地球質量

大家公認的地球質量為5.965×10^24kg

【英國《觀察家報》報道】計算結果表明，地球的質量比原 先認為的要輕得多。這個計算結果大大出乎物理學家們的預料。

經過歷時4年、耗資數十萬美元的計算，華盛頓大學的物理學家默科維茨博士和貢德拉克教授說，地球的質量約為5.965×10^24kg，這個計算結果將在4月30日由美國物理協會宣布。

這兩位物理學家說，他們對影響每個星球的引力常數得出了迄今最精確的計算結果。儘管人們早已知道光速和音速，但是科學界一直未能解決引力常數。知道引力常數就能計算出星球的質量。

對於天文學家和物理學家們來說，這一突破具有極其重大的意義。英國伯明翰大學物理學家斯皮克博士說，這一計算結果“大大出乎科學家們的預料”。

我們人類居住的地球，是個非常巨大的球體。第一個測量出地球質量的人是誰？他就是英國科學家亨利·卡文迪許(1731一1810)。1798年，他通過巧妙實驗，間接測量出地球巨大的質量數值，被人們譽為“第一個稱地球的人”。

1731年10月10日，亨利·卡文迪許誕生於英國的一個貴族家庭中，這個家族地位非常顯赫，家財豪富。但是他從小卻十分喜愛讀書，富於幻想，求知慾強。他在青少年時期打下的牢固基礎，對他一生中在科學上取得的成就有很大的作用。

卡文迪許生活的年代，正是自然科學飛速發展的時期，同時也面臨著許多“難題”，其中，最著名的一個就是“稱出地球質量”。當時經過測量和計算已經知道地球的半徑約為6400千米；地球的表面積通過測量和計算，已經知道大約是5 .1×10¹⁴平方米；地球的體積通過計算也知道約為1 .08×10²¹立方米，都是極其巨大的數字。所以，人們都非常想知道：地球的質量是多少呢?

當時很多科學家都試圖找到“稱地球”的方法。有人提出使用計算方法：地球體積已經知道了，再設法求出它的平均密度，然後利用質量=密度*體積的公式，就可以求出地球質量。這種利用物理學密度公式計算的方法，有一些道理。後來地球大氣的質量，就是利用此法測量計算的。大氣的密度隨高度下降，大氣質量的90%集中在離地表15千米高度以內，經過仔細測量計算，可以知道：地球大氣的質量約為5.3×10²¹克(約佔地球總質量的百萬分之一)。

可是這種物理學密度公式計算的方法無法計算出地球實體的質量數值。因為地球的物理結構非常複雜，構成地球各部分的密度不同、差別很大，況且地球中心的密度根本無法知道。所以有人斷言:“人類永遠不會知道地球的質量!”

首先向這句話挑戰的，是年輕的科學家牛頓。1687年他發現了萬有引力定律:“任何兩個物體都是互相吸引的，引力大小與這兩個物體質量的乘積成正比，與它們中心距離的平方成反比。”牛頓高興地發現，利用這個萬有引力定律公式可以求出地球質量來！你看：公式中M表示地球的質量數值，m表示地面一個已知物體的質量數值,r表示它們中心的距離(就是地球半徑的數值)萬有引力f的大小就是物體m受到的重力數值。這樣可以計算出地球質量M的數值啊!

但是細心的讀者發現，利用這個“萬有引力定律”公式還有一個條件：必須得到“萬有引力係數”G的數值。也就是說，必須在地面直接測量出兩個物體之間的引力數值。

牛頓精心設計了幾個實驗，企圖在地面測量兩個物體之間的引力，可惜都失敗了，經過粗略推算，牛頓發現一般物體之間的引力極其微小，以至根本測不出來。失望之餘，已經成為大家測出地球質量最後希望的牛頓，也當眾宣布：在地面想利用測量引力，利用這個萬有引力定律來計算地球質量的努力，將是徒勞的!

1750年，法國科學家布格爾興師動眾到南美洲的厄瓜多，登上陡峭的琴玻拉錯山頂，沿著懸崖吊下一根鉛垂線。他想：鉛球的質量已知，山體的質量可以計算出來，只要測量出鉛球因為受到山體的吸引偏離的角度，就可以得知山體和鉛球之間的引力大小，進一步再推算出地球的質量。“鉛垂線法”的實驗原理是對的，可惜多次都失敗了。因為山風和各種振動的影響，遠遠超過山體和鉛球之間的微小引力，實驗沒有取得任何有意義的數據。

1774年，英國科學家尼維爾·馬斯基林又在柏斯郡的一座陡峭懸崖上，利用“鉛垂線法”精心測量，採取一些避風和防震動的措施，但是，“鉛垂線法”的結果還是失敗了。

“稱地球”這一科學難題，強烈吸引著年輕的卡文迪許。卡文迪許22歲畢業於劍橋大學，從此走上研究科學的道路。他第一個發現了氫元素；通過氫和氧的火花放電得到水；通過氧和氮的火花放電得到硝酸……被人們譽為“一台最有效的機器”，29歲加入英國皇家學會，成為有影響的科學家。但是卡文迪許卻念念不忘這個著名的科學“難題”:稱地球!

