การทดลอง ‘ชั่งน้ำหนัก’ โลกเมื่อกว่า 200 ปีก่อน

ในปี พ.ศ. 2341 นักวิทยาศาสตร์เฮนรี่ คาเวนดิชได้ทำการทดลองกับทรงกลมในห้องที่มืดและปิดสนิท และคำนวณความหนาแน่นโดยประมาณของโลก

โลกและดวงจันทร์ ภาพ: NASA — โลกและดวงจันทร์ ภาพ: *NASA*

ในช่วงปลายปี 1600 นักวิทยาศาสตร์ ไอแซก นิวตัน ได้เสนอหลักการของความโน้มถ่วงสากล กล่าวคือ อนุภาคทุกตัวจะดึงดูดอนุภาคอื่นๆ ในจักรวาลด้วยแรง (F) ซึ่งกำหนดโดยมวล (M) และระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของวัตถุกำลังสอง (R) โดยที่ G เป็นค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง สมการของกฎนี้คือ: F = G(M1xM2/R ² )

ดังนั้น หากทราบมวลของวัตถุชิ้นหนึ่งและข้อมูลอื่นของสมการ ก็สามารถคำนวณมวลของวัตถุชิ้นที่สองได้ ลองนึกถึงบุคคลหนึ่งที่มีมวลที่ทราบอยู่แล้ว บุคคลนี้สามารถคำนวณมวลของโลกได้ถ้าเขารู้ว่าตนเองอยู่ห่างจากศูนย์กลางโลกเท่าใด ปัญหาคือ ในสมัยของนิวตัน นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถหาค่า G ได้ ดังนั้นการชั่งน้ำหนักโลกจึงเป็นไปไม่ได้

การทราบมวลและความหนาแน่นของโลกจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อนักดาราศาสตร์ เพราะจะช่วยให้คำนวณมวลและความหนาแน่นของวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะได้ ในปี พ.ศ. 2315 ราชสมาคมลอนดอนได้จัดตั้ง "คณะกรรมการว่าด้วยแรงโน้มถ่วง" ขึ้นเพื่อศึกษาเรื่องนี้

ในปี พ.ศ. 2317 กลุ่มผู้เชี่ยวชาญพยายามวัดความหนาแน่นเฉลี่ยของโลกผ่านภูเขา Schiehallion ในสกอตแลนด์ พวกเขาชี้ให้เห็นว่ามวลอันมหึมาของ Schiehallion ดึงดูดลูกตุ้มเข้าหามัน พวกเขาจึงคำนวณความหนาแน่นของโลกโดยการวัดการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มและสำรวจภูเขา อย่างไรก็ตามการวัดนี้ไม่ได้แม่นยำมากนัก

ภาพประกอบนักวิทยาศาสตร์เฮนรี่ คาเวนดิชและการทดลองชั่งน้ำหนักโลกของเขา ภาพ: วิกิมีเดีย — ภาพประกอบนักวิทยาศาสตร์เฮนรี่ คาเวนดิช และการทดลอง "ชั่งน้ำหนัก" ของโลกของเขา ภาพ: *วิกิมีเดีย*

นักธรณีวิทยา จอห์น มิเชลล์ ก็ได้ศึกษาเกี่ยวกับมวลของโลกเช่นกัน แต่ไม่สามารถทำสำเร็จได้ก่อนที่เขาจะเสียชีวิต นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เฮนรี่ คาเวนดิช ได้ใช้เครื่องมือของมิเชลล์ในการทำการทดลอง

เขาประดิษฐ์ดัมเบลขนาดใหญ่โดยมีลูกกลมตะกั่วกว้าง 5 ซม. ติดอยู่กับปลายแท่งไม้ยาว 183 ซม. แท่งไม้แขวนจากเชือกตรงกลางและสามารถหมุนได้อย่างอิสระ จากนั้นนำน้ำหนักตัวที่สองซึ่งประกอบด้วยลูกกลมตะกั่วกว้าง 30 ซม. สองลูก น้ำหนักลูกละ 159 กก. มาไว้ใกล้กับน้ำหนักตัวแรก เพื่อให้ลูกกลมที่มีขนาดใหญ่กว่าดึงดูดลูกกลมที่มีขนาดเล็กกว่า โดยออกแรงเล็กน้อยกับแถบแขวน คาเวนดิชเฝ้าสังเกตการแกว่งของแท่งอย่างระมัดระวังเป็นเวลาหลายชั่วโมง

แรงโน้มถ่วงระหว่างทรงกลมทั้งสองอ่อนมาก จนถึงขนาดที่กระแสลมเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำลายการทดลองอันละเอียดอ่อนนี้ได้ คาเวนดิชวางอุปกรณ์ไว้ในห้องที่ปิดสนิทเพื่อหลีกเลี่ยงการไหลของอากาศจากภายนอก เขาใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อสังเกตการทดลองผ่านหน้าต่างและติดตั้งระบบรอกเพื่อเคลื่อนย้ายน้ำหนักจากภายนอก ห้องถูกทำให้มืดเพื่อหลีกเลี่ยงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างส่วนต่างๆ ของห้อง ซึ่งจะส่งผลต่อการทดลอง

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2341 คาเวนดิชได้เผยแพร่ผลการวิจัยของเขาในวารสาร Transactions of the Royal Society ในการศึกษาวิจัยที่มีชื่อว่า "การทดลองเพื่อกำหนดความหนาแน่นของโลก" เขาแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของโลกมีความหนาแน่นมากกว่าความหนาแน่นของน้ำถึง 5.48 เท่า หรือ 5.48 g/cm3 ใกล้เคียงกับค่าปัจจุบันที่ 5.51 g/cm3 มาก

การทดลองของคาเวนดิชมีความสำคัญไม่เพียงแต่ในการวัดความหนาแน่นและมวลของโลก (ประมาณไว้ที่ 5.974 ล้านล้านกิโลกรัม) แต่ยังรวมถึงการสาธิตให้เห็นว่ากฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันนั้นยังสามารถนำไปใช้ได้จริงในมาตราส่วนที่เล็กกว่ามาตราส่วนของระบบสุริยะมากอีกด้วย นับตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 ได้มีการนำการทดลองของ Cavendish เวอร์ชันปรับปรุงมาใช้เพื่อกำหนดค่า G

ทู่ เทา (ตาม IFL Science , APS )

ลิงค์ที่มา