如何用金属小球给地球称重？
新发现杂志
9小时前
竟有研究人员通过测量金属小球受到的重力，来推算地球的质量？但早在200多年前，已有人进行了尝试。那么，科学家今天这么做又是为了什么？
约200年前，英国科学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）萌生了一个奇怪的想法：用金属小球给地球称重。
卡文迪许金属球给地球称重
今天，我们之所以再次提及此事，是因为奥地利研究人员推出了此实验的微观版本。未来，它有可能大大改变人们对无穷小的认知。但现在，回到卡文迪许的实验上。你一定很想知道地球和金属小球这两种截然不同的物体之间究竟有什么关联吧？
事情还要从牛顿说起。1687年，这位英国物理学家提出了他的引力理论：所有具有质量的物体都对其周围的物体具有吸引力。
在牛顿看来，这一规律具有普适性，引力与物体的体积和密度无关，只取决于它们的质量、间距，以及一个被称为“引力常量”（gravitational constant）的系数。
一个多世纪后，卡文迪许于1798年有了一个奇妙想法：在已知金属小球质量的前提下，通过测量小球受到的引力，推算引力常量的值。在掌握该值且了解地球重力强度的基础上，卡文迪许运用牛顿公式，倒推当时还不为人知的地球质量。
但是，说起来容易做起来难。由于日常物体的引力极其微弱，必须使用特别重的物体才能奏效。当时，卡文迪许用了一个质量达数百千克的铅球，得出的结果仅有1%的误差！
D鉴于地球的质量在6×10^24千克左右，卡文迪许计算出的地球质量误差换算成千克仍是天文数字，但该实验已然算得上是一个壮举。
随着时间的推移，实验的规模不断缩小，但原理不变。当悬挂着的小球感受到附近物体的吸引时，会拖着连接它的横杆移动。通过测量旋转角度，研究人员可以得出位移的大小和引力的强度。
这一次，奥地利研究人员使用了直径仅为2毫米的金球，质量不足0.1克！在测得引力的大小之后，他们按照卡文迪许的方法估算出引力常量的值。这么做只为再一次测算地球质量？基于他们的测量结果计算出的地球质量与已知的地球质量之间存在10%的误差。虽然这一误差看起来很大，却是人们第一次探得如此轻的物体所能产生的微弱吸引力。
奥地利研究人员在真空装置中进行实验。
为确保实验的成功，研究人员设计了一些保护设施来抵御外界的一切干扰，尤其是物体的质量越轻，外界的干扰越大。所以，实验必须在真空中进行，装置下方需安装弹簧，以起到减震的作用。此外，实验选在圣诞假期的夜间进行，因为那时街上的车流量较少，震动较少。
超越无穷的普适定律
事实上，科研人员之所以将小球放入实验装置，并不是为了计算地球的质量，而是为了验证引力定律是否真的具有普适性。
如今，科学家对它在人类世界尺度或宇宙尺度上的普适性已经没有什么大疑问了。毕竟，正是这一定律帮助我们发射了不计其数的卫星和太空探测器。但无穷小的世界是截然不同的，有其特有的物理定律，丝毫不将牛顿和他的引力公式放在眼里。
不过，物理学家们依然相信，存在一个唯一的定律，能解释从原子到全宇宙的一切物理现象。但是，想要发现这一定律，就必须将引力逼入绝境。
如果这场小球实验能在更小的规模上实现更高的精度，研究人员将触及足以否定牛顿力学的尺度，最终找到统一无穷小和无穷大的方法。届时，科学将向物理学终极公式前进一大步。
撰文 Matthieu Lefrançois
编译 王隽