Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Вопрос о плотности Земли был настолько важен для астрономов, физиков, геологов и топографов, что в 1772 году Королевское общество создало специальный Комитет притяжения с целью измерения плотности Земли. Астроном Невил Маскелайн описал это предприятие как попытку сделать «всемирную гравитацию ощутимой». Комитет, в члены которого входил и Кавендиш, решил испробовать метод с грузилом. В 1775 году Королевское общество профинансировало экспедицию для проведения этого эксперимента – спланированного в основном Кавендишем, но реализованного Маскелайном – к невысокой, но имеющей правильную геометрическую форму горе Шихаллион в Шотландии. Поначалу эксперимент пришлось отложить из-за испортившейся погоды, но после того, как он все-таки был завершен, Маскелайн устроил грандиозный пир для местных фермеров, в ходе которого был выпит сорокалитровый бочонок виски, а вслед за этим случился пожар, возникший по вине самих участников торжества, и дом, в котором они пьянствовали, полностью сгорел. Эта вечеринка вошла в шотландский фольклор, о ней упоминается в одной из гэльских баллад71.

Тем временем в Лондоне некий математик на основе собранных в Шотландии сведений пришел к выводу, что плотность Земли в 4,5 раза превосходит плотность воды, если исходить из того, что отношение средней плотности Земли к плотности горы Шихаллион составляет 9/5 и что плотность горы в 2,5 раза больше плотности воды. Маскелайн получил за свои измерения медаль, а на церемонии ее вручения глава Лондонского королевского общества провозгласил, что ньютоновская система «завершена».

Кавендиш, естественно, ни в каких торжествах и пиршествах участия не принимал и вообще не ездил на Шихаллион. Его, в отличие от Маскелайна и коллег по Лондонскому королевскому обществу, полученный результат совсем не удовлетворил. Откуда им известно, что отношение плотности Земли к плотности горы составляет именно 9/5 и что плотность горы в 2,5 раза больше плотности воды? Без установления точного состава горы и ее размеров все измерения плотности Земли останутся весьма и весьма приблизительными. Кавендиш пришел к выводу, что по-настоящему точные измерения плотности Земли могут быть сделаны только в лаборатории с использованием тел известной формы и состава. Правда, как ему было отлично известно, главная сложность при таком измерении будет заключаться в том, что оцениваемая сила будет чрезвычайно мала. Если великий Ньютон полагал, что даже большая гора неспособна продемонстрировать гравитационную силу значимой величины, то что можно сделать в лаборатории?

Как было ему свойственно, Кавендиш молча обдумывал данную проблему на протяжении многих лет, одновременно работая над другими вещами. Но как-то он упомянул об этом вопросе в разговоре с одним из своих немногочисленных друзей – преподобным Джоном Мичеллом. Мичелл был не только священником, но и довольно известным геологом, изучавшим внутреннее строение Земли. Его приняли в Королевское общество в 1760 году, в том же году, что и Кавендиша. В 1783 году, узнав, что у Мичелла возникли проблемы со здоровьем (а он как раз пытался изготовить телескоп чрезвычайно больших размеров), Кавендиш написал другу:

...

«Если Ваше здоровье не позволяет Вам продолжать начатое предприятие, то, возможно, оно, по крайней мере, позволит Вам заняться значительно менее сложной задачей – взвешиванием Земли»72.

Мичелл, который, подобно Кавендишу, был занят одновременно несколькими экспериментами, потратил десять лет на изготовление устройства для взвешивания Земли, но умер, так и не успев пустить его в дело. В конце концов оборудование оказалось в распоряжении Кавендиша, и тот посвятил несколько лет его усовершенствованию, чтобы добиться большей точности. Наконец осенью 1797 года он приступил к эксперименту. Несмотря на то, что Кавендишу к тому времени было почти шестьдесят семь лет, он взялся за проведение опыта с необычайной энергией и часами проводил наблюдения, с удивительной настойчивостью локализуя источники возможных ошибок и постоянно внося все новые и новые усовершенствования. Результаты его работы были опубликованы в журнале Лондонского королевского общества в июне 1798 года в виде статьи на 57 страницах73. Значительная ее часть была посвящена скрупулезнейшему описанию усилий экспериментатора по отслеживанию всех возможных источников ошибок, и один из комментаторов даже сетовал, что статья «производит впечатление диссертации об ошибках». Начинается же она довольно просто:

...