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第29章 地球的重量

18世纪末期,伦敦街头经常出现一个“怪人”。他着一身古怪而过时的服装,身后总是跟着一群起哄的孩子。

一天,一个调皮的孩子问他:

“你知道地球有多重?”“怪人”想了想,很认真地说:“地球的质量是59760亿亿吨。”“你怎么知道的?准是瞎说!”孩子们嚷嚷着。

“我是‘称’出来的。不过这个秘密我不能告诉你们。”“怪人”半开玩笑地说。

这个“怪人”是谁?他就是英国著名物理学家卡文迪许(1731~1810年)。他于1731年10月10日生于法国尼斯。1742~1748年他在伦敦附近的海克纳学校读书。1749~1753年期间在剑桥彼得豪斯学院求学。在伦敦定居后,卡文迪许在他父亲的实验室中当助手,做了大量的电学、化学研究工作。他的实验研究持续达50年之久。1760年卡文迪许被选为伦敦皇家学会成员,1803年又被选为法国研究院的18名外籍会员之一。

他“称”地球的秘密早为世人所知了。如果你想了解清楚,请看下面的“扭秤”试验:

那是1750年的一天,卡文迪许亲临英国剑桥大学物理实验室求教。通过米歇尔教授的启示,他回来后设计出一套实验装置;在一根细长杆的两端各放上一个小铅球,做成一个像哑铃似的东西,再用一根石英丝把这个“哑铃”横吊起来。他想,如果用两个大一些的铅球分别接近两个小铅球,由于铅球之间存在着引力,“哑铃”一定会发生摆动,这时候,只需测出石英丝扭转的程度,就可以求出引力,进而算出地球质量。

卡文迪许反复进行过多次实验,然而都以失败而告终。因为铅球之间的引力太微弱了!现代人们已经算出:两个1000克重的铅球在相距10厘米时,它们之间的相互引力只有十亿分之一千克!这么小的引力所促成的石英丝的变化,光靠肉眼是分辨不出来的。

怎么办呢?卡文迪许陷入了难以解脱的苦苦思索之中,可是一直没有想出满意的办法。

有一天,他到皇家学会去开会。走到半路上,他看到几个小孩正在做一种有趣味的游戏:他们每人手里拿着一面小镜子,用来反射太阳光,互相照着玩。小镜子只要稍微一动,远处光点的位置就会发生很大变化。望着这些活泼的孩子,忽然有一个念头闪过他的脑际,他转身返回了实验室,并立即着手改进他的实验装置。

他先把一面小镜子固定在石英丝上,后用一束光线去照射它。光线被小镜子反射过来,射到一根刻度尺上。这样,只要石英丝有极微小的扭动,反射光就会在刻度尺上有明显的移动,从而使实验灵敏度大大提高。卡文迪许的“扭秤”实验终于取得了极大的进展。

他抑制住内心的激动,继续将实验进行下去,直至1798年,终于测出了“万有引力常数”值,它等于6.6732×10-8厘米3/克·秒2。有了这个数值,再根据万有引力公式:

/r2就可计算出地球的质量。

设地球质量为m1,地球上另一物体的质量为m2,m2受地球引力F=m2g(g为重力加速度,按9.8米/秒2),m1与m2质心之间的距离计为地球的半径(取r=6379千米=6.379×106米则m1=Fr2〖〗Gm2=m2gr2〖〗m2G=gr2〖〗G=980×(6.379×106)2〖〗6.6732×10-8=5.976×1027(克)=5.976×卡文迪许看着自己的计算成果,满怀喜悦的微笑了。这时他已67岁高龄,为了“称出”地球的质量,他已经耗去了近50年光阴,这是他几乎一辈子心血凝成的“结晶”。

其实,卡文迪许的才能是多方面的。他在化学方面也有所建树:1784年左右卡文迪许研究了空气的组成,发现普通空气中氮占4/5,氧占1/5。他确定了水的成分,肯定了它不是元素而是化合物。他还发现了硝酸。

卡文迪许逝世后,他的侄子齐治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里,谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是70年,一直到了1871年,另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪许实验室时,这些充满了智慧和心血的笔记获得了重返人间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手稿,不由大惊失色,连声叹服说:“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家,他几乎预料到电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。”此后麦克斯韦决定搁下自己的一些研究课题,呕心沥血地整理这些手稿,使卡文迪许的光辉思想流传了下来。

卡文迪许在电学方面作出了很多重要发现。他发现一对电荷间的作用力跟它们之间的距离平方成反比,这就是后来库仑导出的库仑定律内容的一部分;他提出每个带电体的周围有“电气”,与电场理论很接近;卡文迪许演示了电容器的电容与插入平板中的物质有关;电势的概念也是卡文迪许首先提出的,这对静电理论的发展起了重要作用;他还提出了导体上的电势与通过电流成正比的关系。

卡文迪许一生未婚,一直在自己的实验室中工作,被称为“最富有的学者,最有学问的富翁”。

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