Cavendish-eksperimentet

Cavendish-eksperimentet er navnet på en serie målinger gjennomført i 1797–98 av den britiske vitenskapsmannen Henry Cavendish. Formålet med eksperimentet var å finne en nøyaktig verdi for Jordens tetthet. Dette resultatet ble senere benyttet til å gi den første bestemmelse av gravitasjonskonstanten G  som opptrer i Newtons gravitasjonslov.  Den har stor betydning i geofysikk, astrofysikk og kosmologi.

Navnet på eksperimentet burde kanskje også vise til John Michell etter som han hadde de grunnleggende ideene til apparaturen som Cavendish gjorde bruk av i målingene. 

Dette er det første kjente eksperimentet for å måle gravitasjonskrefter mellom masser i et laboratorium.Boys 1894 p.355 
Cavendish var den første som gjennomførte målinger som kunne bestemme nøyaktige verdier for gravitasjonskonstanten G og Jordens samlede masse.Encyclopaedia Britannica 1910 p.385 'The aim [of experiments like Cavendish's] may be regarded either as the determination of the mass of the Earth,...conveniently expressed...as its "mean density", or as the determination of the "gravitation constant", G'.  Cavendish's experiment is generally described today as a measurement of G (Clotfelter 1987 p.210).
Mange kilder hevder at dette var den første måling av G eller av Jorden masse. 
.  
Det var gjennomført tidligere målinger, i hovedsak av Bouguer (1740) og Maskelyne (1774), men resutlatene var lite nøyaktige. 
(Poynting 1894)(Encyclopædia Britannica 1910).   
Dette er imidlertid ikke helt korrekt. Cavendish fremla ikke slike tall, men de kan enkelt regnes ut fra hans resultater. Hans målsetting var å finne en verdi for Jordens gjennomsnittlige tetthet.Clotfelter 1987, p.210 
Prinsippene for eksperimentet var beskrevet noe før 1783McCormmach & Jungnickel 1996, p.336: A 1783 letter from Cavendish to Michell contains '...the earliest mention of weighing the world'. Not clear whether 'earliest mention' refers to Cavendish or Michell. 
av geologen John Michell,Cavendish 1798, p.59 Cavendish gives full credit to Michell for devising the experiment 
som konstruerte en torsjonsvekt som kunne anvendes i eksperimentet. Michell døde imidlertid i 1793 uten å ha fullført arbeidet og ved hans død ble apparaturen overført først til Francis John Hyde Wollaston og senere til Henry Cavendish. Cavendish reparerte og moderniserte apparatet, men holdt seg i det alt vesentlige til Michells opprinnelige grunnkonstruksjon. Deretter gjennomførte Cavendish en rekke målinger med utstyret og publiserte i 1798 sine resultater i Philosophical Transactions of the Royal Society. Av tittelen på hans artikkel: Experiments to determine the Density of the Earth fremgår at det var Jordens tettheten som var hans fokus, ikke måling av gravitasjonskonstanten.Cavendish, H. 'Experiments to determine the Density of the Earth', Philosophical Transactions of the Royal Society of London, (part II) 88 p.469-526 (21 June 1798), reprinted in Cavendish 1798

Eksperimentet
Det apparatet som Cavendish konstruerte er en torsjonsvekt. Den består av en 1.8 m lang trestav. Denne er opphengt i en streng med en 51 mm diameter 0,73 kg blykule i hver ende. To 300 mm 158 kg store blykuler ble plassert ca. 230 mm unna, opphengt i et eget system.Cavendish 1798, p.59 
Apparatet måler den svake gravitasjonskraften som oppstår mellom de små og de store kulene. 

De to store kulene ble plassert på passe avstand fra staven i torsjonsvekten. Tiltrekningskraften mellom de store og de små kulene fører til at staven dreies og derved vrir opphengsstrengen. Ytterligere dreiing opphører når torsjonskreftene i strengen oppveier tiltrekningskreftene mellom de små og de store kulene. De store kulene ble vekselvis svingt inn mot de små kulene fra motsatt side. Dette for å nøytralisere eventuelle forskjeller i torsjonsstivheten i strengen for vridning mot høyre og venstre. Når en kjenner dreiemomentet i strengen for en gitt vinkel kunne Cavendish beregne tiltrekningskreftene mellom de to par med masser. Siden Jordens tiltrekning på de små kulene kunne måles direkte ved å veie dem, kunne han regne ut Jordens tetthet ved å benytte Newtons gravitasjonslov. Cavendish fant at Jordens tetthet var 5.448 ± 0.033 ganger tettheten til vann. (Egentlig skrev Cavendish 5.48 ± 0.038 i sin rapport grunnet en banal regnefeil som ble oppdaget i 1821 av F.Baily).Poynting 1894, p.45

