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4    THE MEASURE OF THINGS

书籍名:《万物简史英文版》    作者:比尔·布莱森
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At  the  time  people  had  lately  become  infected  with  a  powerful  desire  to  understand  theEarth—to  determine  how  old  it  was,  and  how  massive,  where  it  hung  in  space,  and  how  it  hadcome  to  be.  The  French  party’s  goal  was  to  help  settle  the  question  of  the  circumference  ofthe  planet  by  measuring  the  length  of  one  degree  of  meridian  (or  1/360  of  the  distance  aroundthe  planet)  along  a  line  reaching  from  Yarouqui,  near  Quito,  to  just  beyond  Cuenca  in  what  isnow  Ecuador,  a  distance  of  about  two  hundred  miles.

1Almost  at  once  things  began  to  go  wrong,  sometimes  spectacularly  so.  In  Quito,  the  visitorssomehow  provoked  the  locals  and  were  chased  out  of  town  by  a  mob  armed  with  stones.  Soonafter,  the  expedition’s  doctor  was  murdered  in  a  misunderstanding  over  a  woman.  Thebotanist  became  deranged.  Others  died  of  fevers  and  falls.  The  third  most  senior  member  ofthe  party,  a  man  named  Pierre  Godin,  ran  off  with  a  thirteen-year-old  girl  and  could  not  beinduced  to  return.

At  one  point  the  group  had  to  suspend  work  for  eight  months  while  La  Condamine  rode  off  toLima  to  sort  out  a  problem  with  their  permits.  Eventually  he  and  Bouguer  stopped  speakingand  refused  to  work  together.  Everywhere  the  dwindling  party  went  it  was  met  with  thedeepest  suspicions  from  officials  who  found  it  difficult  to  believe  that  a  group  of  Frenchscientists  would  travel  halfway  around  the  world  to  measure  the  world.  That  made  no  sense  atall.  Two  and  a  half  centuries  later  it  still  seems  a  reasonable  question.  Why  didn’t  the  Frenchmake  their  measurements  in  France  and  save  themselves  all  the  bother  and  discomfort  of  theirAndean  adventure?

The  answer  lies  partly  with  the  fact  that  eighteenth-century  scientists,  the  French  in  particular,seldom  did  things  simply  if  an  absurdly  demanding  alternative  was  available,  and  partly  witha  practical  problem  that  had  first  arisen  with  the  English  astronomer  Edmond  Halley  manyyears  before—long  before  Bouguer  and  La  Condamine  dreamed  of  going  to  South  America,much  less  had  a  reason  for  doing  so.

*  Triangulation,  their  chosen  method,  was  a  popular  technique  based  on  the  geometric  fact  that  if  you  know  thelength  of  one  side  of  a  triangle  and  the  angles  of  two  corners,  you  can  work  out  all  its  other  dimensions  withoutleaving  your  chair.  Suppose,  by  way  of  example,  that  you  and  I  decided  we  wished  to  know  how  far  it  is  to  theMoon.  Using  triangulation,  the  first  thing  we  must  do  is  put  some  distance  between  us,  so  lets  say  for  argumentthat  you  stay  in  Paris  and  I  go  to  Moscow  and  we  both  look  at  the  Moon  at  the  same  time.  Now  if  you  imagine  aline  connecting  the  three  principals  of  this  exercise-that  is,  you  and  I  and  the  Moon-it  forms  a  triangle.  Measurethe  length  of  the  baseline  between  you  and  me  and  the  angles  of  our  two  corners  and  the  rest  can  be  simplycalculated.  (Because  the  interior  angles  of  a  triangle  always  add  up  to  180  degrees,  if  you  know  the  sum  of  twoof  the  angles  you  can  instantly  calculate  the  third;  and  knowing  the  precise  shape  of  a  triangle  and  the  length  ofone  side  tells  you  the  lengths  of  the  other  sides.)  This  was  in  fact  the  method  use  by  a  Greek  astronomer,Hipparchus  of  Nicaea,  in  150  B.C.  to  work  out  the  Moons  distance  from  Earth.  At  ground  level,  the  principles  oftriangulation  are  the  same,  except  that  the  triangles  dont  reach  into  space  but  rather  are  laid  side  to  side  on  amap.  In  measuring  a  degree  of  meridian,  the  surveyors  would  create  a  sort  of  chain  of  triangles  marching  acrossthe  landscape.

