Cavendish Deneyi Ve Yerçekimi Sabiti

Newton‘un evrensel yerçekimi yasası, ilk olarak Temmuz 1687’de Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica’da ortaya çıktı. evrendeki her parçacığın kütlelerinin ürünüyle orantılı bir kuvvetle ve merkezlerinin karesi arasındaki mesafeyi tersine çektiğini belirtiyor. Denklemin iki parçasını bağlayan ve sonunda da Einstein’ın alan denklemlerinin uzay-zamanın geometrisi . stres enerji tensörünü bağlayacak orantı sabiti, bir kabul değerini alır ampirik fiziksel sabittir

Bununla birlikte, ilk sözünden yaklaşık bir asır sonra Henry Cavendish adında bir bilim adamı ve ünlü bir jeolog John Michell’den esinlenerek yüksek doğrulukta ölçülmeye başlandı, ancak Cavendish deneyi için ilk motivasyonlar G’yi hesaplamak değil, Dünya’nın yoğunluğunu belirlemek için.

Henry Cavendish, bir laboratuvardaki ilk düşük ölçekli yerçekimi etkileşimi modelini başarılı bir şekilde modellemek için. merkezinde ince bir tel ile asılı uzun sert bir çubuk olan bir torsiyon dengesi (Charles Coulomb tarafından geliştirilmiştir.) kullandı. Bu 2 metre uzunluğundaki çubuğun her iki ucuna, her iki küre arasındaki yerçekimi kuvvetini simüle etmek. ve teldeki bükümü gözlemleyerek ve ölçerek ölçmek için çok daha büyük olanları getiren küçük kurşun küreler asıldı.

Burulma sarkacının açısal yer değiştirmesinin doğru bir şekilde ölçülmesi için Cavendish’in düzeneğinde. bir ışık demetinin saptırıldığı küçük bir ayna vardı. Bu nedenle, olay ve yansıyan ışın arasındaki açıdaki herhangi bir değişiklik. telde küçük bir bükülmeyi ve dolayısıyla daha büyük ve daha küçük küre arasındaki mesafe r’deki bir değişikliği . denge dengeye ulaştığında küre konumlandırmanın spesifik parametrelerini gösterir.

Daha büyük küreyi burulma dengesinin yakınına bile getirmeden önce, sarkaç, her ikisinin de Cavendish’in kaydettiği belirli bir maksimum. ve minimum genlik arasında doğal olarak salınacaktır. Çünkü çubuk ne kadar fazla döndürülürse, bükülmüş tel o kadar fazla gerilir ve sistemde indüklenen değişime karşı koymak ve denge durumunu yeniden sağlamak için zıt bir kuvvet uygular.

Bu fenomen, belirli bir açıyı veya başka bir deyişle burulma katsayısını kaplarken telin uyguladığı torku belirlemesini sağladı. Bu sabit, denge her zaman dış gürültüye maruz kaldığından, daha büyük kürelerin indüklediği kuvveti elde ederken dikkate alınması önemlidir.

Cavendish daha sonra büyük küreleri burulma dengesinin doğal salınımı üzerindeki etkilerinin hissedilebileceği ve ölçülebileceği noktaya getirmeye başladı. Dengenin hareketi eninde sonunda küçük küreler daha büyük olanlar tarafından çekilecek ve denge onlara doğru hareket etmeye başlayacaktı. Denge, geniş alanın neden olduğu yerçekimi çekim kuvveti ve telden gelen burulma kuvveti iptal edildiğinde denge durur.

Kütleleri tartarak, eldeki Newton’un evrensel yerçekimi yasasını formüle etmesinin yanı sıra, seçilen tel için belirlenen torsiyon katsayısının ve ölçülen yer değiştirme açısının ölçülmesi işlevinde torkun ifadesini formüle ettikten sonra, Cavendish hesaplamak Dünya yoğunluğu ve o ayarlanmış G değeri 6.75 X 10 -11 [N- m 2 kg -2 ] .

Dünya kütlesinin daha küçük nesneler üzerindeki algılanabilir ve görünür kütleçekimsel etkisiyle karşılaştırıldığında, iki küre gibi daha küçük ve daha manevra kabiliyetli nesneler arasındaki kütleçekimsel etkileşimi gözlemlemek ve ölçmek neredeyse zorlaşır. Bu nedenle, deneyin kurulması ve açılması sırasında karşılaşılan önemli bir zorluk, Dünya’nın yerçekiminin deneyin bileşenleri üzerindeki etkilerini ortadan kaldırmaktır.

Ek olarak ve daha önce de belirtildiği gibi, hava akışı ve büyük kütle yer değiştirmeleri gürültüde önemli bir artışa neden olabilir ve burulma dengesinin doğal salınımını şiddetlendirebilir. Böylece, Cavendish, deneyi ile herhangi bir gelişigüzel müdahaleyi hafifletmek için, kurulumunu ahşap bir kutunun içine, kapalı bir kulübenin içine yerleştirdi ve deneyinin dışarıdan açıldığını gözlemledi. Bu da aşırı hava akımlarını ve sıcaklık değişikliklerini önledi.

Sonuç olarak, Cavendish’in deneyi sadece evrensel kütle çekim sabitinin belirlenmesine yol açmadı. Ayrıca, metalin veya daha spesifik olarak demir yoğun bir çekirdekten yapıldığını kanıtlayan Dünya’nın çekirdeğinin bileşimi için ilk elden kanıt sağlama ilginç bir yankısı vardı.