在前人研究成果的基礎上，卡文迪許開始了新的攀登。他做了哪些艱苦的努力呢?

“工欲善其事，必先利其器”。1750年，年僅19歲的卡文迪許聽到一個消息：劍橋大學的約翰·米歇爾在研究磁力時，使用一種新的測力方法：用一根細繩將細長的磁針從中間吊起來，利用細繩的扭轉程度表示力的大小。卡文迪許專程前往求教，仔細觀察、認真學習了這套裝置。

卡文迪許利用米歇爾的裝置，設計出測量微小引力的新方法，將兩隻小鉛球裝在一根細長桿的兩端，做成一個“啞鈴”樣的東西，用一根細絲從中間吊起“啞鈴”，實驗時再用兩個大鉛球分別去靠近小鉛球。由於大小鉛球之間萬有引力的作用，“啞鈴”將有微小的轉動，仔細測量細絲扭轉的程度，就可以計算出大小鉛球之間的引力，從而推算出地球的質量。但他多次實驗卻不能成功。為什麼呢？我們知道：兩個1千克的鉛球，相距10厘米時，吸引力只有十億分之一千克！要測量出這麼極其微小的力，談何容易！

卡文迪許陷入了長期苦悶之中，他想：實驗時細絲肯定發生了扭轉，只是太小太小了，導致肉眼根本觀察不出來。能不能把微小的扭轉加以放大呢？用什麼辦法呢？卡文迪許冥思苦想。有一天，他去皇家學會活動，路上看見幾個小孩正在做遊戲：用手中的小鏡反射太陽光，互相照著玩，小鏡只要稍一轉動，遠處光點的位置就發生很大的變化。卡文迪許的腦海中迸發出一個明亮的火花:“小鏡！光點！小鏡！光點！”他叫出了聲。

卡文迪許馬上跑回實驗室，動手修改儀器裝置，他將一個小鏡固定在細絲上面，用來將一束光線反射到一個刻度尺上面。這樣，只要細絲有一極其微小的轉動，刻度尺上的光點就會有明顯的移動，儀器的靈敏度大大地增強了。卡文迪許又進一步設法解決了儀器的各種干擾問題，例如空氣流動和震動的影響。這套經過改進可以測量微小力的儀器，定名為“扭秤”，仍然在精密實驗中發揮著作用。

地球質量

卡文迪許利用“扭秤”終於稱出地球的質量，1798年，他公布了地球巨大的質量數值，這時他已經白髮蒼蒼，67歲高齡了。地球質量多大呢？是約5.965×10^24kg，就是大約60萬億億噸！

地球質量已知，地球的平均密度就可求出來：現代測定的地球平均密度約為5 .517克/立方厘米；而地球表層密度僅為2 .5—3克/立方厘米，這樣我們就可以推算出地球中心的密度達7~8克/立方厘米，遠比地球表層為大，可能由鐵、鎳等重物質組成。

不久，利用同樣的方法，測量出太陽更加巨大的質量，是地球質量的30萬倍，為2 ×10³º千克。接著太陽系其他行星的質量也陸續被測量出來。萬有引力定律不斷得到了物理實驗的驗證，萬有引力係數G的數值也越來越精確地測量出來，成為重要的物理參數之一，在現代航天航空技術中有極其重要的作用。卡文迪許的“扭秤”實驗成果有力地推動了科學技術的發展。

1810年3月10日，卡文迪許在英國倫敦逝世，終身未婚。他和他設計的“扭秤”一同載入科技史冊，被人們譽為“第一個稱地球的人”!人們為紀念這位大科學家，特意為他樹立了紀念碑。劍橋大學還把卡文迪許工作過的實驗室命名為卡文迪許實驗室，這個實驗室造就了不少有名望的物理學家。卡文迪許可算是一位活到老、干到老的學者，直到79歲高齡、逝世前夜還在做實驗。他一生獲得過不少外號，有“科學怪人”“科學巨擎”“最富有的學者、最博學的富豪”等。他那勤於學習，善於思考，勇於探索的精神永遠值得我們學習！