卡文迪许实验的研究成果

历史上第一次成功测定大的物体间引力的实验是由英国物理学家卡文迪许完成的。正如我们在前面讲到的，测量物体间的引力，最关键的是首先要在实验中排除地球引力的影响。卡文迪许的方法是这样的：

卡文迪许实验示意图

他用一根细丝悬挂细棒，在这根垂直悬挂的细棒的下端，设置了一根水平的钢制细棍，水平的细棍可以左右转动，就像罗盘里的磁针那样。然后，在细棍的两端，各固定一个小的金属球。这两个金属球重量相同，为的是使钢棍两端受到地球引力的大小相等，因而使它能够像天平那样保持平衡。这样一来，地球引力对钢棍的作用也必然互相抵消。而且，由于两端重量相等，所以它能够保持稳定。这样，卡文迪许的实验仪器就避免了地球吸引力的干扰。

接下来，他把两个体积很大而且分量很重的金属球分别放在水平钢棍两端的小球附近。开始并没有去触动它们。这时，大球的吸引力虽然已经产生作用，吸引了挨近它的一个小球；但是它对于小球的引力被另一个大球的引力所平衡，所以这时没有出现什么动静。然后，他轻轻地推开小球，使它离开原先的位置。这时，显然是因为大球引力的作用，又把小球拉了回来。但是，被拉回来的小球并没有在最初静止的地方停止，而是越过原先的位置，并且开始在大球附近像钟摆那样来回摆动。在这个过程中，地球的引力也在起作用，但是地球引力与实验中的大球引力互相垂直，所以互相没有干扰。但是，跟地球的引力相比较，金属球的引力极其微小。所以，小球的摆动比通常所见的摆动要缓慢得多。就是用这样的办法，通过观察这缓慢的振动，更准确地说是通过计算一天中很少的振动次数，卡文迪许计算出了地球的确切重量*。

*事实上，因为两个金属球之间的引力太小及其摆动的幅度很难被观察和记录，摆动的灵敏度问题成了测量的关键。卡文迪许在测量装置上装上一面小镜子。当小球受到大球的引力摆动时，小镜子就会偏转一个很小的角度，小镜子反射的光就转动一个相当大的距离，这样就可以精确地测量小球在大球引力下摆动的幅度和速度。

毫无疑问，这样的实验所遇到的困难是非同寻常的。比如，由于温度变化造成的水平钢棍的膨胀，或金属球略微的不平衡，都会影响到实验的结果。此外，实验必须在室内进行，而用于实验的房间四周的材质比重必须均等。而且，不能在近处直接观察，以免对所观察的引力产生干扰。实验场所周围的空气也不能有流动，否则摆动就不能正常进行。最后一点，设计实验所用的球体设计和制造也非常重要。不仅涉及重量和尺寸的确定，而且球体的形状也必须精确规范，必须使球体的重心跟球形的几何中心重合，使中心点到球面的各点的距离均等。(www.xing528.com)

不同寻常的科学研究总是会遇到不同寻常的困难，自然要采取不同寻常的手段，付出不同寻常的艰辛。一位德国自然博物学家在弗赖贝格（Freiberg）也为这项研究做出了巨大的努力。通过他的观察和研究，我们了解到，地球的总的质量是同样体积的水的大约5.5倍；或者用严谨的科学语言来说，就是地球的平均密度约等于水的密度的5.5倍。这样算下来，地球的重量就是大约1.4×1028磅^[1]。由此我们可以推测，由于地球的物质密度随着离地表的深度而增加，越是靠近地心密度越大，所以，地球不可能是空心的。

如果我们考虑到，从地球表面到地球中心的距离是3956英里，而凭着我们的挖掘能力，甚至连5英里都不可能挖穿，那么我们有理由为这项研究结果而自豪，因为我们只是通过对地球的很小部分的考察，就向世人揭示了地球深处的奥秘。

【注释】

[1]1.4×1028磅大约为6.35×1021吨。