>>> 2003年第11期
第一个称地球的人
作者：韩吉辰
几乎无法攻克的难题
卡文迪许生活的年代，正是自然科学飞速发展的时期，同时也面临着许多“难题”。其中“称出地球质量”就是最著名的一个。
当时很多科学家都试图找到“称地球”——测量地球质量的方法。有人提出：既然地球体积已经知道了，再设法求出它的密度，然后利用质量=密度×体积的公式，就可以求出地球质量。可是构成地球各部分的密度是不同的，相差很大，况且地球深处以至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！
首先站出来向权威挑战的，是年轻的科学家牛顿，1687年，他发现了“万有引力定律”，用公式表示为：F=G·Mm/r2。
牛顿高兴地发现，利用这个定律可以求出地球质量来！这里M代表地球质量，m代表一个物体的质量（可以测量），r是地球半径数值（这是已知的），F则表示物体m受地球的引力（就是物体重量的数值），这样根据公式就可以推算出地球质量M的数值。
但是，我们看到还有一个条件：就是必须得到“万有引力系数”G的数值（极其微小）。也就是说，必须在地球上直接测量出两个物体之间的引力数值。
牛顿设计了几个实验，企图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：在地球上想利用测量引力来计算地球质量的努力，将是徒劳的！
在牛顿之后，仍然有一些科学家继续努力，进行“称地球”的实验。他们想，既然一般物体之间的引力数值很小，那么就必须加大物体的质量，这样引力可以大一些，测量起来也就容易一些。什么物体质量最大呢？他们选择了陡峭的高山。
1750年，法国著名科学家布格尔，带着大批科学测量仪器，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，山的质量可以计算出来，只要测量出铅球因为受到山的吸引偏离的角度，就可以得知山和铅球之间的引力大小，这样可以计算出万有引力系数G的数值，进一步再推算出地球的质量。实验原理是对的，可惜一次又一次的实验测量都失败了。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。
微小引力被“放大”了
“称地球”这一科学难题，强烈吸引着年轻的卡文迪许。他仔细研究了牛顿的实验方法和后来的“铅垂线法”，找出失败的原因，认为必须设计出一种新的实验仪器和实验方法，关键是必须解决在实验室中微小引力的测量方法。
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，计算出万有引力系数G的数值，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？现在我们知道：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，在当时的实验条件下，谈何容易！
卡文迪许陷入了长期苦闷之中。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。突然，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。另外，卡文迪许又改善了仪器的环境，加强了仪器的防震装置，将仪器封闭起来避免空气流动（后来仪器内抽成了真空），利用望远镜观察反射光点的移动。
这套“独出心裁”的、可以测量微小力的仪器，定名为“扭秤”，至今仍在现代物理实验和化学实验中发挥着作用。
终于称出了地球质量
成功了！卡文迪许利用精密的“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，近60万亿亿吨。多么巨大的数字啊！他用了几乎半个世纪的时间，终于攻克下这个著名的科学难题。
卡文迪许对于人类的贡献多大啊！被人们誉为“第一个称地球的人”。他和他设计的“扭秤”一同载入科技史册；他工作过的实验室被命名为“卡文迪许实验室”。他那勤于学习、善于思考、勇于探索、献身科学的精神，永远值得我们学习！
（荐自《知识就是力量》2003年第8期）
■责编：尤文插图：冯日