世界的质量

1. 另一种测量地球质量的方法

约翰·米切尔（John Michell，1724年－1793年，英国牧师兼自然哲学家、地震学之父、测磁学之父）原本是剑桥大学的地质学教授，负责讲授算术、几何、神学、哲学、希伯来语和希腊语，不过37岁的时候，他离开剑桥前往约克郡的桑希尔，成了圣米迦勒与诸天使教堂的院长。米切尔可能是想为自己的科研工作争取更多的时间和金钱，所以才接下了这份报酬颇为优厚的工作。1784年，他在一封写给皇家学会的信里首次提出了黑洞的设想。他还设计制造了一台测量地球质量的设备，但从未真正亲自动手测过。1793年，米切尔去世了。在此之前，他把这台设备留给了他的朋友亨利·卡文迪许。

亨利·卡文迪许的性格颇为怪异，如果他生在今天，我们或许会说他有点自闭。卡文迪许的祖父和外祖父都是公爵，家资颇丰，他甚至在英国伦敦克拉珀姆公地的家里建造了自己的实验室。据说卡文迪许是有史以来最富裕的学者，当然，他或许也是富人中最有学问的那一个。

亨利·卡文迪许

2. 沉默的天才

卡文迪许总是穿着一件皱巴巴的紫色外套，戴着黑色的三角帽。他特别害羞，不愿意跟人打交道。每次不得不开口说话的时候，他的语气总是有些迟疑，音调也高得吓人，所以他很少说话。一位同行曾经评价说，卡文迪许一辈子说的话可能比特拉普会的修士还少，众所周知，这个教派以沉默寡言闻名。参加皇家学会会议的时候，他也总是一言不发。

1766年，卡文迪许成功分离了氢气——这是人类有史以来得到的第二种纯净气体——他发现这种气体轻而易燃，与空气混合后会发生爆炸。氢气爆炸的唯一产物是水，卡文迪许由此推断，水的化学式应该是H2O。他把这个结果告诉了詹姆斯·瓦特。1783年，瓦特发表了这项成果。

3. 称量世界

卡文迪许装好了米切尔的设备，准备测量地球的质量，验证20年前马斯基林测得的结果。实际上，卡文迪许的实验比马斯基林的更加简单精确，他用铅球取代了山作为引力的来源。

卡文迪许用一根很长的细绳将6英尺（约1.8米）长的木杆水平悬挂起来，木杆两头各有一个直径5厘米、重1.61磅（约0.73千克）的铅球。每个铅球的逆时针方向9英寸（约23厘米）处又各放置了一个直径12英寸（约30厘米）、重350磅（约159千克）的大铅球。

大球对小球的引力会让小球发生偏转，于是木杆也会随之旋转；当细绳产生的扭力正好等于小球受到的引力时，木杆将保持平衡。卡文迪许知道小球的重量——也就是地球对小球的引力。如果能够测量大球对小球的引力，那么就能算出地球的质量与大球质量的比值。

原理图

细节特写

4. 灵敏的设备

整套设备需要静置几个小时才能稳定下来，这个实验非常精密，气温的细微变化和微弱的气流都可能影响结果。所以卡文迪许把实验设备安装在专门的房间里，通过外部的控制设施进行调整，然后利用望远镜透过窗户观察结果。

小球稳定下来以后，卡文迪许记录下它们的位置，然后将大球移动到小球的另一侧，于是小球开始朝反方向旋转。小球再次稳定下来以后，卡文迪许发现，它们只移动了0.16英寸（约4.1毫米）。测量结果非常精确，足以让卡文迪许算出大球的引力。

实际上，大球的引力很小——大约只有15毫微克，相当于一小粒沙子的质量——但这已经够了。卡文迪许细心地排除了任何可能的误差，由此算出地球的平均密度大约是水的5.4倍，他得到的地球质量和我们今天公认的结果（千克）非常接近。

现在，物理系的学生经常会做这个实验，虽然最初的想法和设备都来自约翰·米切尔，但人们仍将它命名为“卡文迪许实验”，因为是他首次实施了这个实验。

选自《薛定谔的猫》（Schrodinger's Cat） 作者：（美）亚当·哈特-戴维斯 (Adam Hart-Davis)