卡文迪许实验物理学

卡文迪许实验，测量成对的铅球之间的引力，从而可以计算引力常数G的值。在牛顿万有引力定律中，两个物体之间的引力（F）等于G乘以它们的质量乘积（m ₁ m ₂）除以它们之间的距离的平方（r ²）；即，F ＝ Gm ₁ m ₂ / r ²。该实验由英国科学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）在1797-98年进行。他遵循了规定的方法，并使用了由他的同胞地质学家和天文学家约翰·米歇尔（John Michell）建造的仪器，他于1793年去世。

该仪器具有扭力平衡：一根木杆从一根细金属丝上自由悬挂，一根重达0.73千克（1.6磅）的铅球悬挂在该杆的两端。将一个重158千克（348磅）的更大球体放置在扭摆的两端。每个较大的砝码和每个较小的砝码之间的重力引力将杆的端部沿着刻度尺拉到一边。这对重锤之间的吸引力被钢丝扭曲产生的恢复力所抵消，这种扭转力使杆像水平摆一样左右移动。

卡文迪许和米歇尔并没有将他们的实验视为测量G的尝试。涉及重力常数的牛顿万有引力定律的制定直到19世纪后期才出现。该实验最初是为了确定地球的密度而设计的。

米歇尔原本打算用手移动砝码，但是卡文迪许意识到，即使是最小的干扰，例如来自天平两侧空气温度差异的干扰，也会淹没他想要测量的微小力。卡文迪许将设备放在密封的房间里，这样他就可以从外面移动砝码。他用望远镜观察天平。通过测量杆从一侧移动到另一侧的距离以及该运动花费了多长时间，卡文迪许可以确定大小砝码之间的重力。然后，他将该力与较大球体的重量相关联，以确定地球的平均密度是水的平均密度的5.48倍，或以现代单位为5.48克/立方厘米—接近现代值5.51克/立方厘米。

卡文迪许实验不仅对测量地球的密度（进而衡量其质量）具有重要意义，而且还证明牛顿的万有引力定律的工作范围远小于太阳系的尺度。自19世纪末以来，卡文迪许实验的改进之处在于用于确定G。