书城科普读物宇宙到底有多重
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第4章 地球的最新质量

很久以来,人们都想知道地球到底有多重。可是,该用多大的秤来称量地球呢?就算有这样的秤谁又能扛动?就算能扛动,人该站在什么地方呢?

阿基米德有一句名言:给我一个支点,我能撬动地球。他是用这句话来说明杠杆定律的,但是,如果那时他知道地球的质量的话,可能就不会发出此豪言壮语了。

伟大的科学家牛顿发现了著名的万有引力定律,找到了测量地球质量的途径。根据万有引力定律,两个物体间引力的大小与物质的质量成正比,与距离的平方成反比,比值恒定为一个常数,这就是引力常数。因为人们早已准确地知道了地球的大小,只要精确地测出引力常数值,就能计算地球质量。不过,由于没有精密的测量仪器,牛顿的尝试没有成功。

英国科学家卡文迪什用改进的扭力天平完成了测量。扭力天平的构造是,在一根木棒的两端分别系上金属小球,像一个哑铃那样,然后把它悬挂在一根金属丝上。两个小球的旁边对称放置两个铅球,铅球与小球间的引力使哑铃转动,金属丝扭曲。哑铃两臂末端和大球侧面均装有刻度标尺,这样便可测出细微扭曲的大小。为了不受空气流的干扰,扭力天平被置于空屋中。由于引力很小,扭曲也非常小,准确测量十分困难。为了便于观察,卡文迪什用反光镜将细微的扭曲放大,从而使天平的灵敏度大大提高。在1798年,卡文迪什第一个测出了地球的质量,得到的数值是6.0×1024kg,当今科学家测量出的地球质量为5.978×1024kg,两者之差只有0.22×1024kg,其准确度相当高。卡文迪许也因此被誉为“第一个称出地球的人”,卡文迪什的扭力天平实验被称为科学史上最美丽的物理学实验之一。

地球的质量确定后,科学家也用万有引力定律来测定太阳和其他行星的质量。地球和太阳之间的万有引力就等于引力常数与太阳质量和地球质量的乘积,再除以地球和太阳两者之间距离的平方,这一引力与地球赤道附近使地球环绕太阳旋转的向心力相等。该向心力等于地球质量乘以速度的平方再除以地球到太阳的距离。利用天文学家测得地球至太阳的距离,就可以得出地球围绕太阳旋转的速度,从而计算出太阳的质量。

假设阿基米德的臂力使他可以直接举起60kg(准确地说是59.78kg)的物体,要以杠杆撬动地球,长臂为短臂的1023倍。因此阿基米德仅仅移动地球1mm,就需要站在1020m之外了,这么远的距离即使光也要走1万年。

最近,美国的一个研究小组仿效18世纪科学家所做的扭力天平,重新测量了引力常数,得出的地球质量为5.972×1024kg,地球似乎变轻了少许。