解法
到了18世纪末,科学家已经明白万有引力作用于一切质量之间,而不只是地球与地面物体之间,但还没有人在实验室里直接测过两个普通物体之间的引力——在房间尺度下,这种力小到几乎无法测量。要得出地球密度的可靠数值,并由此推出引力常数,就需要探测两个铅球之间的吸引力,而这个力比托起一根羽毛所需的力还要小得多。
在如此微小的尺度上,设备本身反而成了次要问题:有人走过带起的空气流动,甚至实验者站在仪器旁辐射出的体温,都能对灵敏的扭秤产生比它要测的引力更大的力。如果读书的人在场就会污染测量,那么建造更灵敏的仪器也无济于事。
取得了什么结果
把扭秤封闭在小屋里,自己在隔壁房间用望远镜读取偏转,从而让观察者的体温和气息完全不接触测量。
为什么有效
把仪器封闭在小屋里,阻挡了观察者带来的空气流动和温度变化。
通过望远镜读数,卡文迪什不用进屋就能看到结果。
消除观察者的体温和呼吸,就去掉了最大的误差来源。
扭秤于是只测量纯粹的引力,得出的结果与现代值相差不到1%。
可以借鉴什么
当观察者的存在干扰测量时,要在物理上或时间上将观测与实验分离。
后续
卡文迪什的结果显示,地球的平均密度是水的5.448倍;根据他的数据推导出的万有引力常数——换算成现代单位是6.74×10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻²——与今天公认的值相差约1%。卡文迪什实验被视为实验物理学史上的里程碑,不仅因为它在实验室里首次测出了普通质量之间的引力,更因为它展示了观测纪律:将测量仪器与观察者自身的物理存在隔离开来,这一原则沿用至今,贯穿于精密测量之中。
从这里,追溯依据
参考来源
- Cavendish experiment Wikipedia · en.wikipedia.org
- Weighing the Earth in 1798: The Cavendish Experiment Stanford University, Department of Physics · large.stanford.edu
- Cavendish Weighs the Earth Michael Beeson, San Jose State University · michaelbeeson.com