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亨利·卡文迪许是一个怪人。他从不直接与陌生人交谈,而且非常害怕女性。他在他房子的后面建了一个楼梯,以避免与他雇用的女士们有任何接触。当他到了在剑桥大学完成自然哲学学位(在现代科学和专业学位出现之前,他们称之为科学学位)的最后口试时,他宁愿完全退学,也不愿公开讲话。
但是,在这些怪癖之下,亨利·卡文迪许是18世纪最聪明的人之一。他是一位成就卓著的化学家和物理学家,为电气研究做出了重大贡献。
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但他最伟大的成就,也是他最出名的地方,是他设计了第一个在实验室中测量物体之间微小引力的实验。
引力是宇宙中四种基本力中最弱的。1687年,艾萨克·牛顿爵士提出了他的万有引力定律,该定律认为所有具有质量的物体都会相互吸引,吸引力的大小取决于它们的质量和彼此之间的距离。当我们考虑月球围绕地球的轨道或地球对太阳的吸引力时,这种吸引力非常明显。但牛顿也说,较小的物体,如椅子或铅笔,也有引力。我有引力。你也有引力。你的电脑屏幕有引力。你的伴侣也有引力(也许这就是你如此被他/她吸引的原因)。
卡文迪许用扭秤证明了这一点,扭秤是一个水平悬挂的木杆,每端都有一个小铅球。两个大铅球固定在离小铅球9英寸的地方。当扭秤被释放并允许自由移动时,铅球会受到引力的吸引。
看看弗吉尼亚州阿灵顿县主教奥康奈尔高中的一组 AP 物理学生,他们在 200 多年后用略有不同的材料重新创建了一个简化版的实验
经过一年多的观察,卡文迪许证实,悬挂的铅球总是会加速向大铅球移动。他认为这种加速度是小尺度上的引力造成的。
当然,这个引力的绝妙演示只是卡文迪许测量地球密度的最终目标的序曲,他通过使用从实验中获得的测量结果并将它们应用于牛顿的万有引力定律而成功地做到了这一点。事实上,他用木棒和铅球计算出的地球密度数据与今天公认的数据相差不到 1%——这个数据是用比卡文迪许当时拥有的设备先进得多的设备获得的。
卡文迪许于 1798 年在《英国皇家学会哲学汇刊》杂志上发表了他的研究结果。
所以,如果我有一个引力,你有一个引力,那么为什么我们所有人的周围没有自己小小的太阳系呢?因为,我们生活在引力王牌上。我们所散发的任何引力与地球巨大的引力相比都微不足道,地球的质量明显大于任何生活在其上的物体。
卡文迪许的实验从牛顿物理学的角度对任何具有质量的物体上的引力进行了精彩的演示。爱因斯坦的广义相对论,现代引力理论,通常用于更大的质量(想想黑洞)和尺寸尺度(想想两个相互环绕的恒星)。但对于你我每天遇到的大多数情况,牛顿和卡文迪许的观察结果足以让我们感到惊奇。