Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Одной из таких вещей была наша планета. Эксперимент Кавендиша, проведенный в 1797–1798 годах для определения плотности Земли, стал одним из шедевров ученого, и его фанатическое стремление к точности достигло здесь своего апогея. Ученый сделал массу других открытий, но именно этот эксперимент вошел в историю под названием «эксперимента Кавендиша».

Experimentum crucis Ньютона был тем, что историки науки именуют экспериментом-открытием, так как с его помощью была открыта новая и неожиданная характеристика окружающего нас мира в той области, где научная теория тогда была достаточно слаба. Кроме того, Ньютон выделил его из целой серии экспериментов и сделал чем-то вроде специальной демонстрации, показательной для всех остальных его исследований.

Эксперимент Кавендиша был чисто измерительным экспериментом, главной особенностью которого является высочайшая степень точности. Помимо прочего, он не был частью серии экспериментов и основывался на относительно хорошо проработанном теоретическом базисе. Свое истинное значение он приобрел лишь спустя определенное время. Если целью Кавендиша было измерение плотности, или «веса» Земли, то ученые, приводившие закон гравитации Ньютона в его более точную современную форму, обнаружили, что эксперимент Кавендиша является превосходным способом измерения значения чрезвычайно важной величины G

– универсальной гравитационной постоянной.

* * *

Путь, который привел Кавендиша к великому эксперименту, начался, как бывало с ним довольно часто, с вопроса о точности – в данном случае о точности географических инструментов. В 1763 году английского астронома Чарльза Мейсона и топографа Иеремию Диксона командировали в Новый Свет для разрешения давнего пограничного спора между двумя британскими колониями – Пенсильванией и Мэрилендом. Результатом этой поездки стало проведение линии Мейсона – Диксона – важной границы в истории Соединенных Штатов, символически отделявшей рабовладельческий Юг от свободного Севера. Кавендиш задался вопросом, насколько точна была работа картографов. Ведь Аллеганский горный массив, расположенный к северо-западу от линии, должен был оказывать определенное гравитационное воздействие на измерительные приборы Мейсона и Диксона, и это воздействие не могло быть компенсировано эквивалентной массой с юго-востока: там простирается Атлантический океан, а вода обладает гораздо меньшей плотностью, чем любая горная порода.

Разница в плотности гор и океанов навела Кавендиша на мысль о средней плотности Земли в целом – предмет, который мог представлять интерес не только для топографов, но и для ученых многих других специальностей, включая физиков, астрономов и геологов.

Согласно Ньютону, гравитационное притяжение между двумя телами прямо пропорционально их плотности. По относительному гравитационному притяжению, которым обладают астрономические тела по отношению друг к другу, можно узнать их относительную плотность. Ньютон, к примеру, рассчитал, что плотность Юпитера составляет четвертую часть плотности Земли. И, основываясь на относительной плотности материи на поверхности Земли и в шахтах, Ньютон высказал поразительно точное предположение о ее плотности. Он писал: «…правдоподобно, что все количество вещества Земли приблизительно в пять или шесть раз больше того, как если бы она вся состояла из воды»69. Однако в тот момент никто не располагал способами измерить Землю. Для этого необходимо было измерить притяжение между двумя объектами известной плотности. Отношение величины притяжения между такими объектами к их плотности можно было бы сравнить с отношением величины притяжения между ними и Землей и таким образом определить общую плотность Земли. Однако тела, с которыми можно было работать в лабораторных условиях, обладали настолько незначительной гравитацией, что Ньютон и его коллеги считали невозможными их измерения.

Альтернативный метод заключался в том, чтобы измерить, с какой силой большая масса земли известной плотности (как, например, геометрически более или менее правильная и геологически однородная гора) воздействует на небольшой объект, например на подвешенное грузило, отклонения которого от вертикального положения могут быть точно измерены. Однако измерения, проведенные самим Ньютоном, его разочаровали: «Незаметно какого-либо ее [силы тяжести] уменьшения на вершинах даже самых высоких гор», – писал он70.