Năm 1798, nhà khoa học Henry Cavendish thực hiện thí nghiệm với các khối cầu trong phòng kín và tối, tính ra gần đúng khối lượng riêng của Trái Đất.
Trái Đất và Mặt Trăng. Ảnh: NASA
Cuối những năm 1600, nhà khoa học Isaac Newton đưa ra định luật vạn vật hấp dẫn: Mọi hạt đều hấp dẫn mọi hạt khác trong vũ trụ bằng một lực (F) được quyết định bởi khối lượng của chúng (M) và bình phương khoảng cách giữa tâm của các vật thể (R). Với G là hằng số hấp dẫn, phương trình cho định luật này là: F = G(M1xM2/R2).
Như vậy, nếu biết khối lượng của một trong các vật thể và những thông tin khác của phương trình, người ta có thể tính ra khối lượng của vật thể thứ hai. Coi một người là khối lượng đã biết, người này có thể tính ra khối lượng Trái Đất nếu biết mình cách tâm Trái Đất khoảng bao xa. Vấn đề là vào thời Newton, giới khoa học chưa xác định được G nên việc cân Trái Đất là bất khả thi.
Việc biết khối lượng và khối lượng riêng của Trái Đất sẽ vô cùng hữu ích với các nhà thiên văn học vì giúp họ tính toán khối lượng và khối lượng riêng của các vật thể khác trong hệ Mặt Trời. Năm 1772, Hội Hoàng gia London thành lập “Ủy ban Hấp dẫn” để nghiên cứu điều này.
Năm 1774, một nhóm chuyên gia cố gắng đo khối lượng riêng trung bình của Trái Đất thông qua núi Schiehallion ở Scotland. Họ chỉ ra rằng khối lượng đồ sộ của Schiehallion đã hút các con lắc về phía đó. Vì vậy, họ tính toán khối lượng riêng của Trái Đất nhờ đo chuyển động của con lắc và khảo sát ngọn núi. Tuy nhiên, phép đo này có độ chính xác không cao.
Minh họa nhà khoa học Henry Cavendish và bộ thí nghiệm “cân” Trái Đất. Ảnh: Wikimedia
Nhà địa chất Reverend John Michell cũng nghiên cứu về khối lượng Trái Đất nhưng không thể hoàn thành trước khi chết. Nhà khoa học Anh Henry Cavendish đã sử dụng các thiết bị của Michell để thực hiện thí nghiệm.
Ông chế tạo một quả tạ lớn, với những khối cầu bằng chì rộng 5 cm gắn vào hai đầu của thanh gỗ dài 183 cm. Thanh gỗ được treo lên một sợi dây ở tâm và có thể xoay tự do. Sau đó, quả tạ thứ hai với hai khối cầu bằng chì rộng 30 cm, nặng 159 kg mỗi khối, được đưa đến gần quả tạ thứ nhất để những khối cầu lớn hút những khối nhỏ, tác dụng một lực nhẹ lên thanh treo. Cavendish chăm chú theo dõi dao động của thanh này suốt nhiều giờ.
Lực hấp dẫn giữa các khối cầu rất yếu nên luồng không khí nhỏ nhất cũng có thể phá hỏng thí nghiệm tinh vi này. Cavendish đặt thiết bị trong phòng kín để tránh luồng không khí bên ngoài. Ông dùng kính viễn vọng để quan sát thí nghiệm qua cửa sổ và thiết lập một hệ thống ròng rọc để di chuyển các quả tạ từ bên ngoài. Căn phòng được giữ tối để tránh xảy ra chênh lệch nhiệt độ giữa những chỗ khác nhau trong phòng, ảnh hưởng đến thí nghiệm.
Tháng 6/1798, Cavendish công bố các kết quả của mình tên tạp chí Transactions of the Royal Society trong nghiên cứu mang tên “Thí nghiệm xác định khối lượng riêng của Trái Đất”. Ông trình bày rằng khối lượng riêng của Trái Đất gấp 5,48 lần nước, hay 5,48 g/cm3, khá gần với giá trị hiện đại là 5,51 g/cm3.
Thí nghiệm của Cavendish có ý nghĩa quan trọng không chỉ với việc đo khối lượng riêng và khối lượng của Trái Đất (ước tính khoảng 5,974 triệu tỷ tỷ kg) mà còn chứng minh rằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton cũng đúng với quy mô nhỏ hơn nhiều so với quy mô của hệ Mặt Trời. Kể từ cuối thế kỷ 19, các phiên bản cải tiến của thí nghiệm Cavendish được sử dụng để xác định G.
Thu Thảo (Theo IFL Science, APS)
