Experiment zum „Wiegen“ der Erde vor über 200 Jahren

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Im Jahr 1798 führte der Wissenschaftler Henry Cavendish in einem dunklen, abgedichteten Raum Experimente mit Kugeln durch und berechnete die ungefähre Dichte der Erde.

Erde und Mond. Foto: NASA — Erde und Mond. Foto: *NASA*

Ende des 17. Jahrhunderts stellte der Wissenschaftler Isaac Newton das Gesetz der universellen Gravitation auf: Jedes Teilchen im Universum zieht jedes andere Teilchen mit einer Kraft (F) an, die durch die Masse (M) und das Quadrat des Abstands zwischen den Mittelpunkten der beiden Teilchen (R) bestimmt wird. Da G die Gravitationskonstante ist, lautet die Gleichung für dieses Gesetz: F = G(M1xM2/ ^R2 ).

Kennt man also die Masse eines Objekts und die anderen Informationen in der Gleichung, kann man die Masse des zweiten Objekts berechnen. Angenommen, eine Person mit bekannter Masse kann die Masse der Erde berechnen, wenn sie weiß, wie weit sie vom Erdmittelpunkt entfernt ist. Das Problem ist, dass zu Newtons Zeiten die G-Kraft noch nicht bestimmt war, sodass das Wiegen der Erde unmöglich war.

Die Kenntnis der Masse und Dichte der Erde wäre für Astronomen äußerst nützlich, da sie ihnen helfen würde, die Massen und Dichten anderer Objekte im Sonnensystem zu berechnen. 1772 gründete die Royal Society of London das „Gravitational Committee“, um dies zu untersuchen.

Im Jahr 1774 versuchte eine Gruppe von Experten, die durchschnittliche Dichte der Erde mithilfe des Berges Schiehallion in Schottland zu messen. Sie zeigten, dass die enorme Masse des Berges Pendel anzog. Sie berechneten die Dichte der Erde, indem sie die Bewegung des Pendels maßen und den Berg vermaßen. Diese Messung war jedoch nicht sehr genau.

Illustration des Wissenschaftlers Henry Cavendish und seines Erdwägeexperiments. Foto: Wikimedia — Illustration des Wissenschaftlers Henry Cavendish und seines „Wiege“-Erde-Experiments. Foto: *Wikimedia*

Auch der Geologe Reverend John Michell untersuchte die Masse der Erde, konnte diese jedoch vor seinem Tod nicht abschließen. Der englische Wissenschaftler Henry Cavendish verwendete Michells Ausrüstung, um das Experiment durchzuführen.

Er konstruierte eine große Hantel mit 5 cm breiten Bleikugeln, die an den Enden eines 183 cm langen Holzstabs befestigt waren. Der Holzstab hing in der Mitte an einer Schnur und konnte sich frei drehen. Anschließend wurde eine zweite Hantel mit zwei 30 cm breiten Bleikugeln, die jeweils 159 kg wogen, nahe an die erste Hantel herangeführt, sodass die großen Kugeln die kleineren anzogen und so eine leichte Kraft auf den hängenden Stab ausübten. Cavendish beobachtete die Schwingung des Stabs viele Stunden lang.

Die Gravitationskraft zwischen den Kugeln war so schwach, dass selbst die geringste Luftströmung das heikle Experiment hätte zerstören können. Cavendish stellte die Apparatur in eine abgedichtete Kammer, um Luftströmungen von außen zu vermeiden. Er benutzte ein Teleskop, um das Experiment durch ein Fenster zu beobachten, und installierte ein Flaschenzugsystem, um die Gewichte von außen zu bewegen. Der Raum wurde abgedunkelt, um Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Teilen des Raumes zu vermeiden, die das Experiment hätten beeinträchtigen können.

Im Juni 1798 veröffentlichte Cavendish seine Ergebnisse in der Zeitschrift Transactions of the Royal Society in einer Studie mit dem Titel „Ein Experiment zur Bestimmung der Dichte der Erde“. Er stellte fest, dass die Dichte der Erde 5,48-mal so hoch wie die von Wasser ist, also 5,48 g/cm3, was ziemlich nahe am modernen Wert von 5,51 g/cm3 liegt.

Cavendishs Experiment war nicht nur wichtig für die Messung der Dichte und Masse der Erde (geschätzt 5,974 Billiarden Kilogramm), sondern auch für den Nachweis, dass Newtons Gravitationsgesetz auch auf viel kleineren Skalen als der des Sonnensystems gilt. Seit dem späten 19. Jahrhundert werden verbesserte Versionen des Cavendish-Experiments zur Bestimmung von G verwendet.

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