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地球约60万亿亿吨,人类是怎么称出质量的?200年前就有人做到!

2024-08-02科学

您是否了解地球的重量?事实上,此问题在古时便已被提及,历经数个世纪的流转,该难题至今仍未得以解答。

然而,现今若于网页上对「地球有多重」此问题进行搜索,便会得出一个确切答案:地球的质量大约为 60 万亿亿吨。

地球的质量究竟怎样予以测定呢?

【称地球的重量,异想天开?】

地球作为一个巨大的行星,若将一个人与它相比,那人便如附着于苹果之上的一粒微乎其微的尘埃,渺小到几近无法察觉。

人类可借助工具称出一个苹果、一个人乃至一头大象的重量,然而,要获取更大体积物体的质量则颇具难度。

我们甚至难以用工具测量一栋房子或一座山的质量,就更别提有工具能够称出整个地球的重量了。

然而,此并无法束缚人类的想象,倘若可以「撬动」地球,那么或许能凭借数学公式算出其质量。

在公元前 200 年,希腊著名学者阿基米德道出了一则经典话语:「予我一支点,我可撬起整个地球!」

也许在常人听来此语颇为荒诞,然而于科学家而言,此语并非妄言,而是具备可操作性的。

17 世纪 80 年代,牛顿被一个掉落的苹果砸中,由此开启了万有引力的篇章,不久后,他便将相关定律与公式予以公布。

在以往的常规认知里,我们觉得唯有将需称重的物体置于可承载它的「平台」之上,方可得知其质量。然而从物理学的层面加以剖析,也许我们可另寻他法,借由定律的公式对地球质量予以计算。

在地球上,物体间存有引力,可借由几何法与比例予以呈现,其表达式为F = G *(m1 * m2 / R2),且万有引力可得mg = G *(Mm / R2) 。

依据公式,理论上可对地球质量予以计算。然而,地球引力过于微弱,以致未能算出地球质量。尽管未获最终结论,但此项研究为地球质量的测量开启了篇章。

【第一个「称」地球重量的人,卡文迪许】

曾以为「地球有多重」此问题会恒久成谜,然而在 1798 年,一位名为卡文迪许的英国人宣称,其已测定出地球的重量。那么,他究竟是如何「称」得地球的质量呢?

卡文迪许出身贵族,童年时母亲离世致其性格极为孤僻,在众人眼中或为一个「怪孩童」。然而,其自幼便呈现出非凡的学习才能,对数学与物理颇感兴趣。

1749 年,他凭借卓越成绩考进剑桥。在校学习时,他曾与米歇尔教授探讨过地球质量的事宜。

1750 年,他迅速设计出一个小型试验器具,于一根小木棍的两端系上小铅球,构建成一个类似「哑铃」的物件,并通过石英丝将其悬起。

一旦两个大铅球向小铅球趋近,便会因引力作用产生摆动。倘若能测定其扭动的量值,就可推知地球的质量。

想法固然良好,然而付诸实验却极为艰难,他多次进行实验,均未取得成功。缘由在于,即便两个铅球的质量均为 1KG,彼此相距 10 厘米,其引力也仅为十亿分之一千克,着实过于微弱,难以测得确切数据。

历经多次失败,卡文迪许并未言弃,他始终认定仅差些许,便能将其计算得出。

1798 年的某日,他漫不经心地行于途中,观赏着周遭景致。他察觉到一个小孩手中的一面小镜子。经由镜子,太阳光得以折射,形成一个圆点,且镜子移动时,光点亦随之移动。

他瞬间灵感涌现,即刻返回家中再度进行实验。他于密闭房间中,采用刚性轻质的 T 形架,以石英石予以悬挂,将两个质量皆为 730 克的小铅球分别固定在横杆的两端。

其后,将两个质量为 158 千克的大铅球靠近小铅球,使两边距离等同。实际上,此实验装置与他过往多次实验所用装置无异,只是此次他增添了一个小型反光镜。

一小面镜子被固定于石英丝之上,以一束光对其予以照射,此光线经镜子反射后落至刻度尺处。

实验开启,T 形架位于续线 PP'之处,待大球趋近小球时,小球受引力作用将逐渐趋近,此时 T 形架便转动α角,进而达到平衡态势,形成扭角。

该实验极为精巧,T 形架横杆达 1.8 米之长,可造就较大的转动转动力臂,借由万有引力力矩使万有引力的作用成效得以放大。

悬丝的扭转极为灵敏,或者说悬丝扭转所产生的力矩甚小,在实验状况下能够与引力力矩实现平衡,从而借由悬丝的扭转角呈现出微小的万有引力力矩。

借助固定于 T 形架竖直部分的平面镜 M,使光源发出的光线反射至光屏刻度尺,此时反射光线所转过的角度为 2α,如此便能将悬丝扭转角α扩大一倍。

通过反射光点移动的距离(公式:s = L ? tan 2α),合理增大光屏刻度尺至 T 形架竖直部分平面镜 M 的距离 L,能够提高反射光点移动距离 s,令实验中反射光点移动距离 s 可达到 10 的负三次方数量级的精度。

借由该实验,他得出万有引力常量(与国际通用值的偏差小于 1%),此常量的精度在其后的 89 年中无人可及。

最终,他通过实验对地球进行「称重」,测算出其质量大约为60万亿亿吨。

他最终达成了「称量」地球的心愿,当此心愿达成之际,他已然成为一位白发老者,此项实验耗费了他近乎五十年的精力。

1798 年,他正式对外宣称,已测算出地球的质量。

卡文迪许,向我们昭示了看似不可能之事亦能化为可能。人类的思维中充斥着各类奇妙构想,往昔我们怀抱着嫦娥奔月的憧憬,现今此梦想已然成真;曾经,我们心存称出地球质量的奢望,最终这一愿望亦已实现。

只要勇于构想,便有实现的可能!