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英国人卡文迪许(1731—1810)是有史以来最伟大的实验科学家之一。 他在力学、热学、电学、化学等领域都有划时代的贡献。一百多年前,卡文迪许就用自己设计的扭秤，推算出了地球密度是水密度的5.481倍(现在的数值为5.517)，并计算出了地球的质量和万有引力常数。后人称他是“第一个称量地球的人”。
英国人卡文迪许 当时很多科学家都试图找到“称地球”的方法。有人提出使用计算方法:地球体积已经知道了，再设法求出它的平均密度，然后利用质量=密度*体积的公式，就可以求出地球质量。这种利用物理学密度公式计算的方法，有一些道理。可是这种利用物理学密度公式计算的方法，却无法计算出地球实体的质量数值。原来地球的物理结构非常复杂，构成地球各部分的密度不同、差别很大，况且地球中心的密度根本无法知道。所以有“权威”断言:人类永远不会知道地球的质量! “万有引力定律”带来希望 首先向权威挑战的，是年轻的科学家牛顿。1687年他发现了万有引力定律:“任何两个物体都是互相吸引的，引力大小与这两个物体质量的乘积成正比，与它们中心距离的平方成反比。”牛顿高兴地发现，利用这个万有引力定律公式可以求出地球质量来!你看:公式中M表示地球的质量数值，m表示地面一个已知物体的质量数值,r表示它们中心的距离(就是地球半径的数值)万有引力f的大小就是物体m受到的重力数值。这样可以计算出地球质量M的数值啊! 但是细心的读者发现，利用这个“万有引力定律”公式还有一个条件:必须得到“万有引力系数”G的数值。也就是说，必须在地面直接测量出两个物体之间的引力数值。牛顿精心设计了几个实验，企图在地面测量两个物体之间的引力，可惜都失败了，经过粗略推算，牛顿发现一般物体之间的引力极其微小，以至根本测不出来。失望之余，已经成为新权威的牛顿，也当众宣布:在地面想利用测量引力，利用这个万有引力定律来计算地球质量的努力，将是徒劳的! 1750年，法国科学家布格尔兴师动众到南美洲的厄瓜多尔，登上陡峭的琴玻拉错山顶，沿着悬崖吊下一根铅垂线。他想:铅球的质量已知，山体的质量可以计算出来，只要测量出铅球因为受到山体的吸引偏离的角度，就可以得知山体和铅球之间的引力大小，进一步再推算出地球的质量。“铅垂线法”的实验原理是对的，可惜多次都失败了。因为山风和各种振动的影响，远远超过山体和铅球之间的微小引力，实验没有取得任何有意义的数据。 1774年，英国科学家尼维尔·马斯基林又在柏斯郡的一座陡峭悬崖上，利用“铅垂线法”精心测量，采取一些避风和防震动的措施，但是，“铅垂线法”的结果还是失败了。
“称地球”这一科学难题，强烈吸引着年轻的卡文迪许。卡文迪许22岁毕业于剑桥大学，从此走上研究科学的道路。他第一个发现了氢元素;通过氢和氧的火花放电得到水;通过氧和氮的火花放电得到硝酸……被人们誉为“一台最有效的机器”，29岁加入英国皇家学会，成为有影响的科学家。但是卡文迪许却念念不忘这个著名的科学“难题”:称地球! 在前人研究成果的基础上，卡文迪许开始了新的攀登。他做了哪些艰苦的努力呢? “工欲善其事，必先利其器”。1750年，年仅19岁的卡文迪许听到一个消息:剑桥大学的约翰·米歇尔在研究磁力时，使用一种新的测力方法:用一根细绳将细长的磁针从中间吊起来，利用细绳的扭转程度表示力的大小。卡文迪许专程前往求教，仔细观察、认真学习了这套装置。 卡文迪许利用米歇尔的装置，设计出测量微小引力的新方法，将两只小铅球装在一根细长杆的两端，做成一个“哑铃”样的东西，用一根细丝从中间吊起“哑铃”，实验时再用两个大铅球分别去靠近小铅球。由于大小铅球之间万有引力的作用，“哑铃”将有微小的转动，仔细测量细丝扭转的程度，就可以计算出大小铅球之间的引力，从而推算出地球的质量。但他多次实验却不能成功。为什么呢?我们知道:两个1千克的铅球，相距10厘米时，吸引力只有十亿分之一千克!要测量出这么极其微小的力，谈何容易! 卡文迪许陷入了长期苦闷之中，他想:实验时细丝肯定发生了扭转，只是太小太小，肉眼观察不出来。能不能把微小的扭转加以放大呢?可是用什么办注呢?卡文迪许冥思苦想。有一天，他去皇家学会活动，路上看见几个小孩正在做游戏:用手中的小镜反射太阳光，互相照着玩，小镜只要稍一转动，远处光点的位置就发生很大的变化。卡文迪许的脑海中迸发出一个明亮的火花:“小镜!光点!小镜!光点！”他叫出了声! 卡文迪许马上跑回实验室，动手修改仪器装置，他将一个小镜固定在细丝上面，用来将一束光线反射到一个刻度尺上面。这样，只要细丝有一极其微小的转动，刻度尺上的光点就会有明显的移动，仪器的灵敏度大大地增强了。卡文迪许又进一步设法解决了仪器的各种干扰问题，例如空气流动和震动的影响。这套经过改进可以测量微小力的仪器，定名为“扭秤”，任然在精密实验中发挥着作用。
观测扭秤 终于称出了地球质量 卡文迪许利用“扭秤”终于称出地球的质量，1798年，他公布了地球巨大的质量数值，这时他已经白发苍苍，67岁高龄了。地球质量多大呢?是5.977*1024千克，就是60万亿亿吨。 地球质量已知，地球的平均密度就可求出来:现代测定的地球平均密度为5 .517克/立方厘米;而地球表层密度仅为2 .5—3克/立方厘米，这样我们就可以推算出地球中心的密度达7-8克/立方厘米，远比地球表层为大，可能由铁、镍等重物质组成。 不久，利用同样的方法，测量出太阳更加巨大的质量，是地球质量的30万倍，为2 *10^30千克。接着太阳系其他行星的质量也陆续被测量出来。万有引力定律不断得到了物理实验的验证，万有引力系数G的数值也越来越精确地测量出来，成为重要的物理参数之一，在现代航天航空技术中有极其重要的作用。卡文迪许的“扭秤”实验成果有力地推动了科学技术的发展。 1810年3月10日，卡文迪许在伦敦逝世，终身未婚。他和他设计的“扭秤”一同载入科技史册，被人们誉为“第一个称地球的人”!人们为纪念这位大科学家，特意为他树立了纪念碑。剑桥大学还把卡文迪许工作过的实验室命名为卡文迪许实验室，这个实验室造就了不少有名望的物理学家。卡文迪许可算是一位活到老、干到老的学者，直到79岁高龄、逝世前夜还在做实验。他一生获得过不少外号，有“科学怪人”“科学巨擎”“最富有的学者、最博学的富豪”等。他那勤于学习，善于思考，勇于探索的精神永远值得我们学习! |
