咱不算啥大科学家,也就知道自家那根带钩的线杆子咋回事儿。当年古德温玩这玩意儿的时候,就是把两个金属球儿套在两根这样的线杆上,一高一低,像拉弓一样。

要是直接放一起,磁力那叫一个强,那是吸还是排?咱不知道,反正当时连他们自己都搞不明白,后来卡文迪许才琢磨出来,用扭秤把这俩球隔开了。 这原理实际上挺绕。咱先得搞明白,两个带电体之间,磁力到底咋拉扯。

要是它们挨得近,力肯定大;要是远了,力就小。

这个“近”和“远”不是固定的,得看它们的位置关系。卡文迪许那个设计,核心就是把这两个球固定住,不让它们乱跑,而是一高一低地放。线杆子不是直的,是扭成个圈儿的,这就好比拉弓的弓弦,绷得越紧,受力的状态就越不一样。当那两个球被磁场吸那会儿后,线杆子会出于磁力的变化而“扭”了一下,这个“扭”的程度,实际上就是磁力的大小在具体的某个时刻的反映。 咱能不能拿个比划一下?假设有两个球,质量各 10 公斤,半径 1 厘米,带电量的话咱就随意设一个,反正只要不一样就行。它们之间有个磁场,磁场越强,线杆子拧得越紧。

这时候,线杆子受力的方向实际上和它们相斥的力反之,出于线杆子是被磁力往“挤”的,而线杆子本身又有恢复原状的力在对抗。卡文迪许算出了这个关系,发现线杆子扭转的角度跟磁力和距离之间有个具体公式,只要算出来这个角度,就能反推磁力的数值。

这就好比你拧螺丝,手转多紧,螺丝就如何拧;你松手,螺丝就松开了。

这里的“松开”就是磁力和斥力平衡的时候,线杆子转过的角度。 这实验要是只做对一半,那就是个费事事。你得保证那两个球是静止的,线杆子不会乱抖。

这时候有个难点,要是磁场不均匀,线杆子只是单纯地被吸引那会儿,不会扭动。卡文迪许就想,能不能用重力来帮忙?把线杆子一端挂个重物,另一端放那两个带电球。重力是恒定的,不会受磁场影响乱晃,而磁场只影响那两个球相对的位置。

这样,线杆子被吸那会儿后,出于重力在“推”它,磁力在“拉”它,线杆子就会形成倾斜,这个倾斜的角度就能反映磁场的强弱了。 这算下来,卡文迪许实际上是在测一个贼微弱的力。他用的那个扭秤,线杆子本来就挺轻,质量小,本身就不好办受其他力影响。

那两个球是铝做的,导电性好,但再导电也导电不了多少电量,故此形成的磁场也就挺弱。可就算只有如此点弱磁场,卡文迪许也能通过精密的扭角测量值,算出两个质量各 10 公斤,距离 2.5 厘米的物体之间的引力数值。 这结局出来后,他脑子里那个震撼劲儿是实打实的。他算完发现,那两个质量 10 公斤的球,相距 2.5 厘米,它们之间的引力居然有 20 个大克力的量级。

这比咱平时感觉到的引力大得多。咱们平时坐个电梯,要么站在地上,腿脚底下那 6000 万倍的重力,他测出来的磁力跟这个差不多。

这就让他对万有引力有了全新的认识。之前牛顿老爷子算的时候,那个距离是 10 亿公里,质量是个天文数字,计算出来的结局跟 6000 万倍彻底不搭边,哪怕再算一年加十年,也不会有如此大的误差。卡文迪许用这方式算出来的结局,居然跟牛顿的理论在误差范围内是吻合的。

那时候他激动得差点跳起来,认定天底下真有如此强的引力,并且能被人量出来了。 这实验做出来的那个数据,后来被剑桥大学的学生们拿去做了更多种类的验证,范围从几公里到几十公里,把外面的物体也放进来做实验,结局都跟卡文迪许那个算出来的数值相吻合,证明白他的算式没错,他的实验也没出错。 再回到那个扭秤本身,卡文迪许为了证明这确实是磁力在起功能,特意做了一个补充实验。他把线杆子上的钩子用挺细的丝线吊着,让钩子离那两个球远一点。

这时候线杆子不用受磁场影响,它只是单纯地出于重力而倾斜,倾斜到某个角度就静止了。

这时候,线杆子重心的位置实际上变了。他算出来,这个位置变化的角度,跟线杆子原本静止时的角度之间有个数学关系,这个关系跟线杆子的总长度、质量还有两个带电球的电量都相关。 卡文迪许这人,平时讲话跟一般/平平人差不多,不爱整那些虚的,但讲究个务实。他看到数据对不上,就质疑是不是自己的算错了,要么仪器坏了。

后来反复算了几遍,发现要是假设线杆子的质量比实际值大,夹角会偏移几个度;要是假设线杆子质量偏小,夹角又会偏几个度。最终他果断把线的质量当成已知常数来处理,不再去推算它的质量。 这样一调整,结局就漂亮了。他算出的线杆子质量,放在今天看来,实际上是个挺划算的想法,毕竟金属的重量大家都知道,没必要再去猜它到底有多重。

这个实验方案,好办又直接,没有半点花架子。 最终,卡文迪许把那些扭秤拿出来,摆在实验室里,看着那两个静止的小球和倾斜的线杆子,心里那个踏实劲儿,是那时候他做过的最充分的一次验证。他终于明白,原来宇宙如此大,引力如此神秘,竟然能被人类的手指头和算盘如此精确地量出来。

这不只是是个物理实验,更是人类认知的一次大飞跃。