18세기 후반까지 과학자들은 중력이 지구와 그 위의 물체 사이에서만이 아니라 모든 질량 사이에서 작용한다는 것을 이해했지만, 실험실에서 평범한 두 물체 사이의 중력 인력을 직접 측정한 사람은 아무도 없었다. 관련된 힘은 방 하나가 담을 수 있는 어떤 규모에서도 거의 측정 불가능할 만큼 작았다. 지구의 밀도에 대한 신뢰할 만한 수치를, 그리고 그로부터 중력 자체의 세기를 얻으려면, 깃털 하나를 들어 올리는 데 필요한 힘의 극히 일부에 불과한 두 납 구체 사이의 인력을 검출해야 했다.

그러한 민감도 수준에서는 장비 자체가 문제의 가장 작은 부분이 되었다. 누군가 지나가면서 일으키는 기류, 심지어 실험자가 장치 근처에 서 있을 때 자신의 몸에서 복사되는 열조차도, 감지하도록 만들어진 중력보다 더 큰 힘을 민감한 비틀림 저울에 가할 수 있었다. 단지 더 민감한 기구를 만든다고 해도, 그것을 읽는 사람이 방에 있다는 것만으로 계속 측정을 오염시킨다면 도움이 되지 않았을 것이다.

비틀림 저울을 헛간에 밀봉하고 옆방에서 망원경으로 편향을 읽었으며, 그리하여 관찰자의 열과 숨결이 측정에 전혀 닿지 않았다.

장치를 헛간에 밀봉함으로써 관찰자로부터 오는 기류와 온도 변화를 차단했다.

망원경으로 읽음으로써 캐번디시는 방에 들어가지 않고도 결과를 볼 수 있었다.

관찰자의 열과 숨결을 제거함으로써 가장 큰 오차 원인을 없앴다.

그러자 비틀림 저울은 중력만을 측정하여 오늘날 값의 1% 이내에 드는 결과를 산출했다.

관찰자의 존재가 측정을 방해할 때는 관찰을 실험으로부터 물리적으로 또는 시간적으로 분리하라.

캐번디시의 결과는 지구의 평균 밀도를 물의 5.448배로 제시했으며, 그의 데이터에서 도출된 중력 상수는 — 현대 단위로 6.74×10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻² — 오늘날 받아들여지는 값의 약 1% 이내에 들었다. 캐번디시 실험은 평범한 질량 사이의 중력을 실험실에서 처음 측정한 것과, 그것이 보여준 관찰상의 규율 — 측정 기구를 관찰자 자신의 물리적 존재로부터 격리하는 것, 오늘날까지 정밀 측정을 관통하는 원리 — 둘 모두로 인해 실험 물리학의 역사에서 획기적인 사건으로 여겨진다.

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출처

  1. Cavendish experiment Wikipedia · en.wikipedia.org
  2. Weighing the Earth in 1798: The Cavendish Experiment Stanford University, Department of Physics · large.stanford.edu
  3. Cavendish Weighs the Earth Michael Beeson, San Jose State University · michaelbeeson.com