物理群星
1798 力学

称量地球

The Cavendish Experiment

牛顿写下引力定律一百一十一年后,才有人在一间封闭的房间里量出了两个铅球之间的吸引力。

当时的困境

牛顿的引力定律说,两个物体之间的引力正比于质量乘积、反比于距离平方,比例系数是 G。

一百多年里,这个公式在天文学上所向披靡:它算出了行星轨道、彗星回归、潮汐、地球的形状。但它有个尴尬之处——G 从来没有数值。

原因在于天文观测的结构。观测一颗行星绕太阳的运动,能定出的永远是 GM(引力常数乘中心天体质量)这个组合,而不是两者各自的值。你可以把地球的轨道算到极精确,却说不出太阳有多少千克。整个太阳系的质量表,当时只能以「地球质量的多少倍」这种相对形式给出。

要拆开这个乘积,必须在实验室里测量两个已知质量之间的引力。

问题是引力弱到荒唐。两个各重一公斤的铅球相距十厘米,彼此的吸引力约为百亿分之七牛顿——大约是一粒沙重量的几十万分之一。任何气流、任何温差引起的对流、观察者身体的热辐射,都足以把信号淹没。

洞见时刻

方法来自地质学家米歇尔。他设计了一套扭秤:一根水平横杆两端各挂一个小铅球,横杆中央用一根细金属丝悬起。把两个大铅球移到小球旁边,引力使横杆转动,直到金属丝的扭转恢复力与之平衡。

关键在于金属丝极软——扭转刚度可以事先用横杆的摆动周期标定出来,于是极小的力也能转化成可测的角度。

米歇尔没来得及做实验就去世了,装置传到卡文迪什手上。1797 至 1798 年,六十七岁的他重新设计了整套系统,把全部精力放在排除干扰上。

装置封在一个木箱里,木箱放进一间完全封闭的房间。卡文迪什本人待在屋外,通过墙上的小孔用望远镜读取刻度——因为他自己的体温足以在箱内造成对流,破坏测量。

他测出地球的平均密度是水的 5.48 倍。今天的公认值是 5.51,两百多年只修正了不到百分之一。

要说清楚的是:卡文迪什本人从未写下 G,也没有用过这个符号。他论文的题目是《测定地球密度的实验》——他关心的是地球有多重。G 是后人从他的数据里反推的。

涟漪效应

有了地球密度,就有了地球质量;有了地球质量与轨道数据,太阳、月球、各大行星的质量全部可以换算成千克。整个太阳系第一次有了绝对的质量表。

方法本身也扩散开。扭秤此后成了精密测量的通用工具:库仑用它测静电力与磁力(他的工作与卡文迪什几乎同期),厄缶用它以极高精度检验惯性质量与引力质量是否相等——这条检验后来成了广义相对论等效原理的实验基础,今天的空间实验已把精度推到 10⁻¹⁵。

如果没有它

G 至今是所有基本常数中测得最不准的一个。

普朗克常数、光速、基本电荷都已精确到十位以上有效数字,甚至被定为精确值;而 G 的公认值只有大约四位有效数字,不同实验组的结果之间的差异还超出各自宣称的误差范围。原因就是卡文迪什当年面对的那个困难——引力太弱,无法屏蔽,任何附近物体的质量分布都会干扰。

这个数字却处处要用:算太阳与地球的质量、算黑洞的大小、算宇宙的临界密度、判断一个星系团里有多少暗物质。所有天体的「千克数」都建立在实验室里两个铅球之间那点微弱的吸引上。

一个终生不愿与人说话的人,在自家封闭的房间里,用望远镜隔着墙读了一年刻度,给整个宇宙定下了质量的标尺。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.卡文迪什《测定地球密度的实验》,《皇家学会哲学汇刊》第 88 卷(1798)
  2. 2.牛顿《自然哲学的数学原理》(伦敦,1687)
  3. 3.库仑《论电与磁》第一至第七回忆录,法国科学院《回忆录》(1785–1791)——扭秤方法的另一条源头