Опыт Генри Кавендиша

1.Кем и когда проводился опыт, в чем состояла его историческая цель

Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. Его значение определяется прежде всего универсальностью гравитационного взаимодействия. На законе всемирного тяготения основывается один из центральных разделов астрономии — небесная механика. Мы ощущаем силу притяжения к Земле, однако притяжение малых тел друг к другу неощутимо. Требовалось экспериментально доказать справедливость закона всемирного тяготения и для обычных тел. Именно это и сделал Г. Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли.

Гравитационная постоянная фигурирует в современном законе всемирного тяготения, однако отсутствовала у И.Ньютона и в работах других ученых вплоть до начала XIX века. Гравитационная постоянная впервые была введена в закон всемирного тяготения, по-видимому, только после перехода к единой метрической системе мер.Возможно впервые это было сделано французским физиком С.Д.Пуассоном в “Трактате по механике” (1809), по крайней мере никаких более ранних работ, в которых фигурировала бы гравитационная постоянная историками не выявлено. В 1798 году Генри Кавендиш поставил эксперимент с целью определения средней плотности Земли (рис. 1). Кавендиш сравнивал маятниковые колебания пробного тела под действием тяготения шаров известной массы и под действием тяготения Земли. Численное значение гравитационной постоянной было вычислено позже на основе значения средней плотности Земли. Точность измеренного значения G с времён Кавендиша увеличилась незначительно. Поскольку гравитационное взаимодействие слабее других фундаментальных сил и аппаратура не может быть экранирована от гравитационного воздействия других тел, измерить точное значение G весьма сложно.

опыт кавендиша

Рис. 1. Генри Кавендиш проводит опыт в своей домашней лаборатории

2. Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема опытной установки

Первые крутильные весы изобрел Джон Мичелл (рис. 2). Установка, которую использовал Г. Кавендиш, представляет собой деревянное коромысло, с прикреплёнными к его концам небольшими свинцовыми шарами массой по 775 г каждый. Оно подвешено на нити из посеребрённой меди длиной 1 м. К шарам подносят шары большего размера весом 49,5 кг, сделанные также из свинца (рис. 3). Для предотвращения конвекционных потоков, установка была заключена в ветрозащитную камеру. Угол отклонения измерялся при помощи телескопа, так как был очень маленьким.

крутильные весы кавендиша

Рис. 2. Крутильные весы

крутильные весы кавендиша

Рис. 3. Схема установки Кавендиша

3. Порядок проведения опыта

Генри Кавендиш был первым учёным, определившим плотность Земли с удовлетворительной точностью. Он подносил свинцовый шар весом 49,5 кг к меньшим свинцовым шарам массой по 775 г каждый, которые были прикреплены к концам деревянного коромысла. В результате действия гравитационных сил, коромысло закручивалось на некий угол. Жёсткость нити была такой, что коромысло делало одно колебание за 15 минут. Угол поворота коромысла определялся с помощью луча света, пущенного на зеркальце на коромысле, и отражённого в микроскоп. Зная упругие свойства нити, а также угол поворота коромысла, можно было вычислить гравитационную постоянную по формуле:

формула опыта кавендиша

где ρ, R – плотность и радиуса Земли, g – ускорение свободного падения на её поверхности. Списав закручивание нити на магнитное взаимодействие железного стержня и свинцовых шаров, Кавендиш заменил его медным, получив те же результаты.

4. Основные результаты опыта

В «Британнике» утверждается, что Г. Кавендиш получил значение G=6,754•10-11 м³/(кг•с³). Это же утверждают Е.P.Коэн, К.Кроув и Дж. Дюмонд и А.Кук. Л.Купер в своём 2-х томном учебнике физики приводит другое значение G=6.71•10-11м³/(кг•с³). О. П. Спиридонов третье G=(6.6 ± 0.04)•10-11м³/(кг•с³). Однако в классической работе Кавендиша не было приведено никакого значения G. Он рассчитал лишь значение средней плотности Земли: 5.48 плотностей воды (современное значение 5,52 г/с³ Cavendish H. Experiments to determine the density of the earth //Phil. Trans. of Royal Soc. of London. 1798. Vol.88. P.469-526. Вывод Генри Кавендиша о том, что средняя плотность планеты 5,48 г/см³ больше поверхностной ~2 г/см³, подтвердил, что в глубинах сосредоточены тяжёлые вещества. Гравитационная постоянная была впервые введена, по-видимому, впервые только С. Д. Пуассоном в «Трактате по механике» (1811). Значение G было вычислено позже другими учеными из данных опыта Кавендиша. Кто впервые рассчитал численное значение G историкам неизвестно.

5. Объяснение результатов опыта

Генри Кавендиш объяснил закручивание нити магнитным взаимодействием железного стержня и свинцовых шаров. Позднее он заменил железный стержень медным и получил те же результаты.

