كيف تزن العالم

عرف أطلس الجواب. بالكاد يقوم بمهمة الاحتفاظ بالأرض ، من المرجح أن هذا التيتانيوم يعرف جيدًا كم يزن. لكننا لم نكن محظوظين مثله. كيف يمكن لشخص بسيط وبشري على سطح الأرض أن يحسب تقريبه لوزن الأرض؟ وأين يمكن أن نضع مثل هذه المقاييس؟

لم يكن لدينا إجابة دقيقة حتى اكتشف الإنجليزي جون ميتشل كيفية حسابها. اليوم ، قلة من الناس يعرفونه ، ولكن في القرن الثامن عشر كان من أذكى الكهنة. بصفته جيولوجيًا وفلكيًا وعالم رياضيات ومنظرًا كان صديقًا لأعضاء الجمعية العلمية الملكية في لندن ، كان الأول في العديد من الأشياء: كان أول من اقترح أن الزلازل تنتشر كموجات مرنة من خلال قشرة الأرض (والتي كان يطلق عليها "والد علم الزلازل الحديث") ، كان أول من اقترح أن العديد من النجوم ثنائية بالفعل ، وأول من يتخيل مثل هذا النجم الضخم والكبير الذي لا يمكن للضوء أن يفلت من جاذبيته الجاذبة - "الشمس السوداء" ، وهو شيء يشبه النموذج الأول للثقب الأسود.

كان هذا الكاهن البروتستانتي من ويست يوركشاير من محبي قوانين الجاذبية لنيوتن ، التي تم تقديمها لأول مرة في عام 1687. تنبأ القانون بنجاح بحركة المذنبات والكرات المدفعية ، ولكن بحلول عام 1780 ، كان الجذب الجاذبي بين جسدين صغيرين لم يظهر في المختبر ، وفقًا لرسل ماكورماخ ، مؤلف كتاب Weighing the World ، 2011. . مهتمة بالجيولوجيا لفترة طويلة ، كان ميتشل يبحث منذ عقود عن طريقة لحساب كثافة الكوكب - وبالتالي وزنه. توصل إلى مخطط لقياس قوى الجاذبية على مسافات قصيرة ، وخلال هذه العملية وزن الأرض. كان الجهاز الذي طوره بسيطًا ولكنه أنيق. كان يتألف من أربع كرات رصاصية فقط ، وعمود متحرك والعديد من الأسلاك المغلقة في غلاف يمنع تأثير تيارات الهواء. يطلق الفيزيائيون على هذا الجهاز "موازين الالتواء" لأن دوران العمود ضروري لتشغيله.

في النسخة النهائية ، تم تعليق عمود خشبي بطول مترين على سلك ، مع زوج من الكرات بقطر 5 سم ، متصلاً بنهاياته. تقع الكرات الأكبر ، التي يبلغ قطرها 30 سم ، بالقرب من الكرات الصغيرة. كانت الفكرة هي أن الجاذبية الصغيرة للغاية بين كل من الأزواج ستبدأ تدريجياً في قلب القطب. ستتوقف هذه الحركة عندما تكون مرونة السلك مساوية لقوة الجذب بين الكرات. كانت تلك معلومة واحدة. جاذبية الكرات والأرض معروفة بالفعل - إنها فقط وزنها. بالنسبة لتجربة ميشيل ، كان من المهم جدًا الحصول على مجموعتين من البيانات. بمقارنة البيانات ، وقياس قوة جاذبية الكرات بشكل منفصل ، يمكن للمجرب بعد ذلك حساب واحد غير معروف في معادلة الجاذبية - كتلة الأرض. أدى التوازن الدقيق إلى نتيجة مذهلة.


