榭赫伦实验

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历史版本

榭[xiè]赫伦实验（英语：Schiehallion Experiement）是十八世纪一次测量地球平均密度的实验。实验资金由皇家学会提供，在1774年夏于苏格兰珀斯郡（今珀斯-金罗斯）的榭赫伦山附近进行。实验的主要用具是摆，由于附近的山对摆造成重力吸引，所以摆运动时近的一边会有微小的偏角，而实验所量度的正是这个偏角。经过对候选山头的初步调查，调查显示榭赫伦山是进行实验的理想地点，因为它拥有偏远的位置与近乎对称的山形。促成这次实验的一个原因是，勘测梅森-狄克森线（Mason-Dixon Line，美国宾夕法尼亚州、马利兰州、特拉华州与西维吉尼亚州间的一段边界）时所注意到的单向偏倚。

同样的实验之前曾被艾萨克·牛顿考虑过，他想用这个实验来展示他的万有引力定律，但最终被放弃。然而，以当时的皇家天文学家内维尔·马斯基林为首的一队科学家，认为这样的效应是可以测量的，并计划进行这一个实验。钟摆的偏角大小，取决于地球与山的相对密度和体积。如果可以确定榭赫伦山的密度，那么这个实验的结果就能确定地球的密度。知道了地球的密度，科学家们就估计出太阳系内各天体的密度近似值，这些天体包括其他行星、它们的卫星和太阳本身，之前所知道的，只是它们之间的相对比值。这个实验还有另一项贡献，为了简化勘测山的过程，实验者发明了等高线，现在制作地图还是会用到这项发明。

背景

在对称的引力场中，摆在静止时会垂直向下。然而，如果附近有其他大质量的物体（例如一座山），那么它的吸引力就会把摆的铅锤，向它那边拉过去，这样摆就会稍微偏离垂直。而由某已知物体（例如恒星）所造成的铅垂线角度偏移，则可以通过在山两边的各组对点上，对摆进行仔细的测量得出。通过判定山的体积，及估算山石的平均密度，这样就能够独立地得出山的质量，再加上在那座山多处的偏角测量值，就能通过外推得出地球的平均密度，然后再使用平均密度来算出地球的质量。

艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，曾考虑过这个效应，但却悲观地认为，地球上任何山所造成的偏角都太小，而难以测量。他写道，引力效应只能在行星的大小尺度下才看得到。然而牛顿的悲观是没有根据的：虽然他的计算指出，偏角会小于2角分（对象是一座三英哩高的理想山），但是这个角度，尽管很小，还是在当时仪器的理论测量范围之内。