18世纪卡文迪许测量地球重量的故事

科学家与普通人相比，最大的特点是什么？就在于他们想问题的对象和方法总是与众不同。举一个例子来说：“地球的重量是多少？”这在普通人看来就是一个摸不着头脑的问题，谁没事会去琢磨这个呀？但是在科学家看来，这就是一个必须搞明白的问题。

地球的重量？有人可能觉得回答这种不着边际的问题也太容易了：你可以随便说出一个重量，说它是多重就是多重，而且可以肯定，绝对不会有人拿着秤去检验，看你说得到底有多准确。然而，我们提出这个问题，可不是逗笑，它的答案也绝对不能去猜测。相反地，这个问题的提出和它的答案，都真正属于科学研究的范畴。这个问题本身就很有价值，它跟我们所能给出的准确答案一样重要。

A.摸不着头脑！

B.说它多重就有多重啊，肯定不会有人拿着杆秤去称吧。

C.根据体积等比例，通过一个确切可称重的小球的重量来确定地球的重量。

也许还有人认为测量地球的重量很简单，只要知道了地球的大小，确定它的重量是不成问题的。要想知道地球的重量，需要做的似乎只是这样一件事情：做一个小小的可以准确称重的圆球，然后很容易就可以计算出地球是这小球的多少倍。用这样的方法，我们就可以指着这个球告诉别人：只要我们知道这个小球的重量，知道地球的体积是这个小球的多少倍，那么，就可以知道整个地球的重量了。

但是，这样的操作程序，极可能误导我们。问题的关键在于制作小球使用的是什么材料。如果小球是用松散的泥土做成，它的分量更轻一些；如果是用石头，就会重一些；如果用的是金属材料，那么它就会更重。计算的结果取决于所用金属的种类，比如，用金子做样本跟用铝做样本相比，计算的结果会差得很多。

由此可见，如果要通过小球的重量来准确计算地球的重量，首先，必须了解地球的物质构成，它是不是仅包括岩石、金属，是不是还包括各种我们所不了解的物质；其次，地球内部会不会有空腔（很大的空洞）呢？或者，说真的，我们所生活在其表面的整个地球也许只不过就是一个空心的球体——穿过这令人讨厌的厚厚的地壳，也许会到达另外一个世界！

亨利·卡文迪许（Henry Cavendish，1731—1810）(www.xing528.com)

通过上面这个小小问题的推演，我们很容易地看到“地球的重量是多少”这样的问题会引导我们去探索地球的构造，而这正是科学家所要思考和研究的问题。

不过，我要告诉大家，上面的问题在不久以前已经解决了。所得到的答案是，地球的重量是6.0×1021吨*。总体上讲，地球的成分主要是比铁稍轻的物质；具体地说，接近地球表面的是比较轻的物质，越是靠近地心，密度越大。不过，终于证实，尽管靠近地球表面处会有许多空洞（如岩洞），但是就整体而言，地球本身并不是一个空心的球体。

*1798年英国物理学家亨利·卡文迪许完成了对地球重量的精确测量，从而也就计算出了地球的平均密度。

卡文迪许测量的地球重量为6.0×1021吨。现代测量的结果为5.978×1021吨。

1750年，卡文迪许只有19岁时，即向剑桥大学物理实验室的米歇尔教授提出了测量地球重量的想法，到他得出地球重量的测量结果，经历了将近半个世纪。

卡文迪许使用的装置是由两个重达350磅的铅球和扭秤系统组成的。为了消除气流干扰，卡文迪许将装置安装在一个不透风的房间，自己则在室外用望远镜观测扭矩的变化。之后他向皇家学会提交报告，给出了目前看来仍然比较精确的地球密度值。这一测量被称为开创了“弱力测量的新时代”。很多文章称卡文迪许求出了万有引力常量，实际上卡文迪许当时只关心地球的密度，并没有涉及其他。而采用卡文迪许的测量结果，通过计算可以求出万有引力常量和地球的质量。

这些结论是通过科学的研究和实验获得的。下面，我们将尽可能简单明了地介绍这些科学的方法和途径。