Làm thế nào để cân Trái Đất bằng những quả cầu kim loại?

Khoảng 2 thế kỷ trước, nhà khoa học người Anh Henry Cavendish đã nảy ra một ý tưởng độc đáo: cân Trái Đất bằng những quả cầu kim loại nhỏ.

Trong số các công trình nghiên cứu của Cavendish, nổi bật nhất là thí nghiệm giúp ông xác định khối lượng Trái đất. Thí nghiệm này ngày nay được biết đến với tên gọi là 'Thí nghiệm Cavendish'. Và hôm nay chúng ta sẽ nhắc lại tới thí nghiệm này một lần nữa, nhưng ở một phiên bản siêu nhỏ được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu của Áo.

Trước hết, chúng ta hãy quay lại với thí nghiệm Cavendish. Chắc chắn nhiều người sẽ tự hỏi mối liên hệ giữa hai vật thể hoàn toàn khác biệt - Trái Đất và quả cầu kim loại là gì?

Nó bắt đầu với Newton. Năm 1687, nhà vật lý người Anh đưa ra lý thuyết về lực hấp dẫn của mình: Mọi vật thể có khối lượng đều có lực hút các vật thể xung quanh chúng.

Theo quan điểm của Newton, định luật này là phổ quát, lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng, khoảng cách và một hệ số được gọi là 'hằng số hấp dẫn' (gravitational Constant).

Hơn một thế kỷ sau, Cavendish có một ý tưởng tuyệt vời khác vào năm 1798: trên tiền đề rằng khối lượng của quả cầu kim loại đã được biết, giá trị của hằng số hấp dẫn có thể được tính bằng cách đo lực hấp dẫn lên quả cầu. Trên cơ sở nắm vững giá trị này và biết cường độ của lực hấp dẫn của Trái Đất, Cavendish đã sử dụng công thức Newton để suy ra khối lượng của Trái Đất khi đó chưa được biết đến.

Tuy nhiên, điều này nói thì dễ hơn làm. Vì lực hấp dẫn của các vật thể bình thường là cực kỳ yếu, nên nó sẽ phải sử dụng các vật cực nặng để hoạt động. Khi đó, Cavendish đã sử dụng một viên chì có khối lượng hàng trăm kg, và kết quả mà ông tính toán ra chỉ có chỉ sai số là 1%!

Theo những tính toán của mình, Cavendish cho rằng khối lượng của Trái Đất là khoảng 6 × 10 ^ 24 kg, sai số tính toán của Cavendish về khối lượng của Trái Đất khi tính bằng kg vẫn cực kỳ lớn, nhưng ở thời điểm đó, việc thực hiện thí nghiệm và tính toán được như vậy đã là một điều không tưởng.

Theo thời gian, quy mô của cuộc thử nghiệm đã được giảm bớt, nhưng nguyên tắc vẫn được giữ nguyên. Khi những quả cầu được treo lơ lửng bị thu hút bởi một vật ở gần, nó sẽ kéo thanh nối với nó để di chuyển. Bằng cách đo góc quay, các nhà nghiên cứu có thể suy ra độ lớn của độ dịch chuyển và độ lớn của lực hấp dẫn.

Lần này, các nhà nghiên cứu Áo đã sử dụng một quả cầu vàng có đường kính chỉ 2 mm và khối lượng chưa đến 0,1 gam! Sau khi đo độ lớn của lực hấp dẫn, họ ước tính giá trị của hằng số hấp dẫn theo phương pháp của Cavendish. Trên thực tế, thí nghiệm này lại có sai số lên tới 10% giữa khối lượng của Trái Đất được tính toán và khối lượng của Trái Đất đã biết. Mặc dù sai số này có vẻ lớn, nhưng đây là lần đầu tiên người ta phát hiện ra lực hút yếu mà một vật thể nhẹ như vậy có thể tạo ra.

Để đảm bảo thành công của thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một số phương tiện bảo vệ để chống lại mọi sự can thiệp từ bên ngoài, đặc biệt là vật thể có khối lượng càng nhẹ thì sự can thiệp từ bên ngoài càng lớn. Vì vậy, thí nghiệm phải được thực hiện trong chân không, và một lò xo cần được lắp dưới thiết bị để đóng vai trò giảm chấn. Ngoài ra, thử nghiệm được thực hiện vào đêm lễ Giáng sinh, khi ít xe cộ qua lại và ít rung lắc hơn trên đường phố.

Trên thực tế, lý do khiến các nhà nghiên cứu đưa quả cầu nhỏ như vậy vào thiết bị thí nghiệm không phải để tính toán khối lượng của Trái Đất, mà là để xác minh xem định luật hấp dẫn có thực sự phổ quát hay không.