캐번디시 실험(Cavendish experiment)은 1797년부터 1798년까지 영국의 과학자 헨리 캐번디시(Henry Cavendish, 1731~1810)가 수행한 물리학 실험으로, 실험실 환경에서 질량 사이의 중력(만유인력)을 측정한 최초의 실험이다. 이 실험은 지구의 밀도와 질량을 계산하는 것을 일차적 목표로 하였으며, 결과적으로 중력 상수(gravitational constant, G)의 최초의 정확한 값을 도출한 것으로 평가된다.
배경과 고안
이 실험의 장치는 원래 영국의 지질학자이자 천문학자인 존 미첼(John Michell, 1724~1793)이 1783년 이전에 고안한 비틀림 저울(torsion balance)을 기반으로 한다. 미첼은 실험을 완료하지 못한 채 1793년 사망하였고, 그의 장치는 프랜시스 존 하이드 울러스턴(Francis John Hyde Wollaston)을 거쳐 캐번디시에게 전달되었다. 캐번디시는 이 장치를 개량하여 실험을 수행하였고, 1798년 왕립학회(Philosophical Transactions of the Royal Society)에 결과를 발표하였다.
실험 장치와 방법
실험 장치는 길이 약 1.8m(6피트)의 나무 막대를 가는 철사로 수평으로 매단 비틀림 저울로 구성된다. 막대의 양쪽 끝에는 지름 51mm(2인치), 무게 약 0.73kg(1.61파운드)의 작은 납 구슬이 각각 부착되어 있다. 이와 별도로, 지름 300mm(12인치), 무게 약 158kg(348파운드)의 큰 납 구슬 두 개가 별도의 현가 장치에 매달려 있어 작은 구슬의 양옆으로 위치를 이동할 수 있게 되어 있다.
큰 구슬과 작은 구슬 사이의 미약한 중력 인력은 비틀림 저울 막대를 약 0.16인치(약 4mm) 정도 회전시켰다. 캐번디시는 이 회전각을 막대 양끝의 버니어 눈금(vernier scale)을 통해 0.01인치(0.25mm) 이하의 정밀도로 측정하였다. 실험에 관여한 힘은 약 1.74×10⁻⁷ N으로, 이는 작은 구슬 무게의 약 5천만분의 1에 해당하는 극히 작은 값이었다. 외부 공기 흐름과 온도 변화를 차단하기 위해 장치 전체는 마호가니 나무 상자 안에 넣어졌고, 폐쇄된 헛간 안에 설치되었다. 캐번디시는 헛간 벽의 구멍을 통해 망원경으로 막대의 움직임을 관찰하였다.
결과와 의의
캐번디시는 실험 결과 지구의 밀도가 물의 밀도의 5.448±0.033배임을 산출하였다(이후 1821년 프랜시스 베일리가 단순 산술 오류를 발견하여 논문에는 5.480±0.038로 기재되었다). 현대의 인정된 값은 5.515 g/cm³이다. 이 결과로부터 계산된 중력 상수 G는 SI 단위로 환산 시 약 6.74×10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻²로, 현대의 CODATA 값(6.67408×10⁻¹¹)과 약 1% 이내의 차이를 보인다.
캐번디시 실험은 뉴턴의 만유인력 법칙을 실험실 규모에서 실증하고 중력 상수를 최초로 정밀 측정한 과학사적 이정표로 평가된다. 이 실험의 정밀도는 1895년 C. V. 보이스(C. V. Boys)의 실험에 이르러서야 개선되었으며, 비틀림 저울을 이용한 방법은 현대의 중력 상수 측정에서도 변형된 형태로 계속 사용되고 있다.
