Thí nghiệm cân Trái đất
Tháng 6/1798, nhà hóa học và vật lý học người Anh Henry Cavendish đã tính toán thành công khối lượng Trái đất thông qua thí nghiệm đo hằng số hấp dẫn (G). Giới khoa học gọi thí nghiệm này là Thí nghiệm Cavendish hoặc thí nghiệm cân Trái đất.
Henry Cavendish (1731 – 1810) là nhà khoa học có tính cách khá nhút nhát và lập dị. Trang phục ông thường mặc là những bộ quần áo với phong cách đã lỗi thời khoảng 50 năm. Ông không thích kết giao với người lạ, đặc biệt là phụ nữ. Ông thường đi dạo vào ban đêm để hàng xóm không nhìn thấy mình, thậm chí ông còn xây thêm một chiếc cầu thang trong nhà để tránh gặp những người hầu trên cầu thang.
Trái ngược với những tính cách kỳ lạ trên, Cavendish là một nhà khoa học vĩ đại. Ông có khả năng thực hiện các thí nghiệm và phép đo cực kỳ chính xác, điều mà những người thiếu kiên nhẫn không thể làm được. Ông thích chế tạo và sửa chữa các công cụ khoa học, cũng như luôn cố gắng cải tiến chúng. Ông làm việc rất cẩn thận, không bao giờ cảm thấy thỏa mãn khi công việc đã hoàn thành.
Giống như nhiều nhà khoa học vào thời điểm đó, Cavendish sinh ra trong một gia đình quý tộc nên ông được thừa kế lượng tài sài đủ lớn để thoải mái thực hiện các thí nghiệm hóa học và vật lý. Ông biến phần lớn ngôi nhà của mình thành phòng thí nghiệm, chỉ dành một phần nhỏ ngôi nhà cho không gian sống.
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”.
Newton đã công bố định luật vạn vật hấp dẫn vào năm 1687, nhưng ông không có bất kỳ nỗ lực nào để xác định hằng số hấp dẫn (G) hoặc khối lượng Trái đất. Đến những năm 1700, các nhà thiên văn học muốn xác định khối lượng Trái đất để tính toán khối lượng của các hành tinh khác trong hệ Mặt trời. Ngoài ra, khi châu Mỹ mới được khám phá và thuộc địa hóa, những người vẽ bản đồ thế giới cần biết độ lớn và khối lượng của Trái đất. Năm 1763, hai nhà khảo sát người Anh Charles Mason, Jeremiah Dixon được thuê để khảo sát và xác định biên giới giữa hai khu thuộc địa Maryland và Pennsylvania ở khu vực Bắc Mỹ. Cavendish đã xem xét mức độ chính xác trong các phép đo của Mason và Dixon. Ông nhận thấy dãy núi Allegheny gây ra một lực kéo nhẹ đến các thiết bị khảo sát của họ do lực hút hấp dẫn. Điều này có thể ảnh hưởng đến phép đo, nhưng ông không biết mức độ ảnh hưởng lớn đến mức nào.
Năm 1772, Hội Hoàng gia Anh thành lập một ủy ban để đo khối lượng Trái đất. Trong lĩnh vực vật lý, khi biết được hằng số hấp dẫn (G), chúng ta có thể dễ dàng tính khối lượng của Trái đất theo công thức sau: M=gR2/G (trong đó: M là khối lượng Trái đất, g là gia tốc trọng trường tại bề mặt Trái đất có giá trị bằng 9,8 m/s2, R là bán kính Trái đất bằng 6.384 km). Để tính khối lượng riêng của Trái đất, chỉ cần lấy khối lượng Trái đất chia cho thể tích của Trái đất.
Vậy vấn đề đặt ra là làm sao tính chính xác giá trị của hằng số hấp dẫn (G). Nhiều người đề xuất ý tưởng tìm một ngọn núi có hình dạng đối xứng, và đo xem nó làm lệch hướng quả dọi [một quả nặng nhỏ gắn vào đầu sợi dây mềm] một góc bằng bao nhiêu độ. Tác động của ngọn núi đến quả dọi không lớn do lực hút hấp dẫn rất yếu. Các thành viên của ủy ban tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng một ngọn núi lớn ở Scotland. Sau khi đo đạc góc lệch, họ dễ dàng tính được giá trị của G, từ đó suy ra khối lượng riêng của Trái đất bằng 4,5 khối lượng riêng của nước. Tuy nhiên, Cavendish cho rằng thí nghiệm này dễ gây sai số và kết quả thu được không chính xác.
Thí nghiệm xác định hằng số hấp dẫn (G) dựa trên việc đo lực hấp dẫn giữa các vật thể trong phòng thí nghiệm lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà địa chất học Reverend John Michell, người đã chế tạo lò xo xoắn để đo mômen lực nhỏ một cách chính xác nhưng đã mất năm 1793 trước khi kịp thực hiện thí nghiệm của mình. Lò xo xoắn sau đó được chuyển giao cho Francis John Hyde Wollaston, rồi đến tay Cavendish.
Cavendish đã suy nghĩ về phương pháp đo của Michell trong một thời gian dài. Cho đến năm 1797, ông bắt đầu thực hiện các thí nghiệm của riêng mình. Ông nhận thấy cách thiết lập thí nghiệm của Michell trước đây không đủ chính xác để đo lực hấp dẫn giữa hai quả cầu kim loại nhỏ nên đã tìm cách cải tiến nó.
Cavendish gắn hai viên bi kim loại vào hai đầu của một thanh gỗ dài 1,8m. Ông dùng một sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên và giữ cho thanh gỗ nằm ngang. Sau đó, ông dùng hai quả cầu bằng chì, mỗi quả nặng 159 kg, tịnh tiến lại gần hai viên bi ở hai đầu thanh gỗ. Để tránh bị gió thổi gây ra sai số thí nghiệm, ông đặt hệ thống trong căn phòng kín gió và quan sát bằng kính viễn vọng thông qua một cửa sổ. Căn phòng cũng được giữ tối để tránh làm chênh lệch nhiệt độ ở các phần khác nhau của căn phòng, gây ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.
Lực hấp dẫn do hai quả cầu chì tác dụng vào hai viên bi làm cho thanh gỗ xoay một góc nhỏ. Cavendish đo góc này bằng kính viễn vọng và tính ra được mômen lực tác động lên lò xo xoắn, từ đó tính được hằng số hấp dẫn dựa vào khối lượng quả cầu chì và viên bi.
Sau khi xác định giá trị hằng số hấp dẫn (G) và gia tốc trọng trường (g) trên bề mặt Trái đất, Cavendish tính được khối lượng của Trái đất bằng 6×1024 kg. Cavendish trình bày chi tiết kết quả thí nghiệm của mình trong một bài báo dài 57 trang đăng trên kỷ yếu của Hiệp hội Hoàng gia Anh vào tháng 6/1798. Kết quả này đã mang lại tên gọi khác cho thí nghiệm của Cavendish là Thí nghiệm cân Trái đất. Việc đo được khối lượng Trái đất cũng cho phép suy ra khối lượng Mặt trăng và những thiên thể khác trong hệ Mặt trời thông qua các định luật cơ học và định luật vạn vật hấp dẫn.
Thí nghiệm Cavendish là thí nghiệm đầu tiên đo chính xác giá trị hằng số hấp dẫn (G), dựa trên nguyên lý đo lực hấp dẫn giữa hai vật mang khối lượng. Nhiều nhà khoa học khác lặp lại phép đo của Cavendish nhưng không ai đưa ra được bất kỳ cải tiến nào so với thí nghiệm mà ông đã thiết lập.
Ngày nay, các giảng viên thường cho sinh viên học chuyên ngành vật lý thực hiện lại thí nghiệm của Cavendish khi muốn đo giá trị G. Tên của Cavendish được dùng để đặt cho Phòng thí nghiệm Hernry Cavendish ở Đại học Cambridge, một trong những phòng thí nghiệm nghiên cứu hiện đại nhất tại Anh.
