Kui suure gravitatsioonijõuga mõjutavad teineteist kaks 45-kilogrammise massiga pliikuuli, mille masskeskmed paiknevad teineteisest 20 cm kaugusel? Võrdle seda jõudu raskusjõuga, mis mõjub ühele kuulile. Erna Paju, Venda Paju, Füüsika ülesannete kogu gümnaasiumile, ül 4.5.

Miks on oluline, et need kuulid on just pliist?

Kui kuulid oleks mõnest väiksema tihedusega ainest ja seepärast ruumalalt suuremad, ei saaks neid teineteisele nii lähedale paigutada. Muidugi võib ülesande suurema kauguse peale ümber teha. Jõud on nii ehk naa väga väike, sest gravitatsiooniline vastastikmõju on nõrk. Võib-olla on pliikuulidel teaduse ajaloos oluline koht?

1783. aasta paiku planeeris inglise loodusfilosoof, nagu tol ajal teadlasi nimetati, John Michell maakera kaalumise katse. Valmistati suur väändkaal (torsioondünamomeeter), millega loodeti mõõta imepisikest pliikuulide vahelist gravitatsioonilist tõmbumist. Kasutati nelja, mitte väga suurt kuuli. Kaks massiivset kera olid 30cm läbimõõduga (158kg), kaks pisemat 5,1cm (730g). Michell suri enne katse toimumist ja seade jäi Henry Cavendishi kätte.  Tema täiustas aparatuuri ja kuigi põhimõte pärineb Michellilt, tuntakse mõõtmist nüüd Cavendishi eksperimendina. Seda nimetatakse ka gravitatsioonikonstandi määramiseks, kuigi omal ajal oli küsimuseks ikkagi Maa tihedus.

Mõõtmine ei olnud lihtne. Jõud on väga väike (umbes võrdne suuremale liivaterale mõjuva raskusjõuga) ja igasugused kõrvalmõjud võivad tulemuse rikkuda. Temperatuuri muutuste ja õhu liikumise vähendamiseks paigutas Cavendish kogu seadme kinnisesse ruumi ja eraldi hoonesse. Liikumisi vaatles ta läbi seina paigaldatud teleskoopidega.

Cavendishi seadme makett. Mõõtkava paneb paika taburett pildi vasakus servas.

Aparatuur koosneb kahest põhiosast. Pliikuulid ripuvad paariti pikkade (1,8m) kangide otstel. Suuremad kuulid ühel, väiksemad teisel. Väiksemate kuulide riputamiseks kasutatud traat töötab väändvedruna, mille jäikus määratakse päripäeva-vastupäeva võnkumise perioodi, kangi pikkuse ja massi järgi. Cavendishi seadmes oli periood umbes 20 minutit. Seejärel tuuakse kaugjuhtimisega lähedale suuremad kuulid ja väikesed kuulid tõmbuvad gravitatsiooniliselt nende poole, pöörates oma kangi teatud nurga võrra. Seadme väiksemate kuulidega pöörduv osa ei jäänud paigale, vaid võnkus lõputult edasi-tagasi ja varda otste kõrvalekalle tuli mõõta liikumise pealt.

Cavendish oli väga kinnise iseloomu ja veidrate käitumismaneeridega mees. Häbelikkusest jättis ta mitmeid oma töid avaldamata. Neist on hiljem leitud üht-teist, mille teised teadlased pidid hiljem uuesti avastama. Maa tiheduse katse kokkuvõte ilmus siiski 1798. aastal Kuningliku Ühingu ajakirjas „Philosophical Transactions”. Kuigi Cavendishil jäi sisse väike arvutusviga, ei muutnud see lõpptulemust kuigi palju.  Maa keskmiseks tiheduseks saadi tänapäevastesse ühikutesse pandult umbes 5,4g/cm³. See on üllatavalt suur tihedus, sest pea kõik, mida me maapinnalt leiame (vesi, kivid, puud, loomad) on väiksema tihedusega. Tõsi, võib leida ka mõned terakesed suurema tihedusega aineid, näiteks kulda, aga seda on ilmselgelt liiga vähe. Maakera tuumas peab olema midagi väga rasket.