Milyen nehéz a Föld?

A Föld tömegét több száz évig tartott megbecsülni, és a szakértők még most sem értenek egyet a pontos számban.

Bolygónkon a kemény kőzetektől és ásványoktól kezdve az élőlények milliónyi fajáig minden megtalálható, és számtalan természetes és ember alkotta építmény is borítja.

Milyen nehéz a Földünk? Erre a kérdésre nincs egységes válasz. Ahogyan az emberek is sokkal kevesebbet nyomnak a Holdon, mint otthon, úgy a Földnek sincs egyetlen súlya. A Föld súlya a rá ható gravitációs erőtől függ, ami azt jelenti, hogy a Föld súlya lehet több trillió kilogramm is.

Amit azonban a tudósok évszázadok óta meghatároznak, az a Föld tömege, ami a mozgással szembeni ellenállását jelenti egy alkalmazott erővel szemben. A NASA szerint a Föld tömege 5,9722×1024 kilogramm.

Ez körülbelül 13 kvadrilliónak felel meg az egyiptomi Khafre piramisának, amely maga is körülbelül 4,8 milliárd kilogrammot nyom. A Föld tömege az űrpor és a légkörünkből kiszivárgó gázok hozzáadása miatt kissé ingadozik, de ezek az apró változások évmilliárdokig nem befolyásolják a Földet.

A fizikusok világszerte még mindig nem értenek egyet a tizedesjegyekben, és a végösszeg megállapítása nem volt könnyű feladat. Mivel a Földet nem lehet mérlegre tenni, a tudósoknak más mérhető objektumok segítségével kellett háromszögelniük a tömegét.

Az első összetevő Isaac Newton gravitációs törvénye volt, mondta Stephan Schlamminger, az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet metrológusa a Live Science-nek. Mindennek, aminek tömege van, gravitációs ereje is van, vagyis bármely két tárgy között mindig lesz valamilyen erő.

Newton gravitációs törvénye kimondja, hogy a két tárgy közötti gravitációs erő (F) meghatározható, ha megszorozzuk a tárgyak tömegét (m₁ és m₂), elosztjuk a tárgyak középpontjai közötti távolság négyzetével (r²), majd ezt a számot megszorozzuk a gravitációs állandóval (G), más néven a gravitáció belső erejével, vagy F=G((m₁*m₂)/r²).

Ennek az egyenletnek a segítségével a tudósok elméletileg meg tudták volna mérni a Föld tömegét a bolygónak a Föld felszínén lévő tárgyra ható gravitációs erejének mérésével. De volt egy probléma: senki sem tudott számot adni a G-nek.

Ekkor, 1797-ben Henry Cavendish fizikus elkezdte a “Cavendish-kísérletek” néven ismertté vált kísérleteket. Egy torziós mérlegnek nevezett tárgy segítségével, amely két forgó rúdból állt, amelyekhez ólomgömböket erősítettek, Cavendish a két halmaz közötti gravitációs erő nagyságát a rudakon lévő szög mérésével állapította meg, amely a kisebb gömböknek a nagyobbakhoz való vonzódásával változott.

“Munkája nagyon eredeti volt, és akkoriban nagy hatást gyakorolt” – mondta John West, a San Diegó-i Kaliforniai Egyetem fiziológusa a Live Science-nek.

A gömbök tömegének és távolságának ismeretében Cavendish kiszámította, hogy G = 6,74×10-11 m3 kg-1 s-2. A Nemzetközi Tudományos Tanács adatbizottsága jelenleg 6,67430 x 10-11 m3 kg-1 s-2-ben adja meg a G értékét, ami csak néhány tizedesjegynyi eltérést jelent Cavendish eredeti számához képest. A tudósok azóta a G-t használták a Föld tömegének kiszámítására más, ismert tömegű objektumok segítségével, és így jutottak el a ma ismert 13,1 szeptimilliárd fonthoz.

Bár Cavendish kísérlete óta több mint két évszázad telt el, a torziós mérleg módszerét még ma is használják, mondta West. Schlamminger azonban hangsúlyozta, hogy bár Newton egyenlete és a torziós mérleg fontos eszközök, az általuk szolgáltatott mérések továbbra is ki vannak téve emberi hibáknak. A Cavendish kísérletei óta eltelt évszázadok során különböző tudósok tucatnyi alkalommal mérték meg a G-t, és mindegyikük kissé eltérő eredményre jutott. A számok csak ezredrésznyi tizedesjegyekkel térnek el egymástól, de ez elég ahhoz, hogy megváltoztassa a Föld tömegére vonatkozó számításokat, és elég ahhoz, hogy zavarja az azt mérő tudósokat.

“Számunkra ez egy papírvágás a bőrünkön, amit helyre kell hoznunk” – mondta Schlamminger

A G körüli csalódások ellenére Schlamminger nem gondolja, hogy az eltérés ebben a számban feltétlenül rossz.

“Néha ez az a repedés, amit az univerzum ad nekünk, amire alkalmazhatjuk a karunkat, és több tudományos megértést kaphatunk” – mondta. “Lehet, hogy ez egy olyan rés, amit az univerzum kínál nekünk, és nem akarjuk kihagyni ezt a lehetőséget.”