Зная упругие свойства нити, а также угол поворота коромысла, Г. Кавендиш определил плотность Земли. А значение G было вычислено позже другими учеными из данных опыта Кавендиша. Гравитационную постоянную находят по формуле:

где ρ, R – плотность и радиуса Земли, g – ускорение свободного падения на её поверхности. Но кто впервые рассчитал численное значение G историкам неизвестно. Гравитационная постоянная — фундаментальная физическая константа, постоянная гравитационного взаимодействия. Она лежит в основе закона всемирного тяготения открытого Исааком Ньютоном. Согласно закону всемирного тяготения, сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками с гравитационными массами и , находящимися на расстоянии R, равна

Эту формулу И. Ньютон получил эмпирическим путем. И не сделал даже намёк на построение теоретической базы для её обоснования. Коэффициент пропорциональности G в этом уравнении численно равен модулю силы тяготения, действующей на точечное тело единичной массы со стороны другого такого же тела, находящегося от него на единичном расстоянии

С А. Эйнштейна начинается период великой иллюзии о якобы научном решении загадки гравитации. Эта иллюзия продолжается до настоящего времени и практически принята современной физикой. Вовсе не легко её опровергнуть, особенно когда она поддержана огромным авторитетом гения А.Эйнштейна. Ошибка А.Эйнштейна в теории гравитации продолжается уже более 80 лет (эта теория разработана им в 1907-1916 годах) и ещё не осознана в рамках современной науки. Следует отметить, что сама по себе сложность математических формул и выражений в этой теории заставляет задуматься и пробуждает подозрение, что теория скорее может быть ошибочной… Между прочим, на это обстоятельство обращал внимание сам А.Эйнштейн, который постоянно подчёркивал необходимость простоты и красоты соответствующих формул. Более глубокий анализ геометрического подхода к сущности гравитации, предложенного Альбертом Эйнштейном, ясно показывает нам, что его теория не может правильно объяснить причину гравитации и противоречит самым простым вызванным ею физическим явлениям. Разумеется, автор хорошо отдает себе отчёт в огромной ответственности перед наукой, но уверен в том, что может убедить и многих других, что в данном случае А.Эйнштейн допустил великую ошибку. Ошибка эта касается основных положений теории, но не её математизации, выполненной на очень высоком научном уровне — на основе тензорного анализа. Так случилось, что в начале 20 века разгорелся значительный ажиотаж, поднятый неэвклидовыми геометриями (предложенными Лобачевским, Больяи, Риманом, Минковским и другими). А.Эйнштейн был студентом Минковского в Цюрихской высшей политехнической школе и, будучи очарованным чёткой логикой и элегантностью геометрии Эвклида (о чём свидетельствовал сам Эйнштейн), вообразил себе, что гравитация могла бы быть объяснена в рамках геометрии Римана (геометрии сферических тел или, в общем, геометрии выпуклых тел). А. Эйнштейн предположил, что гравитация — это не что иное, как кривизна (деформация) реального физического пространства, которая производится материей тел.

Затем последовала разработка соответствующей теории, которая оказалась исключительно сложной и требовала очень высокого уровня математической формализации — на основе аппарата тензорного анализа. А. Эйнштейн был даже вынужден попросить математическую помощь у своего коллеги Марселя Гроссмана, который как раз специализировался в области модернистских геометрий.

После огромного напряженного труда, не лишенного и некоторых ошибок, опубликовав ряд научных статей в ведущих научных журналах, в 1916 году он посчитал теорию завершённой, сделав и несколько сенсационных выводов (об отклонении световых лучей в окрестности массивных тел во Вселенной, вращения перигелия планеты Меркурий и других), которые впоследствии были подтверждены.

Однако следует отметить, что эти эффекты могут быть объяснены и в рамках теории Ньютона. Например, о возможности отклонения световых лучей, приходящих от звёзд (в окрестности большой массы Солнца), впервые написал ещё Лаплас. Эйнштейн полагал, что гравитация — это проявление кривизны физического пространства, производимая материальными телами. Другими словами, например, все тела на Земле имеют вес, поскольку огромная масса Планеты якобы искривляет физическое пространство вокруг себя и, следовательно, другие тела с меньшей массой вынуждаются кривизной пространства вести себя так, как если были бы притянуты массой Земли.

Однако, если рассмотреть два тела с одинаковым объёмом но различной плотностью, тогда сила притяжения (вес этих тел) должна была бы быть одинаковой — ведь кривизна пространства в данном месте одна и та же! Но в действительности это не так — эти тела имеют различный вес (хотя падают с одинаковым ускорением — вот критический момент, который повлиял на А. Эйнштейна!).

В самом деле, если гравитация есть проявление кривизны физического пространства, тогда все тела с тем же объёмом, независимо от их плотности, должны были бы иметь одинаковый вес в том же месте на поверхности Земли. В действительности же это не так — эти тела имеют неодинаковый вес, — в этом мы убеждаемся на каждом шагу.

Более того, в рамках геометрического подхода нельзя было бы использовать ни один тип весов — ни пружинные, ни рычажные! Они работали бы неправильно. Два тела одинаковых размеров, но различной плотности на тарелках рычажных весов должны быть притянуты Землёй с одинаковой силой, те есть должны иметь одинаковый вес — ведь кривизна пространства и месте нахождения весов одна и та же…

Полная бочка имела бы тот же вес что и порожняя. Банка с мёдом весила бы столько, сколько и будучи заполненной водой. Ветки яблони с висячими яблоками должны быть наклонены также, если бы настоящие яблоки были бы заменены бутафорными из бумаги. Абсурдно!

В соответствии с теорией А. Эйнштейна, если океаны были бы заполнены не водой а, скажем, ртутью, они должны были бы оказать то же давление на океаническое дно — ведь кривизна физического пространства, производимая Планетой, одна и та же! В действительности же, “вес” ртутных океанов был бы в 13,6 раз больше, поскольку плотность ртути в 13,6 раза больше плотности воды и, следовательно, давление на океаническое дно было бы во столько же раз больше.

Источник: http://journal.pspu.ru/articles/29-opyt-genri-kavendisha

Рубрика: