18世纪

卡文迪许测量地球的质量

地球质量是地球的一个非常重要的基本参数，知道了地球的质量和体积，就可以计算出地球物质的平均密度。但是，问题的关键是，怎样才能知道地球的质量？2000多年前，伟大的阿基米德曾经说过：“给我一个支点，我就能撬起地球。”阿基米德最早发现了杠杆原理，理论上我们可以利用杠杆原理称量出地球的质量，但实际上，在茫茫宇宙中不可能存在一个能撑起地球的杠杆的支点。真正测量出地球质量的人，是18世纪的英国科学家卡文迪许。

卡文迪许Ⓟ

1687年，牛顿出版了划时代的巨著《自然哲学的数学原理》，这本书奠定了现代自然科学的基础。在这本书中，牛顿提出了万有引力定律，即任意两个质点都会在它们质心连线方向上互相吸引，引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方呈反比。写成公式就是下面的样子：

公式中， F 为万有引力， M 、 m 分别为两个质点的质量， r 为两个质点连线的距离， G 为万有引力常数。

地球和地表的物体之间存在万有引力，这说明通过测量引力、距离和地表物体的质量，就可以计算出地球的质量。但是，问题的关键是，万有引力常数是多少？牛顿也不知道。100年后，卡文迪许用实验给出了答案。

晚年的卡文迪许设计了一套极其精妙的实验装置。在一根可以扭转的石英丝下，悬挂着一个T形架，T形架两端各固定一个质量为 m 的小铅球。T形架顶端固定着一面平面镜，固定位置射来的光线经平面镜反射后，呈现在一根有精密刻度的标尺上。此时，在距离两个小铅球相同的位置，各放置一个大铅球。由于引力作用，小铅球微微移向大铅球一侧，带动T形架转动，使标尺上的光标轻微移动。

石英丝的扭转力矩为 kθ （ k 为扭转系数， θ 为转动角度），T形架的转动力矩为 FL （ F 为大小铅球间的引力， L 为两个小铅球间的距离），平衡时，石英丝的扭转力矩等于小铅球的转动力矩，所以 kθ ＝ FL ， F ＝，万有引力公式为 F = G ，将上面公式代入，则：

公式中， k 、 θ 、 r 、 M 、 m 、 L 都可以通过实验精确测得，从而计算出万有引力常数的大小。

卡文迪许测量地球质量的实验装置Ⓢ

卡文迪许最终提交的实验报告长达57页，发表在1798年的英国皇家学会会报上。今天看来，这份报告通篇都是吹毛求疵般地追查误差来源的描述，甚至当年的评审专家都抱怨“读起来像是检讨错误的专题论文”。然而，由于大小球体之间的引力极其微弱，仅约为球体重量的5000万分之一。组件本身以及相互间作用的任何细微变化都会导致测量误差，甚至连组件本身温度与空气温度的差别引起的气流也会干扰测量结果。正是由于卡文迪许严谨的实验态度，才使他的结果经受住了时间的考验。200多年前，卡文迪许测量计算出的万有引力常数为6.75×10 ^-11 Nm ² ／kg ² ,与目前公认值6.67×10 ^-11 Nm ² ／kg ² 相比，结果非常接近。

卡文迪许实验过程的每个选择和操作都精细到令人心焦、心碎，测量的结果又令人心动、心醉，体现了科学实验的精确之美。

1735年

哈得来创立经向环流理论

在大航海时代，欧洲的航海家们为了确保所驾驶的船能顺利到达目的地，就必须把掌握信风的规律当作最重要的事。自从1686年哈雷提出信风理论，并试图解释信风成因以后，他的信风理论便传播到世界各地，到19世纪初已为大家所公认。

英国人乔治·哈得来既是一名律师，同时也是一名气象学家，他对信风的成因问题一直充满好奇。1735年，哈得来当选为英国皇家学会会员，之后不久，他便在《哲学学报》上发表了一篇很短的论文——《关于信风之起因》，针对地球上盛行的西风与信风的形成原因给出了自己的解释，并提出了大气环流的假设模型。

哈得来认为，赤道附近的空气因长时间被太阳照射，受热膨胀，空气密度变小，因而上升，到高空后往两极移动；之后气流随着纬度变高而逐渐冷却，密度增加后便下沉到地表附近，然后又流回到赤道，形成一个环流圈。

哈得来环流经向示意图这是最初的模型，后来

不过，他的理论开始并未为外人所熟知，同样的理论后来又有其他人独立提出过几次。其中，有一个名叫约翰·道尔顿的提出者发现，哈得来才是首先提出这一理论的人。在19世纪下半叶，这一理论逐渐被称为“哈得来原理”。

后来人们经过验证后发现，虽然从赤道上升的气流在高空确实往两极移动，但并未如哈得来所假设的那样吹至两极，而是在南、北纬30°附近便沉降了下来，然后以信风形式流回到赤道。不过哈得来的整个循环和成因假设大致和后人的研究相符，因此后人便将此大气环流称为“哈得来环流圈”。

信风的形成机制Ⓒ

现在我们知道，大气环流中至关重要的一点是，空气相对于地球运动时，地球自转对其运动方向有很大影响，而这个因素哈得来在其理论中并没有提及。

现在我们知道了更确切的原因：由于太阳直射点在南北回归线之间变动，所以赤道地区得到的太阳辐射较多，终年炎热。那里的大气受热膨胀，产生旺盛的上升气流，形成低气压。空气上升到高空后向两极扩散，在南、北纬30°附近下沉，形成副热带高压。而在大气低层，副热带高压区的空气则流回赤道低压区，以弥补那里因上升而损失的空气，从而在北半球形成北风，在南半球形成南风。但由于受地转偏向力的影响，北半球（南半球）气流会偏向运动方向的右侧（左侧），所以北半球（南半球）低纬度地区盛行东北风（东南风）。地转偏向力也叫科里奥利力，它来自物体运动所具有的惯性。物体在旋转体系中直线运动时，由于惯性的作用，有保持方向不变的趋势，但由于体系本身是旋转的，所以经一段时间后，运动方向会有变化。这个变化在旋转体系中被归结为一个外力的作用。