地球质量是怎么算出来的?答案一直在变,最后仅一人得出正确结果
如果穿越回东汉末年,问曹冲一个问题:“你知道地球有多重吗”?估计曹冲应该会翻个白眼,不予理会。因为,他实在找不到那么大的船。对于地球来说,既不能称,又不能量,那它的质量究竟是怎么算出来的?
说实话,关于地球质量的测量经历了一个很漫长的时间,我们远古时期的祖先对地球“几斤几两”并不关心,等到了古希腊时期,随着哲学的流行,人们才开始关注我们脚下的这颗星球在宇宙中的意义。
当时,关于地球质量测量的方式更可谓简单粗暴,因为地球是一个球体,那么用体积乘以密度不就得到质量了吗?
体积好办,其他都是已知量,只需要知道半径就可以,恰好古希腊天文学家埃拉托色尼测出地球半径约为6300千米。密度也好办,大地基本都是由岩石组成,而岩石密度约2.5-3.0g/cm,齐活了吗这不!
经过一顿操作,最后测出地球的质量约为2.9?102? 千克,不用想,这个结果肯定是错的,因为它太小了。公式没错,答案却错了,那问题出在哪呢?问题出在地球并不是一个真正的完美球体,当然地球上也不是只有石头,如此计算只能说是一厢情愿。
没有了海洋的地球
于是拉锯战开始了,各种测算方式更是层出不穷,“正确答案”的头衔几经易手,最后发现谁都说服不了谁,如此又进入了僵持阶段,直到一个天才的出现,困扰人们1000多年的问题才终于落下帷幕。
这个天才就是大名鼎鼎的亨利·卡文迪许,这位来自英国的物理学家,被誉为第一个称量地球的人。
亨利·卡文迪许
他是通过什么方式的计算让其他人心服口服的?我们先来看两个公式。
还记得我们曾学过的牛顿万有引力公式吗?
这里面,M和m分别代表两个物体的质量,r是半径,G是万有引力常数。假设地球上重力mg和万有引力相等,将参数带入,上面那个等式就可以变成这样
这个等式里面伽利略解决了重力加速度g,埃拉托色尼解决了地球半径R,那再来个万有引力常数G,不就又齐活了吗!可这个常数G就没那么好算了。
为什么叫天才,因为天才总能在关键时刻解决关键问题。天才卡文迪许登场了,他巧妙地设计了一个实验道具——扭秤。听着别扭吗?因为这不是平时用来称货物的秤,它称的东西比较特别——引力。
因为万物都有引力,那么当两个物体接近时就会受到彼此引力的影响。于是卡文迪许用金属丝吊起了两大两小的铅球,然后用大的铅球接近小的铅球,引力的作用显现了,小铅球的位置发生了变化,不过因为球的质量太小了,所以变化非常细微。
扭秤示意图
不过,卡文迪许就是通过不断观察这细小的差别,硬生生测出了球与球之间的相互引力,又根据万有引力定律,推算出了引力常数G,最后一个数据解决了,剩下的就只有代入公式计算了,如此,地球的质量终于大白于天下。
卡文迪许通过他的实验估计出地球的质量为5.965?102? 千克,和目前的公认数值 5.972?102? 千克非常接近。
“第一个称量地球的人”的称号实至名归,至此,这个持续1000多年的谜题终于水落石出。
那除了地球外其他的天体又如何测量呢?所谓一事通,事事通,有了引力常量G,其他问题迎刃而解。
行星轨道半长轴的三次方与公转周期的二次方的比值是一个常数,这就是著名的开普勒第三定律。定律内容我们可以不用深究,简单来说,根据这个定律再加上重力常数G,除了需要计算的星球质量外,其他一切参数都已知,我们要做的还是带入公式进行计算。
忘记上面那些枯燥的公式吧,轻松点,我们来看几个“宇宙之最”。
SDSS J140821.67+025733.2,这不是暗号,而是一颗黑洞的名字,据推测其质量大概为太阳的1960亿倍。这个数字不太直观,我们换一个说法,我们的银河系质量相当于8900亿个太阳,也就是说这个黑洞已经接近银河系质量的四分之一,是名副其实的“黑洞之王”。
两者大小对比
这么大的黑洞究竟是如何形成的至今仍无定论,不过它的出现让曾经660亿倍太阳质量的著名黑洞Ton618的地位再降一等,如今已经需要退居三线了,在它前面还有1040亿倍太阳质量的SDSS J073739.96+384413.2黑洞。
目前宇宙中质量最大的恒星是BAT99-98,同时也是最明亮的恒星。这是一颗位于大麦哲伦星系的蓝巨星,距离我们大约16.5万光年。虽然体积只有太阳的5.3万倍,但质量却惊人的达到了太阳的226倍。
BAT99-98
是不是感觉226倍不太起眼?但你知道吗,在宇宙中,质量超过8倍太阳质量的恒星在末期就很有可能变成一颗黑洞,所以BAT99-98最后铁定会变成这种恐怖的天体,还是质量超大那种。
单纯比大小的话,那史蒂文森2-18排第一绝对当之无愧,这是一颗能装下100亿颗太阳,1.3亿亿颗地球的红超巨星。其直径为太阳的2150倍,如果它和太阳互换的话,那么包括我们在内,水星、金星、火星、木星和土星就都跑到人家肚子里运行了,平日里不受待见的天王星和海王星将变成宜居星球。
史蒂文森2-18和太阳太阳和地球
如果你的梦想是拥有地球,那史蒂文森2-18一定会为你圆梦。
这个星球的表面积大概有2800多亿亿平方公里,如果按照全人类70亿人平分的话,大概每人能得到40多亿平方公里土地,什么概念呢,地球的表面积是5.1亿平方公里,也就是说,你将拥有一块8倍于地球表面积的土地。
不过别高兴太早,如果所有人都住在自己领土的中心,那么终其一生,你和另一个人相遇的概率基本为0。
宇宙如此浩瀚,我们虽然已经能估算天体的质量,体积,温度等很多与星球相关的数据,但距离我们真正踏足星际旅行还很遥远,那些神秘而又庞然的天体,触动着我们探索的欲望,也许未来的某一天,我们也可以来一场说走就走的“星际旅游”。
感谢您的阅读,如果喜欢科普类知识可以关注我,我们一起探索宇宙奥秘!
#宇宙科普#
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