Khoảng 200 năm trước, anh Henry Cavendish người Anh đã nghĩ ra một ý tưởng nghe hơi điên nhưng mà thật ra lại thiên tài lắm: cân cả quả Trái Đất bằng mấy quả cầu kim loại nhỏ xíu. Nghe xong chắc ai cũng "hả??" đúng không nào?
Trong đống thành tựu khủng của Cavendish, phải kể đến thí nghiệm giúp ông xác định được khối lượng Trái Đất. Thí nghiệm này giờ được gọi là "Thí nghiệm Cavendish" luôn. Và hôm nay mình sẽ kể lại câu chuyện này, nhưng phiên bản siêu mini do các nhà nghiên cứu Áo thực hiện nha!
Trước tiên, cùng quay lại thí nghiệm Cavendish xem sao đã. Chắc nhiều bạn đang thắc mắc: liên quan gì giữa Trái Đất và mấy quả cầu kim loại vậy trời?
Câu chuyện phải bắt đầu từ Newton. Năm 1687, anh chàng vật lý người Anh này đưa ra lý thuyết về lực hấp dẫn: Mọi vật có khối lượng đều hút các vật xung quanh nó (chứ không phải chỉ Trái Đất mới hút được đâu nhé!).
Theo Newton thì định luật này áp dụng cho mọi thứ luôn, lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng, khoảng cách và một hệ số gọi là "hằng số hấp dẫn" (gravitational Constant).
Thí nghiệm Cavendish được thực hiện vào năm 1797–1798, là thí nghiệm đầu tiên đo được lực hấp dẫn giữa các vật trong phòng lab và cho ra giá trị chính xác cho hằng số hấp dẫn. Do cách dùng đơn vị hồi đó khác, hằng số hấp dẫn không hiện rõ trong công trình của Cavendish đâu. Thay vào đó, kết quả ban đầu được biểu thị bằng trọng lượng riêng của Trái Đất. Thí nghiệm của ông đã cho ra các giá trị chính xác đầu tiên cho những hằng số địa vật lý này.
Hơn một thế kỷ sau, Cavendish nghĩ ra một ý tưởng bá đạo vào năm 1798: vì khối lượng của quả cầu kim loại đã biết rồi, giá trị hằng số hấp dẫn có thể tính được bằng cách đo lực hấp dẫn lên quả cầu. Nắm chắc giá trị này và biết cường độ lực hấp dẫn của Trái Đất, Cavendish dùng công thức Newton để suy ra khối lượng của Trái Đất lúc đó chưa ai biết.
Nhưng mà nói thì dễ, làm thì khó vãi chưởng! Vì lực hấp dẫn của các vật bình thường yếu kinh khủng, nên phải dùng những vật cực nặng mới có tác dụng. Lúc đó, Cavendish dùng viên chì nặng hàng trăm kg, và kết quả tính ra chỉ sai số có 1% thôi! Đỉnh của chóp luôn!
Cavendish gắn hai viên bi kim loại vào hai đầu thanh gỗ dài 1,8m. Ông dùng sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên và giữ cho thanh gỗ nằm ngang. Sau đó, ông dùng hai quả cầu chì, mỗi quả nặng 158 kg, đưa lại gần hai viên bi ở hai đầu thanh gỗ. Để tránh gió thổi làm sai số, ông đặt hệ thống trong phòng kín gió và quan sát bằng kính viễn vọng qua cửa sổ. Căn phòng cũng để tối để tránh chênh lệch nhiệt độ ảnh hưởng kết quả nữa. Cẩn thận từng li từng tí!
Theo tính toán của Cavendish thì khối lượng Trái Đất khoảng 6 × 10^24 kg. Tính bằng kg thì sai số vẫn cực lớn, nhưng mà hồi đó làm được như vậy đã là điều không tưởng rồi nhé!
Theo thời gian, quy mô thí nghiệm đã được thu nhỏ lại, nhưng nguyên tắc vẫn giữ nguyên. Khi những quả cầu treo lơ lửng bị thu hút bởi vật ở gần, nó sẽ kéo thanh nối với nó để di chuyển. Bằng cách đo góc quay, các nhà nghiên cứu có thể suy ra độ dịch chuyển và độ lớn của lực hấp dẫn.
Lần này, các nhà nghiên cứu Áo dùng quả cầu vàng đường kính chỉ 2 mm và khối lượng chưa đến 0,1 gam thôi! Nhỏ xíu xiu luôn! Sau khi đo độ lớn lực hấp dẫn, họ ước tính giá trị hằng số hấp dẫn theo phương pháp của Cavendish. Thực tế thì thí nghiệm này có sai số lên tới 10% giữa khối lượng Trái Đất được tính và khối lượng Trái Đất đã biết. Mặc dù sai số có vẻ lớn, nhưng đây là lần đầu tiên phát hiện được lực hút yếu mà một vật nhẹ như vậy có thể tạo ra đó!
Các nhà nghiên cứu Áo tiến hành thí nghiệm trong môi trường chân không.
Để đảm bảo thành công, các nhà nghiên cứu đã thiết kế nhiều biện pháp bảo vệ chống mọi sự can thiệp từ bên ngoài, đặc biệt là vật càng nhẹ thì sự can thiệp từ bên ngoài càng lớn. Vì vậy, thí nghiệm phải thực hiện trong chân không, và phải lắp lò xo dưới thiết bị để giảm chấn. Ngoài ra, thử nghiệm được thực hiện vào đêm lễ Giáng sinh, khi ít xe cộ qua lại và ít rung lắc hơn trên đường phố. Chọn timing chuẩn chỉnh!
Nguồn: soha.vn