人类历史上最巧妙的物理学实验
     ——卡文迪许扭秤实验

    （摘自《颠覆——重塑人类常识的20大科学欺骗》）

    我们每个人都生活在地球上，可是，你知道地球有多重吗？你知道如何去称量地球吗？对一般人来说，这可真是个难以回答的问题。我们知道，要称量一个物体，我们用的是天平或者杆秤。可是，地球那么重，到哪里才能找到这么大的一杆秤呢?就算找到了，我们又怎么能够把地球放到秤上去呢？
第一个回答称量地球这个问题的人，是英国科学家卡文迪许。历史上许多著名的科学家都有自己的鲜明形象。在他们当中，卡文迪许的形象也许有点奇特，但他那献身科学的一生，给后人留下的印象却是完美而深刻的。

    引力到底有多大？

    法国天文学家阿拉戈曾经说过：“如果我们不是时时刻刻都看见物体在坠落，那引力对我们来说就会是一种非常奇怪的现象了。”的确，虽然我们每天都看到地球吸引着地面上的一切物体，但习惯早已使我们把它们看成是非常自然而且极普通的现象，只有像牛顿那样的天才，才会在苹果落地的故事中思考其中的奥秘。牛顿发现，世界上的万事万物彼此之间都是互相吸引着的，这种吸引力就是万有引力。

    可是在日常生活里，我们却从来没有见过谁像铁被吸铁石吸引一样，被另一个人吸了过去。为什么我们看不到桌子、西瓜、人体互相吸引着呢？为什么我们自身对这种引力一点感觉都没有呢？这里的原因就是，对小物体来说，引力太小了。

    我们可以举一个简单的例子。假如有两个人相隔2米站着。这时候他们是互相吸引着的，可是这中间的引力小极了：对中等体重的人说来，这个力仅仅等于一个十万分之一克的砝码压在天平盘上的分量。这样小的力，只有实验室里最最灵敏的天平才能察觉出来！跟我们的脚与地板之间的摩擦力（它大概等于体重的30％）相比，引力简直小得可笑，根本不可能让我们察觉出来。

    可是如果没有了摩擦，情况就不同了。这时候甚至连最弱的引力也会使物体相互接近。只要简单的心算，我们就可以算出，在没有摩擦的情况下，相隔两米站着的两个人，在第一小时会彼此相向移动3厘米；在第二小时会再靠近9厘米，第三小时再接近15厘米。他们的运动越来越快，但是要等到这两个人紧紧靠拢，至少要经过5小时。

    对质量不大的物体说来非常小的引力，在庞大的天体之间却变得很大了。即使是太阳系里最遥远的大行星——海王星，也能使我们地球受到1800万吨的引力！虽然太阳离我们远得不可思议，可正是由于太阳的引力，才使地球能够维持在自己的轨道上。假如太阳的引力由于某种原因消失了，那我们的地球就要沿着一条直线飞入无边无际的宇宙空间去，永远不再回头了。

    万有引力与称量地球有什么关系吗？当然有。在发现万有引力定律后，牛顿发现，只要利用一种间接测量法，就可以根据万有引力公式求出地球的质量来。不过，这需要几个数值：一个是地球对一个已知质量的物体的吸引力（它实际上就是物体受到的重力），这很容易测得；一个是地球和物体的距离，这可以用地球的半径代替；另一个关键的数值叫“万有引力常数”，可是这个数值当时还不知道。而且它极其微小，测量起来十分困难，牛顿曾精心设计了好几个实验，想直接测出两个物体之间的引力来。可是都失败了。失望之余，牛顿当众宣称：想利用测量引力来计算地球质量的努力，将是徒劳的。

    牛顿万万没有想到，自己至死都未能解决的问题，却被他的同胞亨利·卡文迪许用一种非常巧妙的方式解决了。

    性格古怪的学者

    17、18世纪，在欧洲的科学家中，出身于中产阶级的为数不少。当时的欧洲并没有专门的科研机构，科学家大多是业余的，他们根据自己的爱好作科学研究，器材、药品都得花自己的钱。因此，他们不但要有一颗奉献给科学的心，还得具备一定的经济条件。而卡文迪许恰好具备了这一切。正如法国科学家比奥所说的：“卡文迪许在一切学者中最富有，在一切富翁中最有学问。”这样说的确毫不夸张。

