Trái đất nặng bao nhiêu và làm thế nào để cân Trái đất bằng những quả cầu kim loại nhỏ?

Hai phương pháp đo khối lượng Trái đất từng được sử dụng

Trái đất là hành tinh thứ 3 trong Hệ mặt trời, được hình thành cách đây 4,6 tỷ năm và là hình tinh duy nhất có sự sống. Vậy hành tinh xanh này nặng bao nhiêu kg và giới khoa học đã làm cách nào để được được trọng lượng của Trái đất.

Theo tìm hiểu, từng 2 phương pháp chính để đo trọng lượng của Trái đất. Cách đơn giản nhất là đo trọng lượng của một đối tượng trên bề mặt Trái đất, sau đó suy ra khối lượng bằng công thức của Isaac Newton năm 1687 về định luật vạn vật hấp dẫn, kết nối khoảng cách và khối lượng của hai đối tượng với lực hấp dẫn mà chúng tạo ra.

Ở trong cuốn luận thuyết Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các Nguyên lý Toán học của Triết học Tự nhiên) xuất bản năm 1687, ông đã mô tả về luật vạn vật hấp dẫn và đưa ra 3 định luật Newton, được coi là nền tảng của cơ học cổ điển, đã thống trị các quan niệm về vật lý, khoa học trong suốt 3 thế kỷ tiếp theo.

Từ phương pháp của Newton có thể thấy khối lượng của Trái đất là khoảng 6,102 x 10^24kg. Tuy nhiên, phép đo này chỉ là gần đúng, do vì Trái đất không hoàn toàn hình cầu nên bán kính không đồng nhất.  Vậy nên, con số khối lượng này hiện chỉ được sử dụng như một tài liệu tham khảo. 

Phương pháp thứ 2 được sử dụng dựa trên định luật thứ 3 của Kepler từ thế kỷ XVII. Johannes Kepler (1571 - 1630), là một nhà toán học, thiên văn học và chiêm tinh học người Đức. Là 1 trong những đại diện của cuộc cách mạng khoa học thế kỷ 17. Kepler được biết đến nhiều nhất bởi các định luật về chuyển động thiên thể mang tên ông. Phương pháp này kết nối các thông số quỹ đạo của vệ tinh Kepler từ thế kỷ XVII. Johannes Kepler (1571 - 1630), là một nhà toán học, thiên văn học và chiêm tinh học người Đức

Vào năm 1976, NASA đã đưa lên quỹ đạo một vệ tinh Lageos-1, là một quả cầu lớn bằng hợp kim đồng - kẽm được bao phủ với những mặt lõm phản xạ có đường kính 60 cm. Thời gian trễ giữa đường truyền và phản xạ của tia Laser được ghi nhận nhằm suy ra khoảng cách của vệ tinh với Trái đất gần như chính xác tuyệt đối giúp thiết lập được giá trị của khối lượng Trái đất chính xác 5,972 x 10^24 kg.

Thí nghiệm Cavendish: Cân Trái đất bằng những quả cầu kim loại

Trong các công trình nghiên cứu của Cavendish, nổi bật nhất là thí nghiệp giúp ông xác định khối lượng Trái đất. Ngày nay, giới nghiên cứu gọi là "Thí nghiệm Cavendish". 

Thí nghiệm này được thực hiện vào năm 1797–1798: trên tiền đề rằng khối lượng của quả cầu kim loại đã được biết, giá trị của hằng số hấp dẫn có thể được tính bằng cách đo lực hấp dẫn lên quả cầu. Trên cơ sở nắm vững giá trị này và biết cường độ của lực hấp dẫn của Trái Đất, Cavendish đã sử dụng công thức Newton để suy ra khối lượng của Trái Đất khi đó chưa được biết đến.

Tuy nhiên, điều này nói thì dễ hơn làm. Vì lực hấp dẫn của các vật thể bình thường là cực kỳ yếu, nên nó sẽ phải sử dụng các vật cực nặng để hoạt động. Khi đó, Cavendish đã sử dụng một viên chì có khối lượng hàng trăm kg, và kết quả mà ông tính toán ra chỉ có chỉ sai số là 1%!

Theo tính toán, Cavendish cho rằng khối lượng của Trái đất là khoảng 6 × 10 ^ 24 kg. Sai đố tính toán của ông về khối lượng Trái đất khi tính bằng kg vẫn là cực lớn. Nhưng thời điểm đó, việc thực hiện thí nghiệm và tính toán như vậy đã là điều không tưởng.

Và theo thời gian, quy mô cuộc thử nghiệm đã được giảm bớt nhưng nguyên tắc vẫn được giữ nguyên. Khi những quả cầu được treo lơ lửng bị thu hút bởi một 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 lớn của độ dịch chuyển và độ lớn của lực hấp dẫn.

Lần này, các nhà nghiên cứu Áo đã sử dụng 1 quả cầu vàng có dường kính là 2mm và khối lượng chưa đến 0,1g. Sau khi đo độ lớn của lực hấp dẫn, họ ước tính giá trị của hằng số hấp dẫn theo phương pháp của Cavendish. 

Trên thực tế, thí nghiệm này có sai số lên tới 10% giữa khối lượng của Trái Đất được tính toán và khối lượng của Trái đất đã biết. Mặc dù sai số này có vẻ lớn, nhưng đây là lần đầu tiên người ta phát hiện ra lực hút yếu mà một vật thể nhẹ như vậy có thể tạo ra.

Thực tế, lý do khiến các nhà nghiên cứu đưa quả cầu nhỏ nư vậy vào thiết bị thí nghiệm không phải để tính toán khối lượng của Trái đất, mà là để xác minh xem định luật hấp dẫn có thực sự phổ quát hay không.

(Tổng hợp)

Xem thêm: Nhìn ngắm vẻ đẹp ngoạn mục của Trái đất từ không gian thông qua bộ ảnh NASA chụp lại