Halley  was  an  exceptional  figure.  In  the  course  of  a  long  and  productive  career,  he  was  asea  captain,  a  cartographer,  a  professor  of  geometry  at  the  University  of  Oxford,  deputycontroller  of  the  Royal  Mint,  astronomer  royal,  and  inventor  of  the  deep-sea  diving  bell.  Hewrote  authoritatively  on  magnetism,  tides,  and  the  motions  of  the  planets,  and  fondly  on  theeffects  of  opium.  He  invented  the  weather  map  and  actuarial  table,  proposed  methods  forworking  out  the  age  of  the  Earth  and  its  distance  from  the  Sun,  even  devised  a  practicalmethod  for  keeping  fish  fresh  out  of  season.  The  one  thing  he  didn’t  do,  interestingly  enough,was  discover  the  comet  that  bears  his  name.  He  merely  recognized  that  the  comet  he  saw  in1682  was  the  same  one  that  had  been  seen  by  others  in  1456,  1531,  and  1607.  It  didn’tbecome  Halley’s  comet  until  1758,  some  sixteen  years  after  his  death.

For  all  his  achievements,  however,  Halley’s  greatest  contribution  to  human  knowledge  maysimply  have  been  to  take  part  in  a  modest  scientific  wager  with  two  other  worthies  of  his  day:

Robert  Hooke,  who  is  perhaps  best  remembered  now  as  the  first  person  to  describe  a  cell,  andthe  great  and  stately  Sir  Christopher  Wren,  who  was  actually  an  astronomer  first  and  architectsecond,  though  that  is  not  often  generally  remembered  now.  In  1683,  Halley,  Hooke,  andWren  were  dining  in  London  when  the  conversation  turned  to  the  motions  of  celestial  objects.

It  was  known  that  planets  were  inclined  to  orbit  in  a  particular  kind  of  oval  known  as  anellipse—“a  very  specific  and  precise  curve,”  to  quote  Richard  Feynman—but  it  wasn’tunderstood  why.  Wren  generously  offered  a  prize  worth  forty  shillings  (equivalent  to  a  coupleof  weeks’  pay)  to  whichever  of  the  men  could  provide  a  solution.

Hooke,  who  was  well  known  for  taking  credit  for  ideas  that  weren’t  necessarily  his  own,claimed  that  he  had  solved  the  problem  already  but  declined  now  to  share  it  on  the  interestingand  inventive  grounds  that  it  would  rob  others  of  the  satisfaction  of  discovering  the  answer  forthemselves.  He  would  instead  “conceal  it  for  some  time,  that  others  might  know  how  to  valueit.”  If  he  thought  any  more  on  the  matter,  he  left  no  evidence  of  it.  Halley,  however,  becameconsumed  with  finding  the  answer,  to  the  point  that  the  following  year  he  traveled  toCambridge  and  boldly  called  upon  the  university’s  Lucasian  Professor  of  Mathematics,  IsaacNewton,  in  the  hope  that  he  could  help.

Newton  was  a  decidedly  odd  figure—brilliant  beyond  measure,  but  solitary,  joyless,  pricklyto  the  point  of  paranoia,  famously  distracted  (upon  swinging  his  feet  out  of  bed  in  the  morninghe  would  reportedly  sometimes  sit  for  hours,  immobilized  by  the  sudden  rush  of  thoughts  tohis  head),  and  capable  of  the  most  riveting  strangeness.  He  built  his  own  laboratory,  the  firstat  Cambridge,  but  then  engaged  in  the  most  bizarre  experiments.  Once  he  inserted  a  bodkin—a  long  needle  of  the  sort  used  for  sewing  leather—into  his  eye  socket  and  rubbed  it  around“betwixt  my  eye  and  the  bone  as  near  to  [the]  backside  of  my  eye  as  I  could”  just  to  see  whatwould  happen.  What  happened,  miraculously,  was  nothing—at  least  nothing  lasting.  Onanother  occasion,  he  stared  at  the  Sun  for  as  long  as  he  could  bear,  to  determine  what  effect  itwould  have  upon  his  vision.  Again  he  escaped  lasting  damage,  though  he  had  to  spend  somedays  in  a  darkened  room  before  his  eyes  forgave  him.

Set  atop  these  odd  beliefs  and  quirky  traits,  however,  was  the  mind  of  a  supreme  genius—though  even  when  working  in  conventional  channels  he  often  showed  a  tendency  topeculiarity.  As  a  student,  frustrated  by  the  limitations  of  conventional  mathematics,  heinvented  an  entirely  new  form,  the  calculus,  but  then  told  no  one  about  it  for  twenty-sevenyears.  In  like  manner,  he  did  work  in  optics  that  transformed  our  understanding  of  light  andlaid  the  foundation  for  the  science  of  spectroscopy,  and  again  chose  not  to  share  the  results  forthree  decades.