    1731年10月10日，亨利·卡文迪许出生在英国一个贵族家庭。父亲是德文郡公爵二世的第五个儿子，母亲是肯特郡公爵的第四个女儿。卡文迪许在40岁时，先后继承了父亲和姑妈的两大笔遗产，成了一名百万富翁。但巨额的财富并没有使卡文迪许的生活方式发生丝毫的变化，他仍然过着俭朴的生活，不讲吃穿，他身上穿的永远是几套过时陈旧的绅士服，他吃的也很简单，就是在家待客，照样是羊腿一只。他的钱大部分都花在了购置科学仪器和图书上，除自己用外，还慷慨地供其他学者使用。
钱该怎么用，卡文迪许从不考虑。他对金钱毫无兴趣，甚至不知道1万英磅究竟是多大一笔财富。一次他的一个仆人病了，要花钱治病，他随手开了一张1万英磅的支票给他，使仆人惊讶得不知所措。

    卡文迪许性情孤僻，不喜欢与人谈话，在同龄人中，可能是话说得最少的人了。他的朋友、化学家武拉斯顿曾总结了一条经验：“与卡文迪许交谈，千万不要看他，而要把头仰起，两眼望着天，就像对空谈话一样，这样才能听到他的一些见解。”就是这样，卡文迪许的话也不多。这种怪僻性格的形成与他从小生长的环境有一定关系。他两岁时，母亲因生育他弟弟而病逝，从此他失去了母爱。他父亲忙于社交活动，撇下他交由保姆看管，与外界极少往来，直到11岁才被送入一所专收贵族子弟的学校。在学校里。他仍然很少与别人交往，这就使他显得特别孤独、羞怯。

    卡文迪许最厌恶和害怕两件事物。一是奉承，他听到奉承的话时，常常十分窘迫、不知所措。一是女人，卡文迪许终生未婚，他最怕和女人接触，平日家中的女佣人若有事要征询他的意见，一定得经过管家传话，不可私自去打扰他。有一日，卡文迪许由房间匆忙走出来，不巧在楼梯遇见一个女佣，他立即气得全身发抖，马上命管家找人来重新再作一座楼梯，从此男女分走不同的楼梯，以免再令他和女人不期而遇。

    1810年2月24日，这位79岁的老人感到自己临近死亡了，就吩咐身边护理他的仆人离开房间，不到规定时间不得擅自回来。当仆人回来时，卡文迪许已经孤独地离开了人间。

    辉煌的科学成就

    卡文迪许的一生虽然平淡无奇，但他对科学的热爱，是没有任何别的东西可以比拟的。他的生活中，除了实验、科学，就没有别的东西了。科学给他的生活提供了特别的情趣。

    在当时，贵族的社交生活花天酒地。卡文迪许却从不涉足。他只参加一种聚会，那就是皇家学会的科学家聚会。卡文迪许参加聚会时，总是低着头，屈着身，双手搭在背后，悄悄地进入室内，然后脱下帽子，一声不响地找个地方坐下，对别人都不理会。若有人向他打招呼，他会立即面红耳赤、羞涩不堪。有一次聚会是一位会员作实验示范。这位会员在讲解中发现，一个穿着旧衣服、面容枯槁的老头，紧挨在身边认真听讲。当他看了老头一眼时，老头便急忙逃开，躲在他人身后，过了好一会儿才又悄悄地挤进前面注意地听讲。这奇怪的老头正是卡文迪许。

    卡文迪许长期深居独处，他对于科学研究简直像着了魔一样，整天埋头在这个小天地里。他把他家的部分房子进行了改造，一所公馆改为实验室，一处住宅改为公用图书馆，把自家丰富的藏书供大家使用。在他父亲死后，他又将他的实验基地搬到乡下的别墅，将别墅富丽堂皇的装饰全部拆去，大客厅变成实验室，楼上卧室变成观象台。卡文迪许甚至在宅前的草地上竖起一个架子，以便攀上大树去观测星象。至于是不是践踏了那些名贵的花草，他毫不在乎。

    卡文迪许在科学研究中，他思路开阔，兴趣广泛，显得异常活跃。上至天文气象，下至地质采矿，抽象的数学，具体的冶金工艺，他都进行过探讨。特别在化学和物理学的研究中，他有极高的造诣，取得许多重要的成果。但是，卡文迪许从事科研不图名、不图利。当许多人推崇他发现氢气时，他谦逊地说：“这事早有别人注意到了。”也许是出于慎重，也许是由于他的羞怯，卡文迪许的许多论文和实验报告基本上都没有公开发表。在他将近50年的科研生涯中，他没有写过一本书。在他去世一个世纪后，负责创建卡文迪许实验室的麦克斯韦整理了他的实验论文，并于1879年出版了《尊敬的亨利·卡文迪许的电学研究》一书。此后，人们才知道卡文迪许做过许多电学实验。麦克斯韦说：“这些论文证明卡文迪许几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”

    引力被“放大”了

    18世纪中叶，牛顿力学已经取得辉煌胜利，人们借助于万有引力定律，对电力和磁力作了种种猜测，也在许许多多方面作出了更多的成绩，这其中就有卡文迪许的重要贡献。

    从1771年起，卡文迪许就全神贯注在电学的实验研究上，这是他的一个系统、持久的研究课题。牛顿1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书，对卡文迪许的影响很大。他基本上赞成牛顿的观点，但在某些问题上也坚持自己的观点。

