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朋友们,有没有蹲在体重秤上纠结过数字的时候,突然灵光一闪——地球又不能扔上秤,人类是咋知道它有多重的?
难不成问老天爷:“您好,麻烦报一下体重,谢谢?”
别急,这背后可是一出糅合了天才脑洞、物理定律和“强迫症式”精细操作的大戏。且听我慢慢道来。
我们要认清一个现实:以人类目前的科技,造不出能托起地球的秤。但这可难不倒聪明的科学家们:直接称不行,那我们可以“旁敲侧击”啊!
任何有质量的物体都有引力
这里的关键突破口,就是牛顿的万有引力定律。它不仅解释了苹果为啥会砸到头,还告诉我们:任何两个物体之间都存在相互吸引的力,其大小与它们的质量乘积成正比,与距离的平方成反比。
用“人话”说就是:
你吸引着地球,地球也吸引着你(虽然你感觉不到,但这是真的!)。
地球的质量越大,它对你的“拉扯”就越强(也就是你的体重越重)。
所以,只要我们精确测出地球对你(或任何一个物体)的引力有多强,就能反推出地球的质量。
曹冲称象
打个比方,你虽然没法直接称一头大象,但如果你把它放在一个弹簧床上,记下床被压下了多少厘米,然后你再踩上去,测出弹簧被压了多少厘米,由于你的体重是已知的,这样就可以算出,弹簧每压缩一厘米受到了多少力,根据这个数据你就能算出大象的重量。
比如,你的体重是50千克,你踩上去弹簧压缩了0.1厘米,那么这个弹簧床的压缩系数就是50千克/0.1厘米,也就是500千克/1厘米
这时让大象踩上去,弹簧床被压缩了2厘米,那么大象的体重就是1000千克,也就是一吨。
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同理,只要我们计算出每单位质量的引力大小,比如一千克质量的引力是多少,然后再测量出地球对一个物体产生了多少引力,就能反推出地球的质量了。
既然方法知道了,接下来就可以给地球“称重”了

首先,我们要随意测量两个已知质量的引力,然后算出每单位质量的引力大小。
比如说两个铅球之间的引力。
卡文迪许
1797年,英国科学家亨利·卡文迪许进行了一场名为“扭秤实验”的经典测量。
他用一根轻而坚硬的横杆,两端各挂着一个小铅球,整个横杆用一根极细的石英丝悬吊起来。这就像一个极其敏感的“哑铃”。
另外两个大铅球,可以分别移动到靠近小铅球的位置。
扭秤实验
当大铅球靠近小铅球时,它们之间存在的微小万有引力,会使横杆发生极其微小的转动。
石英丝会抵抗这个转动,其扭转的程度与引力的大小成正比。
通过测量石英丝扭转的角度,就能推算出两个铅球之间的引力大小。
最终,他成功测量了铅球间的微小引力,并计算出了万有引力常数G,约6.67430×10⁻¹¹ N·m²/kg²
这个G就是每单位质量所产生的引力大小。
卡文迪许扭秤实验
接下来,只需要测出地球对任何已知质量物体的引力(方法同上类似)再代入万有引力公式就能够计算出地球的质量啦!
简单的说就是,我们知道了每千克质量的引力大小,然后又知道了地球的引力大小,那么其质量不就手拿把掐!
卡文迪许在18世纪末用简陋的仪器就计算出地球的质量约为6.0 × 10²⁴ 千克(60万亿亿吨!)。这与现代测量值5.97 × 10²⁴ 千克惊人地接近!
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如今,我们有了更精密的技术,比如用超导材料制造无摩擦的悬浮体,或用激光干涉仪测量微乎其微的位移。我们甚至可以通过跟踪人造卫星的轨道来精确分析地球的引力场,从而更精确地计算质量。
但所有这些方法的核心思想依然没变:通过测量引力来反推质量。卡文迪许在200多年前奠定的基础,至今仍然是物理学的基石。
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