一座苏格兰山如何称重地球

保罗·斯塔福德

18 世纪对地球称重的探索对于更好地了解我们的宇宙至关重要——苏格 兰的一座孤山帮助完成了这项任务。

一世

1774 年夏天，英国皇家天文学家内维尔·马斯克林 (Nevil Maskelyne) 站在苏格兰山的一侧，凝视着远比景色更深刻的事物。他试图计算出地球的重量。

位于佩思郡的 Schiehallion 是通常被称为鲸背脊的地方。这座山从东到西——北坡和南坡都非常陡峭——以陡峭、陡峭的西坡为头，而更长、更平缓的东坡则为尾，大多数徒步旅行都尝试向上攀登。

当我第一次从兰诺赫湖的北岸看到席哈利翁的头端时，我意识到它几乎可以当作火山，陡峭的侧面向上逐渐变尖。这正是 Maskelyne 在 1772 年要求天文学家查尔斯·梅森（Charles Mason）寻找合适体积进行测量的任务时所要求的那种山。

了解地球的质量将使科学家能够预测已知宇宙中每个已知物体的相对质量，例如太阳。

梅森还需要测量山的体积并根据构成山的岩石类型预测其平均密度。根据这些数字，Maskelyne 将能够计算出这座山的质量。反过来，他可以将这些发现放大，以确定地球质量到可接受的准确度，使用地球半径来计算其体积，并对当时我们星球的密度做出最有根据的猜测。了解地球的质量将使科学家能够预测已知宇宙中每个已知物体的相对质量，例如太阳。

梅森四处旅行，最终在当地吉利户外向导的专家帮助下找到了 1,083 米高的 Schiehallion 。尽管一位杰出的测量师在通过建立梅森-狄克逊线（后来在内战中被选为分界线）解决了美国的贵族土地争端后最近返回英国，在苏格兰高地对他没有吸引力。

尽管 Schiehallion 的北坡和南坡极其陡峭，但其东侧要缓和得多

因此，Maskelyne 选择亲自监督这项工作，最终使 Schiehallion 在徒步世界中获得了类似于名人地位的东西，每年访问的 20,000 名徒步旅行者就证明了这一点。徒步开始时，他们每个人都经过一个纪念石碑，庆祝 Maskelyne 和他的团队在福斯布雷斯停车场的工作。

在我自己登上 Schiehallion 不久后，我看到我的第一个徒步旅行者在一条人迹罕至的小路上跋涉，看起来有些凌乱。初秋在烧焦的赭色中重新命名了蕨菜斜坡，而我上方只有云彩，大概还有山的其余部分。然而，由于附近没有大山，较低的山坡上的景色已经暴露了苏格兰中部的大片土地。

当徒步旅行者靠近我时，我发现他有一种急切的疲惫。“我做到了，”他说。“我的第一个 Munro”，指的是苏格兰的 282 座山峰，它们的山峰位于 3,000 英尺以上。看到停车场，他迫不及待地想要下山。“我很高兴一切都结束了，”他说。他那看起来像贝壳的史宾格猎犬跟在他身后，几乎没有停下来闻我的靴子。

重力似乎从未像您在上坡时那样强烈。短短几分钟，我就感受到了山的甜美牵引力。没过多久，眼前的地面就是我的全部；一块石头和坚硬的草的泥沼，引导我继续前进，直到每当我停下来休息时，我们就像疲惫的重量级拳击手一样摔倒。

艾萨克·牛顿爵士是第一个确定一切事物都有其自身引力的人。他还认为重力太弱，无法在低于行星水平的任何物体上进行测量。但是如果没有对地球重力的测量，就不可能计算出它的重量，因为重力是可变的。例如，如果我站在地球上的浴室秤上，我会比在水星上的同一套秤上更重，水星是一个比地球更小的行星，引力更低，即使我的质量保持不变。