For  all  his  brilliance,  real  science  accounted  for  only  a  part  of  his  interests.  At  least  half  hisworking  life  was  given  over  to  alchemy  and  wayward  religious  pursuits.  These  were  not  meredabblings  but  wholehearted  devotions.  He  was  a  secret  adherent  of  a  dangerously  hereticalsect  called  Arianism,  whose  principal  tenet  was  the  belief  that  there  had  been  no  Holy  Trinity(slightly  ironic  since  Newton’s  college  at  Cambridge  was  Trinity).  He  spent  endless  hoursstudying  the  floor  plan  of  the  lost  Temple  of  King  Solomon  in  Jerusalem  (teaching  himselfHebrew  in  the  process,  the  better  to  scan  original  texts)  in  the  belief  that  it  held  mathematicalclues  to  the  dates  of  the  second  coming  of  Christ  and  the  end  of  the  world.  His  attachment  toalchemy  was  no  less  ardent.  In  1936,  the  economist  John  Maynard  Keynes  bought  a  trunk  ofNewton’s  papers  at  auction  and  discovered  with  astonishment  that  they  were  overwhelminglypreoccupied  not  with  optics  or  planetary  motions,  but  with  a  single-minded  quest  to  turn  basemetals  into  precious  ones.  An  analysis  of  a  strand  of  Newton’s  hair  in  the  1970s  found  itcontained  mercury—an  element  of  interest  to  alchemists,  hatters,  and  thermometer-makersbut  almost  no  one  else—at  a  concentration  some  forty  times  the  natural  level.  It  is  perhapslittle  wonder  that  he  had  trouble  remembering  to  rise  in  the  morning.

Quite  what  Halley  expected  to  get  from  him  when  he  made  his  unannounced  visit  in  August1684  we  can  only  guess.  But  thanks  to  the  later  account  of  a  Newton  confidant,  AbrahamDeMoivre,  we  do  have  a  record  of  one  of  science’s  most  historic  encounters:

In  1684  DrHalley  came  to  visit  at  Cambridge  [and]  after  they  had  some  timetogether  the  Drasked  him  what  he  thought  the  curve  would  be  that  would  bedescribed  by  the  Planets  supposing  the  force  of  attraction  toward  the  Sun  to  bereciprocal  to  the  square  of  their  distance  from  it.

This  was  a  reference  to  a  piece  of  mathematics  known  as  the  inverse  square  law,  which  Halleywas  convinced  lay  at  the  heart  of  the  explanation,  though  he  wasn’t  sure  exactly  how.

SrIsaac  replied  immediately  that  it  would  be  an  [ellipse].  The  Doctor,  struck  withjoy  &  amazement,  asked  him  how  he  knew  it.  ‘Why,’  saith  he,  ‘I  have  calculatedit,’  whereupon  DrHalley  asked  him  for  his  calculation  without  farther  delay,SrIsaac  looked  among  his  papers  but  could  not  find  it.

This  was  astounding—like  someone  saying  he  had  found  a  cure  for  cancer  but  couldn’tremember  where  he  had  put  the  formula.  Pressed  by  Halley,  Newton  agreed  to  redo  thecalculations  and  produce  a  paper.  He  did  as  promised,  but  then  did  much  more.  He  retired  fortwo  years  of  intensive  reflection  and  scribbling,  and  at  length  produced  his  masterwork:  thePhilosophiae  Naturalis  Principia  Mathematica  or  Mathematical  Principles  of  NaturalPhilosophy,  better  known  as  the  Principia  .

Once  in  a  great  while,  a  few  times  in  history,  a  human  mind  produces  an  observation  soacute  and  unexpected  that  people  can’t  quite  decide  which  is  the  more  amazing—the  fact  orthe  thinking  of  it.  Principia  was  one  of  those  moments.  It  made  Newton  instantly  famous.  For the  rest  of  his  life  he  would  be  draped  with  plaudits  and  honors,  becoming,  among  much  else,the  first  person  in  Britain  knighted  for  scientific  achievement.  Even  the  great  Germanmathematician  Gottfried  von  Leibniz,  with  whom  Newton  had  a  long,  bitter  fight  over  priorityfor  the  invention  of  the  calculus,  thought  his  contributions  to  mathematics  equal  to  all  theaccumulated  work  that  had  preceded  him.  “Nearer  the  gods  no  mortal  may  approach,”  wroteHalley  in  a  sentiment  that  was  endlessly  echoed  by  his  contemporaries  and  by  many  otherssince.

