地球重达60万亿亿吨,科学家是如何知道的？

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生活中。当我们想要知道一个物体的质量时。可以拿称去称重。从古时的手提秤。到现在的电子秤。

同样为秤。这两种秤原理完全不同。手提秤利用的是杠杆原理。即动力×动力臂=阻力×阻力臂。而电子称则通过压力和传感器来实现。任何有质量的物体。都会产生压力。当物体放在秤盘上时。压力施加给传感器。该传感器发生弹性形变。同时使用激励电压发生变化。输出一个变化的模拟信号。进而显示为我们看到的数字。

但可以称重的基础是有一个足够大平台来摆放物体。

还有一种方法就是通过计算。比如。知道一个物体的密度和体积。我们就能知道它的质量=体积x密度。但运用这个公式的前提是我们必须知道物体的密度和体积。比如。一立方米的水为1000千克。因为水的密度数值为1.0。

然而。我们都生活在地球表面。在地球上找比地球还大的秤或者杠杆那显然是不可能的。

我们只能通过计算来得知这一数值。然而如果想要通过密度和体积来计算。那也不行。科学家在给地球称重之前。还并不知道地球的体积。更不知道地球内部的环境。不同的物质密度也是不同的。公式虽然简单但未知量实在太多。也就无法使用。事实上。即便是现在。地球内部复杂的环境我们依然没有摸清楚。

那么。科学家是如何得知地球重量的。

地球称重试验

世界上。第一个给地球称重的人。是英国科学家亨瑞•卡文迪许。

这是一位毕业于英国剑桥大学的英国人。更是一名物理学家、化学家。比如：空气的主要成分和比例就是他第一个提出来的。1784年。卡文迪许发现了空气中五分之四为氮气、五分之一为氧气。它的发现十分接近于真实数值。氮气为78%、氧气为21%、其他气体占1%左右。

那么卡文迪许是如何通过实验来计算出地球质量的呢？

他的实验原理还得从前人牛顿发现的万有引力谈起。

物理学奠基人牛顿在被院子里熟落的苹果砸到后。通过一系列的思考和试验。最终在1687年发布了万有引力定律。

任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比。表达式为

F=(G×M1×M2)/R2

然而。尽管牛顿公布了万有引力计算公式。但公式中的常数G的数值。牛顿也没算出来。

直到1789年。卡文迪许通过扭秤试验才准确得知这一数值。

他将一条细线系于一个轻质木棒的中端。并在木棒的两端各系上一个小铅球。从而制成了一个简单的装置。木棒可绕悬线自由扭动。这样。只需轻轻一碰木棒两端的小球就可改变装置的运动状态。利用这一方法。卡文迪许测出了不同作用力产生的“扭矩”。

而后。卡文迪许将两个较大的金属球分别装于这两个小球的附近。这两个金属球与两个小球之间的引力使悬线发生轻微的扭动。

根据扭臂的长度。卡文迪许计算出了两对球体之间的相互的吸引力。进而他根据两对球体的中心距和各球的质量。以及位于地表的相同球体所受的重力(该重力大干两球间的相互作用力)。与两对球体间吸力的差值计算出了地球的质量。卡文迪许计算出地球的质量约为6×10的24次方千克。也就是60万亿亿吨。

这一数据直至今天仍一直被科学界所认可。因而卡文迪许的研究可以说是在该领域的首创。也是第一个给地球称重的人。

他的指导思想极其简单。用两个大铅球使它们接近两个小球。从悬挂小球的金属丝的扭转角度。测出这些球之间的相互引力。根据万有引力定律。可求出常数G。以及地球质量。根据卡文迪许的多次实验。测算出地球的平均密度是水密度的5.481倍（21世纪数值为5.517。误差仅为0.65%）。

到这里。我们不得不感慨科学家的伟大。200多年前就能有如此思维以及精确的数值。他们伟大的贡献。奠定了近代物理学的基础。更是造福了人类！

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