Maa ON ümmargune. Teadlaste ÖÖ Cavendishi eksperiment õnnestus (23)
28. september 2019, 17:33
28. septembri keskpäeval asusid Tartu ülikooli füüsikud Toomel ülikooli muuseumi valges saalis kordama katset, mida tuntakse Cavendishi eksperimendina. Läks aega ja vaeva, aga katse õnnestus, mis tähendab, et Maa on ümmargune.
Ürituse lõpuks jõudis kohale ka Hando Tõnumaa, kes on Eestis üks tuntumaid lameda Maa teooria kõnelejaid. Katse läbiviija, füüsik Üllar Kivila ja Hando Tõnumaa vahel arenes dispuut, mida on võimalik videost jälgida.
Mida tahtis Cavendish?
Henry Cavendish oli aastail 1731–1810 elanud Inglise loodusfilosoof, kes tegi oma elu jooksul hulga eksperimente nii teoreetilise füüsika kui ka keemia alal.
Cavandishi eksperimendiks hakati nimetama aga sellist katset, millega püüti teada saada Maa tihedus ja arvutada välja, kui palju Maa kaalub. Teisisõnu võib seda nimetada gravitatsioonikonstandi määramiseks.
Katse õnnestumise nimel nägi vaeva Tartu ülikooli füüsikud Üllar Kivila, samuti Ahhaa juhataja Andres Juur. Selgitusi jagas professor Jaak Kikas, kes ütles, et selle eksperimendiga pandi enam kui 200 aastat tagasi päitsed pähe looduse kõige saladuslikumale, aga ka kõige nõrgemale jõule.
Selle tõestuseks, et Maa gravitatsioonijõud pole kuigi tugev, hüppas Jaak Kikas hoogsalt maast lahti ning maandudes kandis ette, et võitiski parasjagu planeeti Maa.
Mingi tõde selles tõesti oli. Samas, nagu ta ise lisas, end maast lahti tõugates kasutab inimene siiski hoopis teisi jõude.
Ka hoidis Jaak Kikas nööri otsas õuna, korrates juba Isaac Newtonit vaevanud küsimust: miks see õun siis kukub maha ja mitte üles?
Miks õun kukub alla?
Gravitatsiooni ehk maakeeli raskusjõu toimimise kirjeldus on lihtne – kõik massiga kehad tõmbuvad üksteise poole. Mida suurem mass, seda suurem tõmme. Inimesed ei märka igapäevaste esemete vahel gravitatsiooni mõju aga seepärast, sest nende jalge all asub hiiglasliku massiga planeet, mis kõike enda poole tõmbab.
18. sajandi lõpul oli olukord niisugune, et teati, kui tugevalt Maa tõmbab, kuid ei teatud Maa massi. Teati küll paljude väiksemate esemete massi, aga ei suudetud mõõta nendevahelist tõmmet.
Lõpuks õnnestus Inglise teadlasel Henry Cavendishil väga tundliku väändkaalu ja raskete pliikuulide abil mõõta gravitatsioonijõudu igapäevase suurusega esemete vahel.
Ülikooli muuseumis prooviti täna seda katset korrata, see andis hea visuaalse ülevaate muidu nii abstraktsest loodusjõust.
Katse anatoomia
Väändkaalu põhimõtet kirjeldas ekraanile joonistatud skeemi abil füüsik Üllar Kivila.
Väändkaal kujutab selles katses endast terastrossi otsas rippuvat kangi, mille otstes on pliikuulid. Üks selle kaalu olulisemaid omadusi on ülitundlikkus.
See oli ka põhjus, miks muuseumi saali kogunenud rahvas pidi olema sokkides ning miks kaaluseade ise oli peidetud barjääri taha ning seda ei tohtinud väga lähedalt enne katse lõppu vaatama minna.
Eksperimendi eel pandi kaal kõigepealt rahunema. Kui see oli täielikult stabiliseerunud, veeretati kaalu otstes olevate väikeste kuulide lähedale suuremad kuulid – üks ühest kangi otsast ühele poole ja teine teisest kangi otsast teisele poole. Pärast vastupidi.
Kaal keerduski algul ühele, pärast teisele poole. Ja kaalu pani liikuma ei miski muu kui kuulide vaheline raskusjõud.
Väikesed kuulid kaalusid umbes 1,3 kilogrammi ja suuremad üle 150 kilogrammi. Kuulid olid pliist seetõttu, et plii on üks tihedamaid laialt levinud metalle, see on 40 protsenti rauast tihedam, ning pliid ei mõjuta magnetväljad.
Arvestada tuli seda, et üsna suurest massist hoolimata oli nende kuulide gravitatsioon siiski nõrk. Kuulid tõmbusid teineteise poole jõuga, mis oli umbes võrdne ripsmekarva kaaluga. Nii väikse jõu mõõtmiseks ongi vaja ülitundlikku kaalu, ning selleks, et kaal töötaks, tuli ruumis kõrvaldada mõõtmisi segav õhuringlus ja igasugune vibratsioon.
Henry Cavendishil kulus oma katsevahendi ehitamiseks ja mõõtmisteks üle aasta. Tema paigutas temperatuuri muutuste ja õhu liikumise vähendamiseks oma seadme täiesti kinnisesse ruumi ja ka eraldi hoonesse. Liikumisi vaatles ta läbi seina paigaldatud pikksilmadega.
Kui palju kaalub Maa?
Aga kuidas aitab niisugune katse Maa massi välja arvutada?
Kõigepealt saab katsest vastuse, kui suur jõud on vajalik väändkaalu mingi nurga võrra algpunktist välja väänamiseks. See annab teada raskusjõu suuruse kahe kindla massiga eseme vahel. Ja selle info abil on juba võimalik tuletada Maa mass.
Aga mitte ainult Cavendishil, vaid ka ülikooli füüsikutel võttis eksperimendi läbiviimine aega.
Jaak Kikas jõudis rääkida gravitatsioonikonstandist ja selle valemist. Sellestki, et kui gravitatsioon toimib, siis väga suured objektid, sealhulgas planeet Maa, ei saa omada suvalist kuju, vaid vajuvad oma raskuse all kerakujulisteks.
Kui sündmuse algusest oli möödunud 46 minutit, ei olnud kaal veel stabiliseerunud. Aga kella 14.45 paiku võis lugeda katse õnnestunuks. Selleks ajaks oli katse alal veeretatud suuri kuule kord ühte, seejärel teise asendisse ning ka kaal oli väändunud kord ühele, kord teisele poole.
Tee gravitatsiooni olemuse mõistmisel ei ole kindlasti veel lõpuni käidud. «Teadlased on avastanud neli vastastikmõju liiki ning gravitatsioon on neist kõige nõrgem ja seni ikka veel kõige salapärasem,» on öelnud professor Jaak Kikas. «Tuleb oodata uudiseid!»
Cavendishi eksperiment oli AHHAA teadusfestivali Teadlaste ÖÖ üks kolmest supereksperimendist.