В XVIII веке ученые поставили перед собой задачу, которая звучала почти фантастически: определить массу всей Земли. Для этого им не понадобились космические аппараты или сложные лаборатории. Достаточно оказалось одинокой горы в Шотландии, нескольких телескопов и невероятное терпение. Эксперимент, проведенный летом 1774 года, вошел в историю науки и впервые позволил получить реалистичную оценку массы нашей планеты.
В 1687 году английский ученый Исаак Ньютон опубликовал труд «Математические начала натуральной философии». В нем он сформулировал закон всемирного тяготения. Согласно этой идее, любое тело во Вселенной притягивает другое тело, а сила притяжения зависит от массы объектов.
Сразу возник важный вопрос: если притяжение связано с массой, то сколько весит сама Земля?
Ньютон предполагал, что ответ можно получить, сравнив гравитацию планеты с притяжением крупного объекта известного размера. В качестве такого объекта он предложил использовать гору. По его расчетам, гора высотой около трех миль и основанием шесть миль могла слегка отклонить отвесную линию. Однако в XVII веке не существовало приборов, способных зафиксировать столь незначительный эффект.
К XVIII столетию ситуация изменилась. Астрономия и геодезия достигли нового уровня развития. Ученые получили инструменты, которые позволяли проверить идеи Ньютона на практике.
Первая попытка состоялась в 1738 году. Французские исследователи Пьер Буге и Шарль Мари де Ла Кондамин проводили геодезическую экспедицию в Перу. Для опыта они выбрали вулкан Чимборасо высотой 6268 метров. В тяжелых условиях высокогорья ученым удалось зарегистрировать отклонение отвеса примерно на восемь угловых секунд. Однако результаты оказались недостаточно точными для окончательного ответа.
Новый этап начался спустя несколько десятилетий. В 1772 году королевский астроном Шотландии Невил Маскелайн предложил Королевскому обществу повторить эксперимент. Идею поддержали ведущие ученые того времени. В состав специального комитета вошли Джозеф Бэнкс, Бенджамин Франклин и другие известные исследователи.
Для проведения работ требовалась подходящая гора. Геодезист Чарльз Мейсон летом 1773 года обследовал множество районов и остановил выбор на горе Шихаллион в центральной части Шотландского нагорья. Ее высота составляла 1083 метра.
Шихаллион подходила идеально. Она стояла относительно изолированно от других горных массивов. Симметричная форма облегчала расчеты, а крутые северные и южные склоны позволяли разместить наблюдательные пункты максимально близко к центру массы.
Летом 1774 года Маскелайн вместе с помощниками построил обсерватории по обе стороны горы. Принцип эксперимента выглядел просто. В нормальных условиях отвес указывает направление к центру Земли. Однако массивная гора должна слегка притягивать его в сторону. Если измерить это отклонение и вычислить массу самой горы, можно определить соотношение между ее притяжением и гравитацией всей планеты.
На практике задача оказалась чрезвычайно сложной. Исследователи использовали телескопы, квадранты, барометры, маятники и другие точные приборы. Они наблюдали за положением звезд с северной и южной сторон Шихаллиона. Даже малейшее смещение отвеса приводило к изменению видимого положения небесных объектов.
Маскелайн выполнил сотни наблюдений. При обработке данных он учитывал кривизну Земли, прецессию, аберрацию света и нутацию. В итоге ученый определил отклонение отвеса в 11,6 угловой секунды.
Параллельно шла другая важная работа. Шотландский математик Чарльз Хаттон должен был вычислить объем и массу горы. Для этого он организовал детальную съемку местности. Именно в ходе этих расчетов Хаттон впервые применил линии, соединяющие точки одинаковой высоты. Позже такой метод получил широкое распространение в топографических картах и стал известен как горизонтали.
Гора была разделена на множество условных фигур. Для каждой из них рассчитывалось собственное гравитационное влияние. Эта работа оказалась настолько трудоемкой, что заняла еще два года. Лишь в 1778 году Хаттон представил Королевскому обществу подробный труд объемом около ста страниц.
Результаты оказались впечатляющими. Хаттон пришел к выводу, что средняя плотность Земли примерно в 1,8 раза выше плотности Шихаллиона. Плотность самой горы он оценил в 2500 килограммов на кубический метр. Отсюда следовала плотность Земли около 4500 килограммов на кубический метр.
Современное значение составляет 5515 килограммов на кубический метр. Для XVIII века такая точность выглядела выдающимся достижением.
Полученные данные позволили впервые рассчитать массу Земли с научной достоверностью. Кроме того, исследование подсказало ученым, что внутри планеты должны находиться гораздо более плотные вещества, чем на поверхности. Хаттон предположил существование металлического ядра плотностью около 10000 килограммов на кубический метр. По его оценке, этот внутренний слой занимал примерно 65% диаметра Земли.
В дальнейшем эксперимент вдохновил новые исследования. В 1798 году Генри Кавендиш выполнил знаменитый опыт с крутильными весами. В 1856 году Генри Джеймс повторил измерения возле холма Артурс-Сит в Эдинбурге и получил плотность Земли около 5300 килограммов на кубический метр.
Даже спустя более двух столетий результаты продолжают проверять. В 2007 году специалисты провели повторный анализ с использованием цифровой модели рельефа радиусом 120 километров, современных геологических данных и компьютерных расчетов. Итоговая оценка составила 5480 ± 250 килограммов на кубический метр, что очень близко к современному значению 5515 килограммов на кубический метр.
Эксперимент на горе Шихаллион стал одной из крупнейших научных побед XVIII века. Он подтвердил, что законы Ньютона работают не только для планет и спутников, но и для обычных объектов на поверхности Земли. Благодаря сочетанию астрономии, математики и геодезии ученые впервые получили возможность оценить массу всей планеты.
Сегодня Шихаллион остается памятником истории науки. Тысячи туристов поднимаются на ее склоны ради красивых видов. Однако именно здесь почти 250 лет назад гора превратилась в уникальный научный инструмент, который помог человечеству понять размеры собственного мира.
____________
Поблагодарить автора можно донатом по кнопке справа :)