第三章　重力

1.悬锤与摆

在人们看来，悬锤与摆恐怕是最简单的科学仪器了，但就是这么简单的工具，却帮助人们取得了神奇的科学功绩。在它们的帮助下，人们深入到了地球的核心！想象一下深入我们脚下几十千米深的地方究竟意味着什么？要知道世界上最深的钻井也达不到千米，这与地面上的悬锤和摆探测出的深度根本难以相提并论！

图16　地层中的空隙A与密层B都能使悬锤偏斜

这一科学功绩的力学原理并不难理解。如果地球具有完全均匀的结构，我们就能计算出悬锤在任何地点上的方向。但事实上地球浅层与深层的质量分布并不均匀，因此悬锤理论上的方向就被改变了（见图16）。比如说悬锤在山峰附近会略微偏向山峰的方向，离山峰越近，山峰的质量越大，悬锤的倾斜程度就越大（见图17）。然而地层里的空隙对悬锤是近乎排斥的，它会使悬锤被周围的质量吸引到相反的方向，这时的排斥力有多大？相当于能够填满这个空隙的所有填充物的质量能够产生的引力。不仅如此，当蕴藏的物质密度小于地球基本地层的密度时，悬锤就会受到排斥，只不过力度上略小一些罢了，所以悬锤是能够帮助人们判断地球内部构造的比较理想的工具。

图17地表的剖面与悬锤的方向

相对而言，摆在这方面的能力更加突出。这种装置的性能在于：如果摆动幅度非常小，那么每摆一次所用的时间与摆幅的大小几乎没什么关系，因为摆动的时间是相同的。我们研究一下与摆动的时间真正有关的因素，即摆的长度和它在该地点的重力加速度。在摆动幅度比较小的情况下，任何一次全摆所用的时间（周期T）都可以用下面的公式表示：

假设摆长为1米，重力加速度的单位就应该是米/秒2。我们把每秒向一个方向摆动一次的摆叫作“秒摆”，在研究地层的结构时，如果使用秒摆，就有下面的公式：

很明显，任何重力的改变都会对摆的长度产生影响，为了真正实现秒摆，就必须对摆的长度进行调整。使用这种方法，即使是重力的千分之一的变化都能探测到。

使用悬锤与摆进行类似研究的方法比想象中要复杂得多，但在这里就不赘述了，我想利用有限的篇幅为大家指出几个饶有趣味的结果。

我们会很自然地认为，悬锤在山的旁边时会向山倾斜，那么它在海岸边的时候也一定会向陆地倾斜。但实验结果恰好相反，摆能够证明，重力在海洋和海岛上的作用要大于在海岸边的作用，而它在海岸边的作用又要大于在远离海洋的陆地上的作用。这足以说明，组成海底地层结构的物质要比组成陆地地层结构的物质重，地质学家们推测出地壳的岩石构成的依据就是这些物理学事实探测到的珍贵资料。

这种研究方法在探查“地磁异常区”的原因时同样功不可没。

现在，另一种可以精确地记录重力异常的科学方法已经被发明出来了。由于地球的形状并非正圆形，构造也并非绝对均匀，这使人造地球卫星的运行受到了影响。从理论上讲，当卫星在山脉或者岩层密度很大的位置上空飞过时，这些地方的大质量物质会对卫星施加引力作用，导致卫星的飞行高度略有下降，并加大卫星的飞行速度，而事实上，只有当卫星为避免受大气阻力的影响而将飞行高度提升到极限时，才可能使这些效应被记录下来。