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

«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°.

Притяжение между каждой парой шаров (одним большим и другим меньшим) приведет брус в движение. А так как проволока, на которой подвешен брус, подвижна, то названное движение приобретет характер едва заметного покачивания бруса. Измерение характеристик этого покачивания позволило бы Мичеллу высчитать силу притяжения между шарами. А эта информация (вкупе с известной уже силой притяжения между шарами и Землей) позволила бы определить среднюю плотность Земли.

Однако на второй странице статьи Кавендиша мы находим описание основной сложности этого подхода. Сила притяжения между шарами будет чрезвычайно мала – всего одна пятидесятимиллионная от их веса. «Совершенно очевидно, – писал Кавендиш, – что вмешательство самой незначительной внешней силы способно полностью исказить результаты эксперимента». Едва уловимое движение воздуха, магнитное возмущение и любое другое внешнее воздействие могут сделать этот эксперимент практически бессмысленным. Поэтому, когда оборудование Мичелла попало в руки Кавендиша, он «решил большую его часть сделать заново», обнаружив, что оно «не так удобно, как хотелось бы».

Слово «удобно» в данном контексте, конечно же, эвфемизм. Кавендиш усердно и непрерывно работал над усовершенствованием условий эксперимента. Первое, с чего он начал, было увеличение размера шаров – они стали двенадцатидюймовыми сферами весом в 350 фунтов каждая. Но даже и в этом случае главной целью оставалась защита от вмешательства внешних воздействий, и именно достижению этой цели Кавендиш посвятил свои основные усилия. Необходимость уменьшить угрозу воздействия подобных сил и взять их под контроль стала, пожалуй, самым серьезным вызовом натуре Кавендиша, к подобным вызовам привычной.

Самой первой и наиболее сложной проблемой была температурная разница в помещении. Если одна часть оборудования оказывалась чуть теплее своего окружения, в помещении возникали воздушные потоки, которые воздействовали на положение бруса. Телесное тепло от человека, находящегося в комнате, так же, как и тепло, исходящее от лампы, рассматривалось как существенный источник возмущения:

«Убедившись в необходимости обеспечить возможно более надежную защиту от названного источника ошибок, я принял решение поместить аппарат в комнату, которая будет постоянно заперта, а за движением бруса наблюдать извне с помощью телескопа. [Кроме того, необходимо было] подвесить свинцовые гири так, чтобы я мог перемещать их, не входя в комнату…»

Кавендиш разместил модифицированное устройство Мичелла в небольшом садовом домике у себя в Клэпхеме и изолировал помещение от всяких внешних воздействий. Чтобы можно было проводить эксперимент, не входя в комнату, потребовались дополнительные усовершенствования. Кавендиш водрузил большую пару гирь на систему блоков, чтобы ими можно было медленно и постепенно манипулировать, не входя внутрь (рис. 12). К каждому концу «гантели» он прикрепил стрелки из слоновой кости – с их помощью Кавендиш смог определять положение шаров с точностью, превосходящей тысячную долю дюйма. В стены были встроены телескопы, позволявшие наблюдать за стрелками снаружи. Чтобы можно было проводить эксперименты также и в темноте, Кавендиш установил над каждым телескопом лампу с линзами, фокусировавшими свет на стрелках через крошечные стеклянные оконца.