Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Путь, который привел Кавендиша к великому эксперименту, начался, как бывало с ним довольно часто, с вопроса о точности – в данном случае о точности географических инструментов. В 1763 году английского астронома Чарльза Мейсона и топографа Иеремию Диксона командировали в Новый Свет для разрешения давнего пограничного спора между двумя британскими колониями – Пенсильванией и Мэрилендом. Результатом этой поездки стало проведение линии Мейсона – Диксона – важной границы в истории Соединенных Штатов, символически отделявшей рабовладельческий Юг от свободного Севера. Кавендиш задался вопросом, насколько точна была работа картографов. Ведь Аллеганский горный массив, расположенный к северо-западу от линии, должен был оказывать определенное гравитационное воздействие на измерительные приборы Мейсона и Диксона, и это воздействие не могло быть компенсировано эквивалентной массой с юго-востока: там простирается Атлантический океан, а вода обладает гораздо меньшей плотностью, чем любая горная порода.

Разница в плотности гор и океанов навела Кавендиша на мысль о средней плотности Земли в целом – предмет, который мог представлять интерес не только для топографов, но и для ученых многих других специальностей, включая физиков, астрономов и геологов.

Согласно Ньютону, гравитационное притяжение между двумя телами прямо пропорционально их плотности. По относительному гравитационному притяжению, которым обладают астрономические тела по отношению друг к другу, можно узнать их относительную плотность. Ньютон, к примеру, рассчитал, что плотность Юпитера составляет четвертую часть плотности Земли. И, основываясь на относительной плотности материи на поверхности Земли и в шахтах, Ньютон высказал поразительно точное предположение о ее плотности. Он писал: «…правдоподобно, что все количество вещества Земли приблизительно в пять или шесть раз больше того, как если бы она вся состояла из воды»69. Однако в тот момент никто не располагал способами измерить Землю. Для этого необходимо было измерить притяжение между двумя объектами известной плотности. Отношение величины притяжения между такими объектами к их плотности можно было бы сравнить с отношением величины притяжения между ними и Землей и таким образом определить общую плотность Земли. Однако тела, с которыми можно было работать в лабораторных условиях, обладали настолько незначительной гравитацией, что Ньютон и его коллеги считали невозможными их измерения.

Альтернативный метод заключался в том, чтобы измерить, с какой силой большая масса земли известной плотности (как, например, геометрически более или менее правильная и геологически однородная гора) воздействует на небольшой объект, например на подвешенное грузило, отклонения которого от вертикального положения могут быть точно измерены. Однако измерения, проведенные самим Ньютоном, его разочаровали: «Незаметно какого-либо ее [силы тяжести] уменьшения на вершинах даже самых высоких гор», – писал он70.

Вопрос о плотности Земли был настолько важен для астрономов, физиков, геологов и топографов, что в 1772 году Королевское общество создало специальный Комитет притяжения с целью измерения плотности Земли. Астроном Невил Маскелайн описал это предприятие как попытку сделать «всемирную гравитацию ощутимой». Комитет, в члены которого входил и Кавендиш, решил испробовать метод с грузилом. В 1775 году Королевское общество профинансировало экспедицию для проведения этого эксперимента – спланированного в основном Кавендишем, но реализованного Маскелайном – к невысокой, но имеющей правильную геометрическую форму горе Шихаллион в Шотландии. Поначалу эксперимент пришлось отложить из-за испортившейся погоды, но после того, как он все-таки был завершен, Маскелайн устроил грандиозный пир для местных фермеров, в ходе которого был выпит сорокалитровый бочонок виски, а вслед за этим случился пожар, возникший по вине самих участников торжества, и дом, в котором они пьянствовали, полностью сгорел. Эта вечеринка вошла в шотландский фольклор, о ней упоминается в одной из гэльских баллад71.

Тем временем в Лондоне некий математик на основе собранных в Шотландии сведений пришел к выводу, что плотность Земли в 4,5 раза превосходит плотность воды, если исходить из того, что отношение средней плотности Земли к плотности горы Шихаллион составляет 9/5 и что плотность горы в 2,5 раза больше плотности воды. Маскелайн получил за свои измерения медаль, а на церемонии ее вручения глава Лондонского королевского общества провозгласил, что ньютоновская система «завершена».

Кавендиш, естественно, ни в каких торжествах и пиршествах участия не принимал и вообще не ездил на Шихаллион. Его, в отличие от Маскелайна и коллег по Лондонскому королевскому обществу, полученный результат совсем не удовлетворил. Откуда им известно, что отношение плотности Земли к плотности горы составляет именно 9/5 и что плотность горы в 2,5 раза больше плотности воды? Без установления точного состава горы и ее размеров все измерения плотности Земли останутся весьма и весьма приблизительными. Кавендиш пришел к выводу, что по-настоящему точные измерения плотности Земли могут быть сделаны только в лаборатории с использованием тел известной формы и состава. Правда, как ему было отлично известно, главная сложность при таком измерении будет заключаться в том, что оцениваемая сила будет чрезвычайно мала. Если великий Ньютон полагал, что даже большая гора неспособна продемонстрировать гравитационную силу значимой величины, то что можно сделать в лаборатории?

Как было ему свойственно, Кавендиш молча обдумывал данную проблему на протяжении многих лет, одновременно работая над другими вещами. Но как-то он упомянул об этом вопросе в разговоре с одним из своих немногочисленных друзей – преподобным Джоном Мичеллом. Мичелл был не только священником, но и довольно известным геологом, изучавшим внутреннее строение Земли. Его приняли в Королевское общество в 1760 году, в том же году, что и Кавендиша. В 1783 году, узнав, что у Мичелла возникли проблемы со здоровьем (а он как раз пытался изготовить телескоп чрезвычайно больших размеров), Кавендиш написал другу:

«Если Ваше здоровье не позволяет Вам продолжать начатое предприятие, то, возможно, оно, по крайней мере, позволит Вам заняться значительно менее сложной задачей – взвешиванием Земли»72.

Мичелл, который, подобно Кавендишу, был занят одновременно несколькими экспериментами, потратил десять лет на изготовление устройства для взвешивания Земли, но умер, так и не успев пустить его в дело. В конце концов оборудование оказалось в распоряжении Кавендиша, и тот посвятил несколько лет его усовершенствованию, чтобы добиться большей точности. Наконец осенью 1797 года он приступил к эксперименту. Несмотря на то, что Кавендишу к тому времени было почти шестьдесят семь лет, он взялся за проведение опыта с необычайной энергией и часами проводил наблюдения, с удивительной настойчивостью локализуя источники возможных ошибок и постоянно внося все новые и новые усовершенствования. Результаты его работы были опубликованы в журнале Лондонского королевского общества в июне 1798 года в виде статьи на 57 страницах73. Значительная ее часть была посвящена скрупулезнейшему описанию усилий экспериментатора по отслеживанию всех возможных источников ошибок, и один из комментаторов даже сетовал, что статья «производит впечатление диссертации об ошибках». Начинается же она довольно просто:

«Много лет назад ныне покойный преподобный Джон Мичелл, член данного общества, придумал метод определения плотности Земли, заключавшийся в установлении силы притяжения небольших количеств материи. Однако из-за занятости другими делами он смог завершить изготовление своего аппарата лишь незадолго до смерти, и ему не удалось провести на нем никаких экспериментов…

Сам аппарат очень прост. Он состоит из деревянного бруса в шесть футов в длину, который изготовлен так, чтобы при большой прочности иметь небольшой вес. Названный брус подвешен в горизонтальном положении на тонкой проволоке в 40 дюймов длиной, и к каждому его концу привешен свинцовый шар около 2 дюймов в диаметре. Все сооружение находится в узком деревянном футляре для защиты от сквозняка».

Мичелл намеревался измерить притяжение между этими двухдюймовыми металлическими сферами, размещенными на обоих концах подвешенного к потолку бруса (получилось нечто похожее на громадную гантель), и двумя восьмидюймовыми сферами, которые можно было приблизить к двухдюймовым шарам. Мичелл планировал медленно приближать сферы большего веса к меньшим, прикрепленным к брусу. Таким образом, если вы, предположим, смотрите с потолка на брус и меньшие шары находятся, скажем, в точке 0° и в точке 180°, большие шары будут находиться, соответственно, в точках 30° и 210°.