Mįslė atskleista. Kaip du metaliniai rutuliai padėjo „pasverti“ visą Žemę (VIDEO) ()
1798 m. britų mokslininkas Henry Cavendishas pasiekė tai, kas atrodė neįmanoma – naudodamas du mažus metalinius rutulius, jis nustatė visos Žemės masę. Jo eksperimentas buvo pirmasis, kai buvo „pasverta“ planeta, perkeliant gravitacinius matavimus iš teorijos į praktiką.
© GOKLuLe, CC BY-SA 3.0 | https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cavendish_experiment_3.jpg
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Įsivaizduokite, kad bandote pasverti visą planetą negalėdami jos pastatyti ant jokių svarstyklių. Jau daugiau nei šimtmetį nuo visuotinės gravitacijos dėsnio suformulavimo mokslininkai kovoja su šiuo iššūkiu. 1687 m. Isaacas Newtonas aprašė gravitacijos mechanizmus, tačiau negalėjo pateikti pagrindinės vertės – gravitacinės konstantos G. Be šio parametro jo elegantiška teorija liko matematine abstrakcija, neturinčia praktinio pritaikymo.
Tik XVIII amžiaus pabaigoje, dėl išradingo mažyčių metalinių sferų ir neįtikėtinai tikslių matavimų derinio, buvo nustatyta mūsų planetos masė. Šis pasiekimas atvėrė kelią visos Saulės sistemos struktūros supratimui – nuo atskirų planetų masių iki Saulės tankio. Šio atradimo istorija yra žavi mokslinio ryžto, atsitiktinių išradimų ir tyrėjų, kurie dažnai niekada nematė savo darbo vaisių, bendradarbiavimo istorija.
Kaip pasverti Žemę?
Savo visuotinės gravitacijos dėsnyje Niutonas aprašė traukos jėgą kaip proporcingą masių sandaugai ir atvirkščiai proporcingą atstumo tarp kūnų kvadratui. Matematiškai tai buvo išreikšta formule F=G(M1xM2/D2), kur G žymėjo paslaptingą gravitacinę konstantą. Problema buvo ta, kad Niutonas manė, jog neįmanoma išmatuoti gravitacijos jėgos objektams, mažesniems nei planetos ir mėnuliai. G vertės nežinojimas reiškė, kad jo dėsnis liko gražia, bet nenaudinga teorija.
|
Tuo metu mokslininkams situacija buvo itin varginanti. Jie žinojo gravitacijos principą, bet negalėjo jo išmatuoti laboratorijoje. Tai buvo tarsi turėti svajonių pyrago receptą neturint virtuvinių svarstyklių. 1772 m. Karališkoji draugija įsteigė specialų Traukinių komitetą, kuriam buvo pavesta rasti Žemės tankio nustatymo metodą.
Po dvejų metų Didžiosios Britanijos karališkasis astronomas Nevilas Maskelyne'as stovėjo ant Škotijos Schiehallion kalno šlaito su nepaprasta idėja. Jis iškėlė hipotezę, kad jei kalno masė yra pakankamai didelė, jo gravitacinė trauka turėtų nukreipti švytuoklę nuo vertikalės. Schiehallion kalnas buvo pasirinktas dėl stačių šlaitų ir izoliacijos nuo kitų kalnų grandinių, o tai sumažino kitų gravitacijos šaltinių trukdžius. Tai buvo puiki koncepcija – naudoti gamtos objektą kaip matavimo įrankį.
Maskelyne'as daugelį mėnesių praleido kalno šlaituose, kruopščiai matuodamas švytuoklių nukrypimus abiejose masyvo pusėse. Jis pastebėjo ryškų nuokrypį kalno link, patvirtindamas, kad net ir mažesni už planetas objektai daro išmatuojamą gravitacinę trauką. Kad būtų visiškai sėkmingas, jam vis tiek reikėjo apskaičiuoti kalno tūrį, kad būtų galima įvertinti jo masę.
Ši užduotis teko matematikui Charlesui Huttonui, kuris susidūrė su didžiuliu matavimo duomenų kiekiu. Juos analizuodamas, jis sugalvojo idėją, kuri amžiams pakeitė kartografiją. Jis sugrupavo panašaus aukščio taškus ir sujungė juos linijomis, sukurdamas netaisyklingų žiedų seriją – taip išrasdamas kontūrines linijas, kurios iki šiol išlieka pagrindiniu topografinių žemėlapių elementu. Kartais didžiausi atradimai kyla iš poreikio spręsti visiškai kitas problemas.
1775 m. Maskelyne'as pristatė savo tyrimų rezultatus Karališkajai draugijai. Jo įvertinimas atitiko šiuo metu priimtą Žemės masės vertę, maždaug 5,97 x 1024 kg, ne daugiau kaip 20 procentų paklaida. Tai buvo reikšmingas patobulinimas, palyginti su ankstesniais bandymais, tačiau tiesioginio gravitacinės konstantos matavimo vis dar trūko.
Geologas kunigas Johnas Michellas dirbo spręsdamas šią problemą, sukonstruodamas specialų aparatą gravitacijai tarp mažų objektų matuoti. Deja, jis mirė nebaigęs eksperimento. Jo įranga atiteko Henry Cavendishui, kuris 1797 m. ėmėsi užbaigti savo pirmtako darbą.
Nepaprastai tikslus matavimas prieš 200 metų
Cavendisho metodas išsiskyrė elegantišku paprastumu. Jis naudojo dvi mažas metalines sferas, virvele pakabintas ant subtilios švytuoklės. Kai jis priartino didesnes sferas viena prie kitos, jų abipusė gravitacinė trauka priversdavo siūlą susisukti. Išmatavęs šį mikroskopinį susisukimą ir žinodamas sferų mases bei atstumus tarp jų, jis pagaliau galėjo apskaičiuoti gravitacijos konstantos G vertę.
Tai buvo tikras mokslinis proveržis. Pirmą kartą istorijoje tyrėjai galėjo išmatuoti gravitacijos jėgą tarp objektų kontroliuojamomis sąlygomis. Jėgų sąryšio analizė atskleidė Žemės masę – maždaug 5 974 000 000 000 000 000 000 000 kg.
Žinodami Žemės masę, mokslininkai suprato visą Saulės sistemą. Dėl Niutono dėsnio ir gravitacijos konstantos jie galėjo apskaičiuoti planetų, jų mėnulių ir net Saulės mases. Cavendisho eksperimentas, nors ir atliktas mažoje laboratorijoje naudojant mažytes metalines sferas, leido mums pasverti objektus, esančius už milijonų kilometrų.
Šiandien žinome, kad Žemės masė yra tiksliai 5,972 x 1024 kg. Cavendisho matavimai buvo stebėtinai tikslūs, atsižvelgiant į to meto technines galimybes. Be to, jo metodas padėjo pamatus vėlesniems gravitacijos tyrimams, kurie galiausiai lėmė Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Kartais fundamentaliausiems mokslo atradimams reikia ne didelių teleskopų ar dalelių greitintuvų, o išradingo sumanymo ir tikslių mažų objektų matavimų kontroliuojamomis sąlygomis.
![[ŽT] „Štai kodėl mes turime 24 val. per parą ir 60 min. per valandą...“ (Foto)](/photo/202508/30/10/thumb_323850__Capture.JPG)