200年以上前に地球を「計量」する実験

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1798 年、科学者ヘンリー・キャベンディッシュは暗く密閉された部屋で球体を使った実験を行い、地球のおおよその密度を計算しました。

1600 年代後半、科学者アイザック・ニュートンは万有引力の法則を提唱しました。それは、宇宙のすべての粒子は、その質量 (M) と物体の中心間の距離の 2 乗 (R) によって決まる力 (F) で他のすべての粒子を引き付けるというものです。 G は重力定数なので、この法則の式は F = G(M1xM2/R ² ) となります。

したがって、物体の 1 つの質量と方程式の他の情報がわかれば、2 番目の物体の質量を計算できます。質量がわかっている人を考えてみましょう。その人は地球の中心から自分がどれだけ離れているかがわかれば、地球の質量を計算できます。問題は、ニュートンの時代には科学者がまだ G を決定していなかったため、地球の重さを測ることは不可能だったことです。

地球の質量と密度を知ることは、太陽系の他の天体の質量と密度を計算するのに役立つため、天文学者にとって非常に有用です。 1772年、ロンドン王立協会はこれを研究するために「重力委員会」を設立しました。

1774年、一群の専門家がスコットランドのシーハリオン山で地球の平均密度を測定しようと試みました。彼らは、シーハリオンの巨大な質量が振り子をその方向に引き寄せていると指摘した。そこで彼らは振り子の動きを測定し、山を測量して地球の密度を計算しました。しかし、この測定はあまり正確ではありません。

科学者ヘンリー・キャベンディッシュと彼の地球重量測定実験のイラスト。写真: ウィキメディア — 科学者ヘンリー・キャベンディッシュと彼の「地球の重さを量る」実験のイラスト。写真:*ウィキメディア*

地質学者のジョン・ミッシェル牧師も地球の質量を研究したが、死ぬ前にそれを完了することはできなかった。イギリスの科学者ヘンリー・キャベンディッシュはミッシェルの装置を使って実験を行った。

彼は、長さ183cmの木の棒の両端に幅5cmの鉛の球を取り付けた大きなダンベルを製作した。木の棒は中央の紐で吊り下げられており、自由に回転できます。次に、重さがそれぞれ 159 kg の 2 つの 30 cm 幅の鉛球が付いた 2 番目の重りを最初の重りに近づけ、大きい方の球が小さい方の球を引き寄せて、吊り下げられたバーにわずかな力を加えます。キャベンディッシュ氏は何時間もバーの振動を注意深く観察した。

球体間の重力は非常に弱いため、わずかな空気の流れでもこの繊細な実験を台無しにする可能性があります。キャベンディッシュ氏は外気の流入を避けるため、密閉された部屋に装置を設置した。彼は望遠鏡を使って窓越しに実験を観察し、重りを外から動かすための滑車システムを設置した。実験に影響を与える、部屋のさまざまな部分間の温度差を避けるために、部屋は暗く保たれました。

1798 年 6 月、キャベンディッシュは「地球の密度を決定する実験」と題する研究結果を、王立協会紀要に発表しました。彼は、地球の密度が水の密度の 5.48 倍、つまり 5.48 g/cm3 であり、これは現代の値である 5.51 g/cm3 に非常に近いことを示しました。

キャベンディッシュの実験は、地球の密度と質量（推定5974兆キログラム）を測定するだけでなく、ニュートンの万有引力の法則が太陽系の規模よりもはるかに小さい規模でも成り立つことを証明した点でも重要でした。 19 世紀後半以降、G を決定するために、キャベンディッシュテストの改良版が使用されてきました。

Thu Thao ( IFL Science 、 APSによる)

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