Bir gezegenin kütlesini tartmak… Kulağa imkânsız geliyor. Üzerinde durduğunuz bir şeyi nasıl ölçersiniz? 17. yüzyıl fizikçileri için bu soru neredeyse filozofik bir bilmeceden farksızdı. Newton’un 1687’de evrensel kütleçekimi yasasını yayımlamasına rağmen, Dünya’nın kütlesi hâlâ bilinmiyordu. Çünkü bu hesabı mümkün kılan kritik bir değişken – kütleçekim sabiti G – ölçülemiyordu.
Bu engel, bilim dünyasında 1797 yılına kadar aşılamadı. O yıl Henry Cavendish, yalnızca iki küçük metal küre kullanarak insanlığın ilk kez Dünya’nın kütlesini hesaplamasını sağlayan tarihe geçen bir deney gerçekleştirdi. Bu deney, hem Newton fiziğinin gücünü doğruladı hem de modern astronominin temel taşlarından biri olan Dünya’nın ortalama yoğunluğunu güvenilir şekilde belirledi.
Henry Cavendish
ARAŞTIRMANIN DETAYLARI VE METODOLOJİ
Newton’un Eksik Parçası: Kütleçekim Sabiti (G)
Newton, her parçacığın diğerini kütleleriyle doğru, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çektiğini öne sürdü. Denklem şöyleydi:
F = G × (M₁ × M₂) / D²
Denklem kusursuz görünse de bir sorun vardı: G sabitinin değeri bilinmiyordu. Bu sabit olmadan Dünya’nın kütlesini hesaplamak mümkün değildi. Newton ise, o dönemdeki teknolojiyle küçük cisimler arasındaki kütleçekiminin ölçülemeyecek kadar zayıf olduğunu düşünüyordu.
Komitenin Oluşumu ve İlk Girişimler
1772’de Kraliyet Cemiyeti, “Committee of Attraction” adlı bir kurul kurarak Dünya’nın yoğunluğunu belirlemeyi ulusal bilimsel öncelik hâline getirdi. İlk ölçüm girişimleri İskoçya’daki Schiehallion Dağı’nda yapıldı.
Araştırmacılar, dağın devasa kütlesinin sarkaçları hafifçe kendine doğru çektiğini gösterdi. Sarkaçtaki sapma ve dağın detaylı bir topografik haritası birleştirildiğinde, Dünya’nın ortalama yoğunluğuna dair ilk kaba tahmin elde edildi.
John Michell’in Tasarımı, Cavendish’in Uygulaması
Daha hassas bir ölçüm için ise bambaşka bir düzenek gerekiyordu. Jeolog Rahip John Michell, iki büyük ve iki küçük metal küre arasında oluşan mikroskobik kütleçekimi kuvvetini ölçmeyi amaçlayan bir bükülme terazisi (torsion balance) tasarladı. Ne var ki Michell deneyini tamamlayamadan hayatını kaybetti.
1797’de görevi Henry Cavendish devraldı ve Michell’in düzeneklerini mükemmelleştirerek tarihin en hassas kütleçekimi ölçümlerinden birini yaptı.
Deney Düzeneği
Cavendish’in kullandığı sistem şu temel bileşenlerden oluşuyordu:
- Her iki ucunda küçük metal küreler bulunan hafif bir çubuk
- Çubuğu askıda tutan, hassas bir bükülme teli
- Çubuğun yakınında sabitlenmiş büyük metal küreler
- Kürelere etki eden kütleçekimi kuvvetinin, çubuğu ne kadar döndürdüğünü ölçen optik bir gösterge sistemi
Bu çubuk, büyük kürelerin küçük kürelere uyguladığı son derece zayıf çekim nedeniyle çok küçük bir açıyla dönüyordu. Bu dönme açısı, bükülme telinin esneme katsayısı ile birleştirildiğinde iki küre arasındaki kütleçekimi kuvveti hesaplanabiliyordu.
İlk kez, gezegenler dışındaki cisimlerin kütleçekimi ölçülmüş oldu.
BULGULAR VE VERİ ANALİZİ
G Sabitinin İlk Güvenilir Ölçümü
Cavendish, iki metal küre arasındaki kuvveti ölçtüğünde, Newton’un denklemlerindeki bilinmeyen “G” sabitinin değerini çıkarabildi. Bu sabit sayesinde Dünya’nın kütlesi hesaplanabilecekti.
Cavendish’in ölçümü, modern değere son derece yakın bir sonuç vererek deneyin doğruluğunu kanıtladı.
Dünya’nın Kütlesi ve Yoğunluğu
Cavendish’in deneyinden çıkarılan verilere göre Dünya’nın kütlesi yaklaşık olarak:
5.974 × 10²⁴ kilogram
(ya da haber metnindeki verilere göre: 5,974,000,000,000,000,000,000,000 kg)
Pound cinsinden ise:
13,170,000,000,000,000,000,000,000 pound
Bu değer, Dünya’nın ortalama yoğunluğunun suyun yoğunluğundan oldukça yüksek olduğunu göstermekteydi; bu da gezegenin büyük oranda yoğun metallerden ve sıkıştırılmış maddelerden oluştuğunu teyit etti.
Neden Devrim Niteliğinde?
- İlk kez G sabiti deneysel olarak ölçüldü.
- Gezegenimizin kütlesi ve yoğunluğu bilimsel doğrulukla hesaplandı.
- G sabiti sayesinde daha sonra Güneş Sistemi’ndeki diğer gökcisimlerinin kütleleri de hesaplanabilir hâle geldi.
UZMAN GÖRÜŞLERİ / ALINTILAR
Cavendish genellikle alıntılanmayı sevmeyen, içine kapanık bir bilim insanı olarak bilinse de, deneyin bilimsel raporunda süreci şöyle açıklar:
“Bu deneyin amacı, Dünya’nın yoğunluğunu belirlemekti.”
Aslında Cavendish’in hedefi G sabitini bulmak değil, Dünya’nın ortalama yoğunluğunu belirlemekti; ancak yaptığı ölçümler modern fiziğin temel taşlarından birini ortaya koydu.
Cavendish’in çalışması yalnızca Dünya’nın kütlesini hesaplamakla kalmadı, aynı zamanda kütleçekimi fiziğini gezegen dışına taşıdı. Bugün astrofizikten kozmolojiye, karanlık madde araştırmalarından uzay görevlerinin planlanmasına kadar sayısız alanda kullanılan kütleçekim sabiti G, ilk kez bu deneyle ölçülebilir hâle geldi.
Modern fizik laboratuvarlarında G sabiti hâlâ en zor ölçülen sabitlerden biri olsa da, Cavendish’in 1797’de başlattığı yöntem bilim dünyasında referans noktası olmaya devam ediyor.
Dünyayı Tartmak: Henry Cavendish’in 1797’de İki Metal Küreyle Yaptığı Deney Nasıl Gezegenin Kütlesini Ortaya Çıkardı? yazısı ilk önce Beyinsizler üzerinde ortaya çıktı.