نموذج 1:48 توازن الالتواء الذي بناه هنري كافنديش في عام 1798

ولكن كان من الصعب إجراء وإدارة هذه التجربة. في عام 1784 ، كتب ميشيل لزميله في الجمعية الملكية ، هنري كافنديش (مكتشف الهيدروجين) ، عن أمله في وزن العالم " هذا الصيف ". لكن الحالة الصحية السيئة و " الخمول الطبيعي " ، كما أسماها ميشيل ، منعته من إكمال المشروع. لقد شغله مشروع بناء أكبر تلسكوب في العالم. توفي عام 1793 عن عمر يناهز 68 عامًا ، بعد أن فشل في أخذ قياس.

ونتيجة لذلك ، تحول جهاز ميشيل إلى عمل كافنديش ، الذي وصفه كتاب سيرته الذاتية بأنه "واحد من أغنى الناس في المملكة ... من محبي العلوم وأعصاب الأعصاب". كان خجولًا للغاية ، خاصة خوف النساء. يعيش وحده ، أكمل الصك ، ومظهره النهائي حسّن فكرة ميشيل. الآن ينسب الفضل إلى Cavendish في نصيب الأسد من الجدارة لتنفيذ التجربة التي طال انتظارها - ولسبب وجيه. تم إغلاق الجهاز في سقيفة صغيرة على أراضي ممتلكاته ، وكان عليه التحكم في المقاييس بالخارج باستخدام أذرع ، ومراقبة الحركات الصغيرة للقطب (لا يتحرك أكثر من نصف ملليمتر) من خلال الفتحة في الجدران المقابلة من السقيفة بواسطة التلسكوب.

كان العمل صعبًا ودقيقًا. مرارًا وتكرارًا ، قام بقياس عزم الدوران ، ولحظة القصور الذاتي ، وزوايا انحراف القطب ، وإدخال النتيجة يدويًا في الصيغ بحثًا عن إجابة. وقد وصف عالم الفيزياء الاسكتلندي في ذلك الوقت عمله المنشور في مجلة المعاملات الفلسفية عام 1798 بأنه "نموذج للدقة والمنطق والاختناق". لم تختلف كثافة الأرض التي حسبها كافنديش - حتى مع هذه المعدات القديمة - بأكثر من 1 ٪ من القيم الحالية البالغة 5.513 جم / سم ³ ، أكثر كثافة بخمس مرات ونصف من الماء. إذا ضربنا هذه القيمة في حجم الأرض (حوالي 1.1 * 10 ²⁷ سم ³ ) ، نحصل على حوالي ستة آلاف تريليون تريليون جرام.

اليوم ، يواصل العلماء إجراء تجربة كافنديش الكلاسيكية هذه ، على الرغم من طرق مختلفة تمامًا ولأغراض مختلفة. إنهم يحاولون توضيح قيمة ثابت الجاذبية G ، العامل الأساسي في قانون الجاذبية العالمي لنيوتن $$$F = G \ frac {m_ {1} m_ {2}} {r ^ 2}$ربط القوة مع الكتلة والمسافة. هذا الثابت ليس معروفًا جيدًا مثل الثوابت الأساسية الأخرى ، وتوضيح معناه مهم للغاية ، "حيث أن G يلعب دورًا رئيسيًا في نظريات الجاذبية ، وعلم الكونيات ، وفيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية ، وكذلك في النماذج الجيوفيزيائية" ، كتب غييرمو تينو ، فيزيائي من جامعة فلورنسا في العمل من عام 2014.

أجرى فريقه من العلماء من إيطاليا وهولندا تجربة باستخدام "الذرات المبردة بالليزر ومقياس التداخل الكمومي". وبعبارة أخرى ، من خلال قياس الجاذبية بين سحابة ذرات الروبيديوم واسطوانات التنغستن الثقيلة ، حصلوا على قيمة G تساوي $$ مع خطأ 150 جزء في المليون. هذه القوة هي أضعف التفاعلات الأساسية الأربعة ، والتي تظهر بوضوح قيمتها الصغيرة. من المؤسف أن أتلانتا لم تعد معنا اليوم ، حتى يتمكن من تأكيد اكتشافاتنا.