200년 전 지구 '무게 측정' 실험

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1798년, 과학자 헨리 캐번디시는 어둡고 밀폐된 방에서 구체를 이용한 실험을 통해 지구의 대략적인 밀도를 계산했습니다.

1600년대 후반, 과학자 아이작 뉴턴은 만유인력의 법칙을 제안했습니다. 모든 입자는 우주의 다른 모든 입자를 끌어당기는데, 이 힘(F)은 입자의 질량(M)과 물체의 중심 간 거리의 제곱(R)으로 결정됩니다. 중력상수 G를 고려하면 이 법칙의 방정식은 F = G(M1xM2/ ^R2 )이다.

따라서 한 물체의 질량과 방정식의 다른 정보를 알면 두 번째 물체의 질량을 계산할 수 있습니다. 질량이 알려진 사람이 있다고 가정해 보겠습니다. 이 사람은 지구 중심에서 얼마나 떨어져 있는지 알고 있다면 지구의 질량을 계산할 수 있습니다. 문제는 뉴턴 시대에는 과학자들이 아직 G를 결정하지 못했기 때문에 지구의 무게를 측정하는 것은 불가능했다는 것입니다.

지구의 질량과 밀도를 아는 것은 천문학자들에게 매우 유용할 것입니다. 왜냐하면 이를 통해 태양계의 다른 천체들의 질량과 밀도를 계산할 수 있기 때문입니다. 1772년에 런던 왕립학회는 이를 연구하기 위해 "중력위원회"를 설립했습니다.

1774년에 일단의 전문가가 스코틀랜드의 스키할리온 산을 통해 지구의 평균 밀도를 측정하려고 시도했습니다. 그들은 쉬할리온의 거대한 질량이 진자를 그쪽으로 끌어당긴다는 점을 지적했습니다. 그래서 그들은 진자의 움직임을 측정하고 산을 조사하여 지구의 밀도를 계산했습니다. 하지만 이 측정은 그다지 정확하지 않습니다.

과학자 헨리 캐번디시와 그의 지구 저울 실험에 대한 그림입니다. 사진: 위키미디어 — 과학자 헨리 캐번디시와 그의 "무게 측정" 지구 실험을 묘사한 그림입니다. 사진: *위키미디어*

지질학자 존 미첼 목사도 지구의 질량을 연구했지만 죽기 전에는 완성하지 못했습니다. 영국의 과학자 헨리 캐번디시는 미셸의 장비를 사용하여 실험을 수행했습니다.

그는 183cm 길이의 나무 막대 끝에 폭 5cm의 납 구슬을 부착한 큰 덤벨을 만들었습니다. 나무 막대는 중앙에 있는 줄에 매달려 있으며 자유롭게 회전할 수 있습니다. 그런 다음, 각각 159kg의 너비 30cm의 납구 두 개가 달린 두 번째 추를 첫 번째 추 가까이 가져와서 더 큰 구가 더 작은 구를 끌어당기도록 하여 매달린 막대에 약간의 힘을 가합니다. 캐번디시는 몇 시간 동안 바의 진동을 주의 깊게 지켜보았습니다.

두 구체 사이의 중력은 너무 약해서 아주 약간의 공기 흐름만으로도 이 섬세한 실험이 망가질 수 있습니다. 캐번디시는 외부 공기 흐름을 막기 위해 장치를 밀폐된 방에 두었습니다. 그는 창문을 통해 망원경을 사용하여 실험을 관찰하고, 외부에서 무게를 옮기기 위한 풀리 시스템을 설치했습니다. 방의 각 부분 간의 온도 차이가 실험에 영향을 미치는 것을 막기 위해 방을 어둡게 유지했습니다.

1798년 6월, 캐번디시는 "지구의 밀도를 측정하기 위한 실험"이라는 제목의 연구 결과를 왕립학회지인 Transactions 에 발표했습니다. 그는 지구의 밀도가 물의 밀도의 5.48배, 즉 5.48g/cm3임을 보여줬는데, 이는 현대의 밀도인 5.51g/cm3에 매우 가깝습니다.

캐번디시의 실험은 지구의 밀도와 질량(약 5,974조 킬로그램으로 추정)을 측정한 것뿐만 아니라, 뉴턴의 만유인력의 법칙이 태양계보다 훨씬 작은 규모에서도 성립한다는 것을 보여준 점에서도 중요했습니다. 19세기 후반부터 캐번디시 테스트의 개선된 버전이 G를 결정하는 데 사용되었습니다.

투 타오 ( IFL Science , APS 에 따르면)

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