    话说某天卡文迪许正在边散步边思考着什么，突然他听到路边两个农人的对话。原来他们正在打赌自己脚下的地球有多重。他们想了千奇百怪的方法来称量地球的重量，当然他们的方法都是荒诞又可笑的。但是这个地球有多重的问题却深深地印在卡文迪许的脑海里。回到家里，他还一直在思考这个问题。

    然而，他却发现自己无从下手，于是他郁闷地去翻他看了无数遍的牛顿的书。突然，他脑海里灵光一现：牛顿的万有引力才是惟一的办法。卡文迪许用一根39英寸的镀银铜丝，吊起一根6英尺长的木杆，在杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球，另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们。如果能够测出铅球间引力引起的摆动周期，由此计算出两个铅球的引力，就能够推算出地球的质量和密度。

    可是，在卡文迪许的实验室里，根本没有那么精确的度量仪器。两个一公斤重的铝球相距十公分时，相互之间引力只有百万分之一克。即使空气中的飘尘，也能干扰它的准确度，这怎么能够测量呢？一连几天，卡文迪许都把自己关在实验室里，整天冥思苦想。

    这一天，他到皇家学会去开会。天气无比灿烂，阳光也出奇的好。走在半路上，他看到几个小孩子，正在作一种有趣的游戏：他们每人手里拿着一面小镜子，用来反射太阳光，互相照着玩。镜子只要稍一转动，远处光点的位置就发生很大变化。

    “真有意思！”看着那些活泼的孩子，卡文迪许想。突然之间，他茅塞顿开。他掉头跑回实验室，对自己的实验装置进行了一番革新。他把一面小镜子固定在石英丝上，用一束光线去照射它。光线被小镜子反射过来，射在一根刻度尺上。这样，只要石英丝有一点极小的扭动，反射光就会在刻度尺上明显地表示出来。扭动被放大了！实验的灵敏度大大提高了，这就是著名的“扭秤”实验法。
卡文迪许算出的地球密度为水密度的5.481倍（现代数值为5.517），由此可推算出万有引力常量G的数值为 6.754×10-11 牛顿·米2/千克2（现代值前四位数为6.672）。1798年，他第一个“称”出了地球的重量，它的数值是5.977×1024千克，即将近六十万亿亿吨！

    卡文迪许实验的构思、设计与操作如此巧妙和精致，英国物理学家坡印廷曾对这个实验下过这样的评语：“开创了弱力测量的新时代。”卡文迪许也被人们誉为“第一个称地球的人”。

    第一个现代物理实验室

    19世纪末叶，物理学进入了一个新的发展时期，从经典物理学发展时期以个人为主辅以简单仪器进行研究的形式，发展到近代物理学研究中集体分工合作并配备高级精密仪器的形式。这种发展，导致现代物理实验室的出现。英国剑桥大学的卡文迪许实验室，就是最早的现代物理实验室。

    不少人以为这个实验室的建立者就是那位引力常数的测定者亨利·卡文迪许，其实，当卡文迪许实验室建成时，亨利·卡文迪许离开人间已有半个多世纪了。不过，卡文迪许实验室与他还是有一点关系的，因为这个实验室是在英国的德文郡八世公爵德冯夏尔·卡文迪尔的资助下建成的，这位公爵是亨利·卡文迪许的亲戚。

    卡文迪许实验室于1872年破土动工，两年后就在剑桥建成。它最初只是剑桥大学物理系的一个教学实验室，后来扩大为包括整个物理系在内的科研与教育中心。近百年来，卡文迪许实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人，许多有成就的物理学家都曾在这里受到过现代物理学的熏陶。

    说也奇怪，这个物理实验室竟是在一位著名的理论物理学家——麦克斯韦的领导下筹建的，麦克斯韦也是它的第一任主任。继麦克斯韦之后，领导卡文迪许实验室的也都是成就辉煌、赫赫有名的现代物理学大师，其中有现代声学和光学的奠基人瑞利、电子的发现者J·J·汤姆孙、现代原子核物理学之父卢瑟福、X射线衍射的发现者W·L·布拉格、现代固体物理学的先驱莫特等。除麦克斯韦之外，他们都是诺贝尔奖金获得者。

    卡文迪许实验室成就如此显赫，想想也毫不奇怪，只要你想起亨利·卡文迪许献身科学的精神，你怎么会不涌起一股满腔的豪情呢？

(《颠覆——重塑人类常识的20大科学实验》，刘学礼等著，上海文化出版社，350幅图片，24.00元)

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