地球的大小和质量的分析介绍

地球的大小和质量

1．地球的大小

公元前300多年，古希腊著名学者亚里士多德（前384～前322，见图2－1）就得出了地球是球体的结论。紧接着，古希腊的地理学家埃拉托色尼（前275～前193）出色地完成了测量地球大小的工作。他巧妙地利用太阳光线作为参照，测出亚历山大港与阿斯旺两地间的地面弧距，再测出这两地间的地面距离，利用这两个数据算出地球的周长，大约为39 816千米。这与目前测算的结果相当接近。

现代科学家不仅可以在地面上用三角测量法对地球做精密的测算，而且还可以利用人造卫星在空中对地球进行精确测量，由此得出了地球大小的精确值。

18世纪后半叶，正是自然科学飞速发展的时期，同时也面临着许多“难题”。其中“如何称出地球质量”就是最著名的一个。当时，经过测量和计算，已经知道地球的半径约为6 400千米，已经知道地球的表面积是5．1×10¹⁴米²，也知道地球的体积为1．083×10²¹米³，都是极其巨大的数字。

图2－1　亚里士多德（左），柏拉图与亚里士多德（右）

那么，人们非常想知道：地球的质量是多少呢？

在托勒密宇宙体系和哥白尼宇宙体系（见图2－2）中都关注地球的位置。人类居住的地球是一个非常巨大的球体，地球的平均密度大约是5．52克／立方厘米，体积约为1．083万亿立方千米，以密度乘以体积，简单计算可知地球质量。现在一般教科书上公布的地球质量约为5．978×10²⁴千克，读者可以暂且承认地球重量约为60万亿亿吨。

图2－2　托勒密宇宙体系（左）和哥白尼宇宙体系（右）

2．地球的质量

在人们认识并定义了物体的质量概念以后，有关地球质量的研究就自然而然地摆到了科学家面前。人们意识到，地球是如此之大，以至于根本不可能用任何方法得到一个能改变其运动状态的力，而且，人们也绝对无法从生活经验中获得方法来称出地球的质量（见图2－3）。那么，地球的质量又是怎么测算出来的呢？

图2－3　地球照片

换一个角度考虑，我们能不能不去直接称地球的质量，而是采用间接的方法达到目的。设想在距地心一定远的地方测出某个常见物体所受的重力，就可以将其与该物体在地球表面所受到的重力引力相比较，在该物体质量已知的条件下，就可求出地球的质量。尽管如此，我们仍然要面对一个困难，即地球引力其实非常小，以至于只有在它作用于巨大的物体（与巨大的物体相互作用）时才明显显露出来。

与其他有巨大破坏力的作用力一样，地球引力十分强大，这主要是因为我们将它与硕大的地球联系起来了。当它作用于一个乒乓球这样大小的物体时，它产生的引力是那么小，以至于人们几乎无法测定它。

有人也许会想，很简单，地球体积和密度的乘积就是地球的质量。然而地球由表面到核心处，物质结构有很大区别，密度也随之有很大变化，因而采用这种方法有很多困难。

科学家想到了万有引力定律：任何两个物体间都存在着一对相互吸引的力，这一对力大小相等，方向相反，其大小与两个物体的质量乘积成正比，与其间距离的平方成反比。利用这一定律人们测出地球的质量约为60万亿亿吨，由地球的质量和体积，求出地球的平均密度约为5．52克／厘米3（5．52千克／分米3）。

正因为地球巨大的质量才产生了强大的引力。在这强大引力的作用下，不仅地球表面的万物都被紧紧地束缚在地球上，而且围绕在地球周围的大气也无法逃逸。

第一个用现代科学方法测量出地球质量的人是谁？他就是英国的大科学家亨利·卡文迪什（1731～1810，见图2－4）。1798年，他通过自己设计的巧妙实验，间接测量出地球巨大的质量数值，被人们誉为“第一个称地球的人”。

图2－4　卡文迪什

卡文迪什测出地球的质量约为6×10²⁴千克。这一数据直至今天仍一直被科学界所认可。在一般科学计算中，这个数值已经足够精确。因而，卡文迪什的研究可以说是在该领域的首创。