如何用金屬小球給地球稱重？_風聞

竟有研究人員通過測量金屬小球受到的重力，來推算地球的質量？但早在200多年前，已有人進行了嘗試。那麼，科學家今天這麼做又是為了什麼？

約200年前，英國科學家亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）萌生了一個奇怪的想法：用金屬小球給地球稱重。

卡文迪許金屬球給地球稱重

今天，我們之所以再次提及此事，是因為奧地利研究人員推出了此實驗的微觀版本。未來，它有可能大大改變人們對無窮小的認知。但現在，回到卡文迪許的實驗上。你一定很想知道地球和金屬小球這兩種截然不同的物體之間究竟有什麼關聯吧？

事情還要從牛頓説起。1687年，這位英國物理學家提出了他的引力理論：所有具有質量的物體都對其周圍的物體具有吸引力。

在牛頓看來，這一規律具有普適性，引力與物體的體積和密度無關，只取決於它們的質量、間距，以及一個被稱為“引力常量”（gravitational constant）的係數。

一個多世紀後，卡文迪許於1798年有了一個奇妙想法：在已知金屬小球質量的前提下，通過測量小球受到的引力，推算引力常量的值。在掌握該值且瞭解地球重力強度的基礎上，卡文迪許運用牛頓公式，倒推當時還不為人知的地球質量。

但是，説起來容易做起來難。由於日常物體的引力極其微弱，必須使用特別重的物體才能奏效。當時，卡文迪許用了一個質量達數百千克的鉛球，得出的結果僅有1%的誤差！

D鑑於地球的質量在6×10^24千克左右，卡文迪許計算出的地球質量誤差換算成千克仍是天文數字，但該實驗已然算得上是一個壯舉。

隨着時間的推移，實驗的規模不斷縮小，但原理不變。當懸掛着的小球感受到附近物體的吸引時，會拖着連接它的橫杆移動。通過測量旋轉角度，研究人員可以得出位移的大小和引力的強度。

這一次，奧地利研究人員使用了直徑僅為2毫米的金球，質量不足0.1克！在測得引力的大小之後，他們按照卡文迪許的方法估算出引力常量的值。這麼做只為再一次測算地球質量？基於他們的測量結果計算出的地球質量與已知的地球質量之間存在10%的誤差。雖然這一誤差看起來很大，卻是人們第一次探得如此輕的物體所能產生的微弱吸引力。

奧地利研究人員在真空裝置中進行實驗。

為確保實驗的成功，研究人員設計了一些保護設施來抵禦外界的一切干擾，尤其是物體的質量越輕，外界的干擾越大。所以，實驗必須在真空中進行，裝置下方需安裝彈簧，以起到減震的作用。此外，實驗選在聖誕假期的夜間進行，因為那時街上的車流量較少，震動較少。

超越無窮的普適定律

事實上，科研人員之所以將小球放入實驗裝置，並不是為了計算地球的質量，而是為了驗證引力定律是否真的具有普適性。

如今，科學家對它在人類世界尺度或宇宙尺度上的普適性已經沒有什麼大疑問了。畢竟，正是這一定律幫助我們發射了不計其數的衞星和太空探測器。但無窮小的世界是截然不同的，有其特有的物理定律，絲毫不將牛頓和他的引力公式放在眼裏。

不過，物理學家們依然相信，存在一個唯一的定律，能解釋從原子到全宇宙的一切物理現象。但是，想要發現這一定律，就必須將引力逼入絕境。

如果這場小球實驗能在更小的規模上實現更高的精度，研究人員將觸及足以否定牛頓力學的尺度，最終找到統一無窮小和無窮大的方法。屆時，科學將向物理學終極公式前進一大步。

撰文 Matthieu Lefrançois

編譯 王雋