,於一根小木棍的兩端系上小鉛球,構建成一個類似「啞鈴」的物件,並透過石英絲將其懸起。

一旦兩個大鉛球向小鉛球趨近,便會因重力作用產生擺動。倘若能測定其扭動的量值,就可推知地球的品質。

想法固然良好,然而付諸實驗卻極為艱難,他多次進行實驗,均未取得成功。緣由在於,即便兩個鉛球的品質均為 1KG,彼此相距 10 厘米,其重力也僅為十億分之一千克,著實過於微弱,難以測得確切數據。

歷經多次失敗,卡文迪許並未言棄,他始終認定僅差些許,便能將其計算得出。

1798 年的某日,他漫不經心地行於途中,觀賞著周遭景致。他察覺到一個小孩手中的一面小鏡子。經由鏡子,太陽光得以折射,形成一個圓點,且鏡子移動時,光點亦隨之移動。

他瞬間靈感湧現,即刻返回家中再度進行實驗。他於密閉房間中,采用剛性輕質的 T 形架,以石英石予以懸掛,將兩個品質皆為 730 克的小鉛球分別固定在橫桿的兩端。

其後,將兩個品質為 158 千克的大鉛球靠近小鉛球,使兩邊距離等同。實際上,此實驗裝置與他過往多次實驗所用裝置無異,只是此次他增添了一個小型反光鏡。

一小面鏡子被固定於石英絲之上,以一束光對其予以照射,此光線經鏡子反射後落至刻度尺處。

實驗開啟,T 形架位於續線 PP'之處,待大球趨近小球時,小球受重力作用將逐漸趨近,此時 T 形架便轉動α角,進而達到平衡態勢,形成扭角。

該實驗極為精巧,T 形架橫桿達 1.8 米之長,可造就較大的轉動轉動力臂,借由萬有重力力矩使萬有重力的作用成效得以放大。

懸絲的扭轉極為靈敏,或者說懸絲扭轉所產生的力矩甚小,在實驗狀況下能夠與重力力矩實作平衡,從而借由懸絲的扭轉角呈現出微小的萬有重力力矩。

借助固定於 T 形架豎直部份的平面鏡 M,使光源發出的光線反射至光屏刻度尺,此時反射光線所轉過的角度為 2α,如此便能將懸絲扭轉角α擴大一倍。

透過反射光點移動的距離(公式:s = L ? tan 2α),合理增大光屏刻度尺至 T 形架豎直部份平面鏡 M 的距離 L,能夠提高反射光點移動距離 s,令實驗中反射光點移動距離 s 可達到 10 的負三次方數量級的精度。

借由該實驗,他得出萬有重力常量(與國際通用值的偏差小於 1%),此常量的精度在其後的 89 年中無人可及。

最終,他透過實驗對地球進行「稱重」,測算出其品質大約為60萬億億噸。

他最終達成了「稱量」地球的心願,當此心願達成之際,他已然成為一位白發老者,此項實驗耗費了他近乎五十年的精力。

1798 年,他正式對外宣稱,已測算出地球的品質。

卡文迪許,向我們昭示了看似不可能之事亦能化為可能。人類的思維中充斥著各類奇妙構想,往昔我們懷抱著嫦娥奔月的憧憬,現今此夢想已然成真;曾經,我們心存稱出地球品質的奢望,最終這一願望亦已實作。

只要勇於構想,便有實作的可能!