称地球的人

从实验的作用上，我们可以清楚地看到实验是科学发展的重要推动力量。那么，如何才能做好实验呢？

在科学研究中，要进行好一项实验，首先必须搞好实验设计。纵观科学发展史上浩如烟海的实验，其成功和失败的关键常常就在实验设计这一环节上。

任何科学实验都是按照计划和目的进行的。实验之前，科学工作者要对如何安排实验、使用哪些仪器设备、怎样突出主要因素以及可能得出的实验结果进行周密的思考，也就是对实验进行设计。实验设计必须以一定的科学原理为依据，设计方案还要切实可行。下面的例子可以大体上向我们展示一下实验设计是如何进行的。

地球有多重呢？

在历史上不知有多少人思考过这个问题！要想知道某一件东西的重量，只要放到秤上称一称就行了。这对于不太大的物体来说是一件很容易的事情。在曹植称象的故事里，就是像大象这样的庞然大物也可以通过间接的办

法称出其重量来。可是对于地球来说，事情就不这么简单了。根据杠杆原理，在地球上企图称出地球的重量，就像一个人抓住自己的头发把自己提起来一样困难。也许有人幻想，我们可以站到其它星球上来称地球，可是到哪里去找如此大的秤和秤砣呢？不会像曹植称象那样，间接地称量地球吗？可我们又到哪里去找负载地球的大船和海洋呢？

因此，要想设计一个用秤像称东西那样去称地球的实验，几乎是不可想象的！

在否定了用秤去称量地球的想法后，有些科学家曾提出利用质量等于体积乘以比重的公式来计算地球重量的办法。在地球体积已知的情况下，只要求出构成地球物质的比重，不就可以求出地球的重量吗？

这个想法看上去是合理的，但是科学家们很快就发现，这也是不可行的。因为构成地球的各种物质的比重不同，在整个地球中所占的比例又不知道，因此，无法知道整个地球的平均比重是多少。

难道地球的重量对于人类来说，永远是个未知数吗？

在牛顿发现万有引力以后，情况有了转机。牛顿看出，利用万有引力公

式，即：F＝G m1 m2 ，就可以求出地球的质量。因为从公式中可以

r 2

发现，只要知道地球对一个已知质量（m2）的物体的吸引方（F）、地球和物体的距离（r）以及万有引力常数（G），那么由公式就能算出地球的质量（m1）。在当时，只有 G 还不知道。因此，只要把 G 测量出来，就能算出地球的质量。

这样，称量地球重量的问题就转化为测量 G 的问题了。如何测量 G 呢？根据万有引力定律，只要测量出两个已知质量的物体相隔一定距离的吸引力，就能计算出 G 值。由此可见，地球称量问题通过 G 为中介就转化为测量引力大

小的问题。

牛顿精心设计了实验，想测出两个物体之间的引力。可是他发现，物体间的引力太小了，以至根本测量不出来。牛顿曾进行过多次实验，但是都失败了。

牛顿去世以后，科学家沿着牛顿的思路，继续探索新的设计方案。1750 年，有位科学家爬上了陡峭的山顶，沿着悬崖吊下一根垂线，线的下面拴着一个铅球。他设想只要测出它们受到山的引力而偏离的距离，就可以根据山的质量和铅球的质量求出“万有引力常数 G”。可是，由于引力实在太小了，铅球垂线的偏离距离几乎测不出来，实验仍然没有成功。由于许多著名的科学家在测量引力时都失败了，所以，人们便断言：引力是不可能被测出来的，地球的重量也是无法知道的。

在科学禁区面前，有的人止步了，但也有人敢于闯进去，英国的卡文迪什就是其中的一个。

从青年时代起，卡文迪什立志要称出地球的重量。他认真分析了牛顿等人失败的原因后，认为实验设计思想是正确的，前人之所以失败主要是实验设计得不够精巧，以至没法将微小的引力反映出来。他决心设计一个非常灵敏的实验。

有一天，卡文迪什听说剑桥大学的米歇尔在测定磁力的时候，设计了一个巧妙的实验，可以观察到很小的力的变化。卡文迪什就立刻赶去向他请教。米歇尔的实验方法是这样的：用一根石英丝把一块条形磁铁横吊起来，然后用另一块磁铁去作用它，这时候石英丝就发生了扭转，磁铁之间作用力的大小就可以清楚地看出来，卡文迪什观看了这种灵巧的实验方法后，就想能不能用这个方法测出两个物体之间的引力呢？

经过认真地构思后，他设计了一套实验装置。他把一个轻而坚固的 T 形架，倒挂在一根石英丝的下端，在 T 形架水平杆的两端各装上一个小铅球。实验装置做好后，卡文迪什用两个大铅球分别移近两个小铅球，由于铅球之间存在吸引力，T 形架就会发生摆动，石英丝也会随着扭动，只要测出石英丝扭转程度的大少，就可以进一步求出引力。

可是，卡文迪什进行了许多次实验。却都没有看到哪怕是极其微小的扭动。问题出在哪里呢？根据万有引力定律，石英丝肯定会发生扭转，看来问题主要在于扭转的程度太微小了，仅靠肉眼是观察不出来的。怎样才能加大扭转的幅度呢？显然，通过增加铅球的重量或缩短铅球之间距离的办法是不现实的。可是除此之外，又该怎么办呢？经过长期的思考，卡文迪什还是一筹莫展。

有一天，他看到几个小孩正在闹着玩。他们每人手里都拿着一面小镜子，用来反射太阳光，互相照着玩。卡文迪什看到，只要小镜子稍微一动，远处点光就会移动很大的一段距离。卡文迪什看着看着，忽然一个念头闪过他的脑海，他赶快跑回实验室，对自己的实验装置进行了改进。他把一块小平面

镜固定在 T 形架的竖直杆上。用一束光线去照射它，光线再被镜子反射到一根刻度尺上。这样，只要石英丝有微小的扭动，反射光点就会在刻度尺上有明显的位置变动。就这样，卡文迪什通过一个附加的小镜子，使扭动的程度放大了。这就是著名的“扭秤实验”。根据扭转角度就可以算出铅球之间的引力。为了排除气流对测量结果的影响，卡文迪什把扭秤装置放到密闭室内，在室外用望远镜观测扭转的角度。

卡文迪什用自己设计的这一灵巧的实验装置，进行了多年的实验，一直到 1798 年，即牛顿发现万有引力定律 100 年后，他终于测出了“万有引力常数”的数值，即 6.754×10－11 牛顿·米 2／千克 2，并由此算出了地球的质量为 5.976×1024 千克，也就是 60 万亿亿吨！卡文迪什为解决这个问题，竟用了近 50 年的时间！

由于卡文迪什第一次测出了万有引力常数，并算出了地球的重量，人们把他誉为“第一个称地球的人”。