For å finne strengens torsjonskoeffisient, dvs. momentet som strengen yder mot en gitt vinkel av dreieng, målte Cavendish resonansperioden for staven med de små kulene mens den svingte frem og tilbake. Svingetiden var ca. 7 minutter. Perioden er gitt av torsjonskoeffisienten og stavens treghetsmoment. Når perioden er kjent og treghetsmomentet kan regnes ut fra kulenes avstand og vekt, kan torsjonskoefisienten beregnes. I realiteten var det nær umulig å holde torsjonsvekten i ro, den vil hele tiden svinge frem og tilbake rundt den avstandsverdi en søker.Cavendish 1798, p.64

Cavendish' utstyr var usedvanlig følsomt og nøyaktig for sin tid.
Den kraften som er involvert ved vridningen av torsjonsvektens streng er meget liten, bare 1.47 x 10–7 N,Boys 1894 p.357 
eller 1/50 000 000 av vekten til de små blykulene.Cavendish 1798 p. 60 
Dette tilsvarer omtrent vekten av et litt stort sandkorn.Et 2 mm sandkorn veier i størrelsorden ~13 mg.  
For å redusere påvirkningen av temperatur og luftbevegelser plasserte han hele apparaturen i en trekasse, ca. 0,60 m dyp, 3 m bred og 3 m høy plassert i et skur på eiendommen. Gjennom to hull i ytterveggene i skuret brukte han kikkert for å lese av bevegelsen i torsjonsvektens stav. Bevegelsen var i størrelsesorden 4,1 mm.Cavendish 1798, p. 99, Result table, (scale graduations = 1/20 in ≈ 1.3 mm) The total deflection shown in most trials was twice this since he compared the deflection with large balls on opposite sides of the balance beam.  
Cavendish var i stand til å måle denne lille dreiningen med en nøyaktighet bedre enn 1/100 tomme ved å bruke en noniusskala på enden av staven.Cavendish 1798, p.63

Cavendish' eksperiment ble gjentatt av Reich (1838), Baily (1843), Cornus & Baille (1878) og mange flere. Ingen oppnådde større nøyaktighet før Charles Vernon Boys 97 år senere i 1895. Michells opprinnelig idé og Cavenish' realisering av en torsjonspendel ble den dominerende metode for å måle gravitasjonskonstanten G. De fleste målinger, også i vår tid, er fortsatt basert på varianter av denne. Dette er bakgrunnen for at Cavendish sitt eksperiment er blitt så skjellsettende.McCormmach & Jungnickel 1996, p.341

Måling av Jordens tetthet

Det er ikke uvanlig å finne bøker som hevder at formålet med Cavendish' eksperiment var å finne verdien på gravitationskonstanten (G). 'The apparatus used in 1798 by Henry Cavendish to measure the gravitational constant'
 'Cavendish claimed he was weighing the Earth, but what he was measuring was the coefficient G...'
 'Cavendish was able to measure the force, the two masses, and the distance, and thus determine the gravitational constant G'
.  '[the torsion balance was]...modified by Cavendish to measure G.'
 'Cavendish calculates the gravitational constant, which in turn gives him the mass of the earth...'
At dette er en feiltagelse er påpekt av en rekke forfattere.Clotfelter 1987
McCormmach & Jungnickel 1996, p.337

Lally 1999 
Cavendish eneste mål var å måle Jordens tetthet. Han omtalte dette som: weighing the world (veie verden). Den metoden som Cavendish anvendte for å beregne Jordens tetthet består i å sammenligne den tiltrekning en stor blykule med kjent masse har på en liten blykule, for deretter å sammenligne Jordens tiltrekning av den lille blykulen. Dette kan gjennomføres uten å ha noen numerisk verdi for G.  
Gravitasjonskonstanten inngår ikke i Cavendish' rapport og det er ingen indikasjon på at han anså dette som noe mål for sine undersøkelser. En av de første referanser en finner til G er i 1873, 75 år etter Cavendish' sine målinger.Cornu, A. and Baille, J. B. (1873), Mutual determination of the constant of attraction and the mean density of the earth, C. R. Acad. Sci., Paris Vol. 76, 954-958.

På Cavendish' tid var ikke G som begrep erkjent som i dag, det vil si som en porsjonalitetskonstant i Newton's lov om generell gravitasjon.Boys 1894, p.330 In this lecture before the Royal Society, Boys introduces G and argues for its acceptance 
Formålet med målingene av gravitasjonskrefter var utelukkende for å kunne bestemme Jordens tetthet. Dette var en meget etterlengtet verdi for datidens astronomer idet en ut fra kjennskap til Jordens tetthet kunne beregne tettheten av månen, solen og de øvrige planetene.Poynting 1894, p.4 
Det var utført tidligere forsøk på å måle Jordens tetthet, blant annet i Schiehallion-eksperimentet i 1774 av Royal Society.

En ytterligere komplikasjon er det faktum at vitenskapsmenn på midten av 1900-tallet ikke brukte noen spesiell enhet for kraft. 
Dette førte til en sammenkobling av begrepet G og Jordens masse og uten at en hadde en klar formening om G som en universell konstant. Cavendish beregnet derfor heller ingen verdi for G. En mulighet for en slik utrengning ligger imidlertid i hans resultater og på slutten av 1800-tallet, da en begynte å erkjenne G som en fundamental konstant, ble den kalkulert med stor nøyaktighet fra Cavendish' resultater, gitt ved:MacKenzie 1900, p.vi 

Dersom en konverterer Cavendish' sine verdier til  SI enheter, Blir hans verdi for Jordens tetthet: 5.448 g cm−3 som gir: G = 6.74 × 10−11 m³ kg−1 s−2. Denne verdi avviker mindre enn 1% fra det som i dag er den aksepterte verdi: 6.67259 × 10−11 m³ kg−1 s−2.

Denne oppskriften er ikke metoden Cavendish selv brukte, men viser hvordan moderne fysikere ville anvendt hans resultater.Cavendish Experiment, Harvard Lecture Demonstrations, Harvard Univ.Poynting 1894, p.41
Clotfelter 1987 s.212 forklarer Cavendish' opprinnelige beregningsmetode.  

Torsjonsvekten

Den består av en lett stang som på midten er opphengt i en elastisk tråd eller streng. I hver ende av stangen med lengde L er en masse m. Hver av disse massene er påvirket av to symmetrisk plasserte masser med størrelse M som ligger fast. På grunn av gravitasjonskraften vil de små massene trekkes mot de større. Derved vris den eleastiske strengen en vinkel θ slik at avstanden mellom m og M blir r når systemet er kommet i likevekt. Fra Hookes lov er momentet til opphengsstrengen i torsjonsvekten proporsjonal med vinkelen.  De forskjellige begrepene er forklart i prinsippskissen nedenfor.

Momentet kan uttrykkes som  κ θ hvor κ er torsjonskoeffisienten. Momentet kan imidlertid også uttrykkes ved produktet av tiltrekningskraften og avstanden til opphengsstrengen. Siden det er to små masser som hver tiltrekkes av en gravitasjonskraften F med en avstand på L/2 fra vektens rotasjonsakse, blir det samlede moment . 

For F kan en ved å bruke Newtons gravitasjonslov innsette for tiltrekningen mellom de store og de små massene. Det gir

når en ser bort fra den andre massen M som ligger lenger bort. 

For å finne torsjonskoeffisienten κ til opphengsstrengen, målte Cavendish resonansfrekvensen til torsjonsvekta. Periodetiden T kan uttrykkes som

Dersom en antar at massen til trestaven mellom de små blykulene er negslisjerbar, er treghetsmomentet for torsjonssystemet bestemt kun av de to små kulene,

, 

som gir



Løser vi denne mhp κ, substituerer inn i (1), og reorganiserer mhp G, får man

Når denne konstanten er bestemt, kan tiltrekningen av et objekt på Jordens overflate mot Jorden brukes til regne ut Jordens tetthet fra

som vil gi resultatet til Cavendish.

Begrepsforklaring:Torsjonsvektens utsving fra hvilestilling for et gitt moment.Gravitasjonskraft (tiltrekning) mellom massene m og MGravitasjonskonstantenMassen til de små blykuleneMassen til de store blykuleneAvstanden mellom (masse)senter av de små og de store blykulene når avstanden er liten nok til at en får utslag på torsjonsvekten. Lengden mellom senterne av de små blykulene på torsjonsvektenTorsjonskoefisienten av opphengsstrengenTreghetsmomentet for staven med de små kuleneSvingetiden for torsjonsvektens oscillasjonTyngdeakselerasjonen eller Jordens tiltrekning (N/kg) på Jordens overflateJordens masseJordens radiusJordens tetthet

 Se også 
 Schiehallion-eksperimentet

Noter

 Referanser 

   Online copy of Cavendish's 1798 paper, and other early measurements of gravitational constant.
 Establishes that Cavendish didn't determine G.


   Discusses Michell's contributions, and whether Cavendish determined G.


  Review of gravity measurements since 1740.

Eksterne lenker

 Sideways Gravity in the Basement, The Citizen Scientist, July 1, 2005, retrieved Aug. 9, 2007.  Homebrew Cavendish experiment, showing calculation of results and precautions necessary to eliminate wind and electrostatic errors.
 Measuring Big G, Physics Central, retrieved Aug. 9, 2007.  Recent experiment at Univ. of Washington to measure the gravitational constant using variation of Cavendish method.
 The Controversy over Newton's Gravitational Constant, Eot-Wash Group, Univ. of Washington, retrieved Aug. 9, 2007.  Discusses current state of measurements of G.
 Model of Cavendish's torsion balance, retrieved Aug. 28, 2007, at Science Museum, London.
 Weighing the Earth – background and experiment

Kategori:Fysikkeksperimenter
Kategori:Vitenskap i 1798