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第10章 卡文迪许:称出地球的重量

在哥白尼之前,“地心说”统治着天文学界;在爱因斯坦发现相对论之前,牛顿的万有引力似乎“完美无缺”……大家的思维因为有了一个现成的结论而变得循规蹈矩,不再去八面出击。

地球,我们的母亲。作为地球的儿子,人类早就渴望了解母亲的身世,也想知道地球的模样,包括她的半径与重量。古希腊科学家用巧妙的方法测出了地球的半径约有6400公里。地球的重量又是多少呢?

地球那么大,那么重,要想用普通的秤来称出地球的重量,那是不可思议的。

第一,世界上没有这样一杆能称得起地球的巨秤,而且谁也无法制造称得起地球的秤来。

第二,就算有了这样一杆秤,又有谁能像菜市场上称黄瓜、番茄那样称出地球的重量?即便是有了一个力大无穷的人能提得起地球,他总不能站在地球上称地球吧?

许多科学家在碰到地球的重力这个问题时,不是绕过去,就是掉头而返。他们不是不想知道,也不是没做过努力,而是在碰壁之后得到了一个结论:人类暂时还没有能力称量地球。

这个结论固化了人们的思维,大家对地球的重量不再感兴趣,偶尔看一眼,便摇头而去。

1750年,英国19岁的科学家卡文迪许向这个难题发起挑战。他给自己提出一个大胆的课题:称出地球的重量。

卡文迪许是个毛头小伙子,他不知道别人为这个问题伤了多少脑筋,也不知道大家曾经试用了什么方法。他像一个小马驹闯进了一片丛林,横冲直撞,思维没有一点顾忌和阻碍。

在东一头西一斧子的冲撞中,卡文迪许想到了牛顿的万有引力。

根据万有引力定律,两个物体间的引力与两个物体之间的距离的平方成反比,与两个物体的重量成正比。这个定律为测量地球提供了理论根据。卡文迪许想,如果知道了两个物体之间的引力,知道了两个物体之间的距离,知道了其中一个物体的重量,就能计算出另一个物体的重量。

这在理论上是完全成立的。但是,实际测定中,还必须先了解万有引力的常数K。这个常数的值当时还不知道,这样,即使其他几个因子都知道了,也难以计算出地球的重量。因此,要称地球重量,必须先测出引力常数。

卡文迪许通过两个铅球来测定它们之间的引力,然后计算出引力常数。两个普通物体之间的引力是很小的,不容易精确地测出。要精确地测出它们之间的引力,必须使用很精确的装置。当时人们测量物体之间引力的装置是弹簧秤,这种秤的灵敏度太低,不能达到实验要求。引力常数测不准,地球的重量就测不准。

卡文迪许利用细丝转动的原理设计了一个测定引力的装置,细丝转过一个角度,就能计算出两个铅球之间的引力,然后计算出引力常数来。但是,这个方法还是失败了,因为两个铅球之间的引力太小了,细丝扭转的灵敏度还不够大。只有进一步提高灵敏度,才能测出两个铅球之间的引力,计算出引力常数。

灵敏度问题成了测量地球重量的关键。卡文迪许为这个问题伤透了脑筋,想了好几种办法,但是,结果都不怎么理想。

有一次,他正在思考这个问题,突然看到几个孩子在做游戏。其中有个孩子拿着一小块镜子玩着光斑游戏。他把小镜子对着太阳,把太阳光反射到墙壁上,产生了一个白亮的光斑。小孩子用手稍稍地移动一个角度,光斑就相应地移动很大的距离。卡文迪许猛然醒悟,这不是一个距离放大器吗?灵敏度不是可以通过它来提高吗?

孩子的玩具使卡文迪许受到很大的启发。他在测量装置上也装上了一面小镜子,细丝受到另一个铅球的微小的引力,小镜子就会偏转一个很小的角度,小镜子反射的光就转动到一个相当大的距离。利用这个放大的距离,就能很精确地知道引力的大小。

卡文迪许用这个放大的装置精确地测出了引力常数,再次测出一个铅球与地球之间的引力,根据万有引力公式,很快就计算出了地球的重量。

就这样,地球的重量被卡文迪许第一次量到了。

人们用陌生和敬佩的眼光打量着这个野性十足的青年人。同时在思考着这样一个问题:为什么青年人能跑到众多科学家的前面?

大家最后得出了一个结论:不少科学家由于头脑中装的东西太多,思维被许多东西遮蔽了,思维变得凝滞和僵化,而卡文迪许的思维却有一个宝贵的东西:没有固有的概念、成规,因而他也就敢于横冲直撞,想到就做,敢闯敢试。

许多年以后,一个实验让人们对“横冲直撞”四个字再次刮目相看。

这个实验是由美国康奈尔大学的威克教授做的。他把几只蜜蜂放进一个平放的瓶中,瓶底向光;蜜蜂们向着光亮不断碰壁,最后停在有光亮的一面,奄奄一息;然后他在瓶子里换上几只苍蝇,不到几分钟,所有的苍蝇都飞出去了。原因是它们不停地多方尝试——向上、向光、背光,碰壁之后立即改变方向,虽然免不了多次碰壁,但最终总会飞向瓶颈,脱口而出。

威克教授由此总结说:“横冲直撞总比坐以待毙高明得多。”

思维阔无际崖,拥有极大自由。同时,它又最容易被什么东西束缚而困守一隅。在哥白尼之前,“地心说”统治着天文学界;在爱因斯坦发现相对论之前,牛顿的万有引力似乎“完美无缺”……大家的思维因为有了一个现成的结论而变得循规蹈矩,不再去八面出击。后来,哥白尼和爱因斯坦“横冲直撞”,前者发现了“地心说”的错误,后者发现了万有引力的局限。因此,我们要学一学苍蝇,让思维放一放野马,在思维自由的原野上“横冲直撞”一下。

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