SCIENCE 3D | 캐번디시 실험 (지구 무게 재기)

무슨 일이 일어났나

캐번디시 실험은 가는 줄에 매단 막대 양 끝의 작은 납공이 가까이 둔 큰 납공에 끌려, 막대가 돌아가는 아주 작은 각을 재는 실험입니다(비틀림 저울).

줄은 비틀릴수록 되돌리려는 힘이 커져, 끌림과 맞서는 각에서 멈춥니다. 막대가 흔들리는 주기로 줄의 뻣뻣함(비틀림 상수)을 알면, 멈춘 각에서 끄는 힘을 거꾸로 구할 수 있습니다.

시뮬레이터에서 큰 공 100 kg, 거리 20 cm 이면 막대는 0.176° 에서 멈추고, 그 각으로 잰 G 는 6.73×10⁻¹¹ m³/(kg·s²) 입니다. 큰 공을 200 kg 으로 바꾸면 멈추는 각이 0.357° 로 두 배쯤 커집니다.

오늘의 권장값은 G = 6.674 30×10⁻¹¹ m³/(kg·s²)(CODATA 2022)이고, NIST 는 2026 년에 6.67387×10⁻¹¹ 을 새로 재어 냈습니다. 200 년 넘게 연구자들이 다시 재고 있는 값입니다.

책상 위에 나란히 둔 두 공책도 서로를 끌어당기지만, 책상 마찰이 그 힘보다 훨씬 커서 꼼짝하지 않습니다 — 캐번디시가 막대를 가는 줄에 매단 까닭입니다.
햇빛이 비친 손거울을 아주 조금만 기울여도 벽에 비친 빛 점은 크게 움직입니다. 캐번디시도 거울과 빛 바늘로 막대의 작은 회전을 크게 키워 읽었습니다.

이 장치는 존 미첼이 설계했지만, 미첼은 실험을 하지 못한 채 1793 년에 세상을 떠났습니다. 장치는 F. J. H. 울러스턴을 거쳐 헨리 캐번디시에게 넘어갔고, 캐번디시는 1798 년 이 장치로 논문 제목 그대로 «지구의 평균 밀도» 를 쟀습니다.