Maskelyne 和他那个时代的其他科学家已经意识到，如果你能足够接近它的质心，一座山的引力实际上可能足够强大到可以测量。这意味着要找到一座坡度陡峭的山。但是，如果一座山有引力，其他所有山也会有引力，这可能会扭曲测量结果。出于这个原因，远离其他类似大小的山脉的 Schiehallion 是完美的选择。

徒步开始时的纪念石碑庆祝 Maskelyne 和他的团队的工作

Maskelyne 要求在 Schiehallion 陡峭的北坡和南坡的最靠近山脉质心的点上建造观测站。从这里悬挂着一个钟摆，被我们星球自身的超强引力拉向地球中心。至关重要的是，Maskelyne 需要证明 Schiehallion 的引力将钟摆的摆锤从其垂直位置拉开。

Maskelyne 通过跟踪来自每个观测站的 43 颗不同恒星的过境来对所谓的“真正垂直”（即钟摆的角度）进行三角测量，如果它悬挂在平坦的平原上，仅受地球引力的影响没有别的。他发现，从山体两侧的每个观测站，钟摆都明显偏离了真正的垂直方向，朝向山体。

Schiehallion 的引力由此被证明，但这项工作才刚刚开始。接下来，要测量整座山以计算其体积，这项任务落到了数学家查尔斯·赫顿 (Charles Hutton) 的团队身上。

恶劣的天气对于 Schiehallion 来说当然并不陌生。由于这个原因，Hutton 的团队花了将近两年的时间才完整地绘制了这座山。当我到达山脊顶部时，云层进一步下降，遮蔽了一切。很快，标记清晰的路径消失在一个充满挑战的巨石场中。只有奇怪的被雾气遮蔽的石碑指明了道路。

一对光谱夫妇在黑暗中出现，告诉我峰顶不远了。十分钟后，我所走的路线似乎在走下坡路。但更糟糕的是，凯恩斯消失了，小路正朝着陡峭的北面倾斜。我发现很难分辨我所站的巨石是悬在深渊之上还是只是更多的石头，所以我停下来拿出我的地图和指南针。

当赫顿完成对这座山的勘测时，他有一张地图，上面有数千个精确的纵向和海拔读数。在学校，我们学习通过乘以长、宽和高来计算立方体的体积。但现实生活并没有给我们直线；它给了我们曲线、像差、小丘和裂缝。这些正是 Hutton 的测量结果所显示的。

席哈利翁附近没有山峰发挥自己的力量，这使它成为实验的完美候选者

事实证明，他们的计算有点小技巧，计算整座山的体积几乎是不可能的。然后赫顿有一个巧妙的想法，通过将相似高度的值聚集在一起来划分山。他拿起一支铅笔，将这些高度点连接在一起，形成了一系列不完美的环。无意中，他刚刚发明了等高线，时至今日，它仍然是地图上最有价值的信息之一。

正如我所怀疑的，我迷路了。在正确的路径从 Schiehallion 的许多假山峰之一稍微下降后，我走错了弯。我的地图在我判断自己站立的地方显示了密集的等高线，这意味着它很快就会变得非常陡峭。我猛地往回走，感谢赫顿和他的轮廓线很可能让我免于跌落悬崖边缘。

1775 年，马斯克林向皇家学会提交了最终结果。我们现在知道，Maskelyne 和他的团队的估计与现在认为的地球质量相差不到 20%（5.97 x 10^24kg，如果你想知道的话），这是对当时之前估计的重大改进. Maskelyne 和 Hutton 的测量值在2007 年才被使用，以获得对地球质量的更接近的估计。

科学发现与在寒冷、潮湿、多云的山腰徒步旅行没有什么不同。但这项 18 世纪的壮举为未来的天文学家和物理学家清除了大量迷雾，更不用说每天都试图登上 Schiehallion 顶峰以向这一地质奇迹对我们了解宇宙的贡献致敬的许多徒步旅行者。多亏了这些实验，那些巧妙的轮廓线总能让我们感觉到山的形状，即使我们的眼睛看不到。