Although  the  Principia  has  been  called  “one  of  the  most  inaccessible  books  ever  written”

(Newton  intentionally  made  it  difficult  so  that  he  wouldn’t  be  pestered  by  mathematical“smatterers,”  as  he  called  them),  it  was  a  beacon  to  those  who  could  follow  it.  It  not  onlyexplained  mathematically  the  orbits  of  heavenly  bodies,  but  also  identified  the  attractive  forcethat  got  them  moving  in  the  first  place—gravity.  Suddenly  every  motion  in  the  universe  madesense.

At  Principia  ’s  heart  were  Newton’s  three  laws  of  motion  (which  state,  very  baldly,  that  athing  moves  in  the  direction  in  which  it  is  pushed;  that  it  will  keep  moving  in  a  straight  lineuntil  some  other  force  acts  to  slow  or  deflect  it;  and  that  every  action  has  an  opposite  andequal  reaction)  and  his  universal  law  of  gravitation.  This  states  that  every  object  in  theuniverse  exerts  a  tug  on  every  other.  It  may  not  seem  like  it,  but  as  you  sit  here  now  you  arepulling  everything  around  you—walls,  ceiling,  lamp,  pet  cat—toward  you  with  your  own  little(indeed,  very  little)  gravitational  field.  And  these  things  are  also  pulling  on  you.  It  wasNewton  who  realized  that  the  pull  of  any  two  objects  is,  to  quote  Feynman  again,“proportional  to  the  mass  of  each  and  varies  inversely  as  the  square  of  the  distance  betweenthem.”  Put  another  way,  if  you  double  the  distance  between  two  objects,  the  attractionbetween  them  becomes  four  times  weaker.  This  can  be  expressed  with  the  formulaF  =  GmmR2which  is  of  course  way  beyond  anything  that  most  of  us  could  make  practical  use  of,  but  atleast  we  can  appreciate  that  it  is  elegantly  compact.  A  couple  of  brief  multiplications,  a  simpledivision,  and,  bingo,  you  know  your  gravitational  position  wherever  you  go.  It  was  the  firstreally  universal  law  of  nature  ever  propounded  by  a  human  mind,  which  is  why  Newton  isregarded  with  such  universal  esteem.

Principia’s  production  was  not  without  drama.  To  Halley’s  horror,  just  as  work  wasnearing  completion  Newton  and  Hooke  fell  into  dispute  over  the  priority  for  the  inversesquare  law  and  Newton  refused  to  release  the  crucial  third  volume,  without  which  the  firsttwo  made  little  sense.  Only  with  some  frantic  shuttle  diplomacy  and  the  most  liberalapplications  of  flattery  did  Halley  manage  finally  to  extract  the  concluding  volume  from  theerratic  professor.

Halley’s  traumas  were  not  yet  quite  over.  The  Royal  Society  had  promised  to  publish  thework,  but  now  pulled  out,  citing  financial  embarrassment.  The  year  before  the  society  hadbacked  a  costly  flop  called  The  History  of  Fishes  ,  and  they  now  suspected  that  the  market  fora  book  on  mathematical  principles  would  be  less  than  clamorous.  Halley,  whose  means  werenot  great,  paid  for  the  book’s  publication  out  of  his  own  pocket.  Newton,  as  was  his  custom,contributed  nothing.  To  make  matters  worse,  Halley  at  this  time  had  just  accepted  a  positionas  the  society’s  clerk,  and  he  was  informed  that  the  society  could  no  longer  afford  to  provide him  with  a  promised  salary  of  £50  per  annum.  He  was  to  be  paid  instead  in  copies  of  TheHistory  of  Fishes  .

Newton’s  laws  explained  so  many  things—the  slosh  and  roll  of  ocean  tides,  the  motions  ofplanets,  why  cannonballs  trace  a  particular  trajectory  before  thudding  back  to  Earth,  why  wearen’t  flung  into  space  as  the  planet  spins  beneath  us  at  hundreds  of  miles  an  hour2—that  ittook  a  while  for  all  their  implications  to  seep  in.  But  one  revelation  became  almostimmediately  controversial.

This  was  the  suggestion  that  the  Earth  is  not  quite  round.  According  to  Newton’s  theory,the  centrifugal  force  of  the  Earth’s  spin  should  result  in  a  slight  flattening  at  the  poles  and  abulging  at  the  equator,  which  would  make  the  planet  slightly  oblate.  That  meant  that  thelength  of  a  degree  wouldn’t  be  the  same  in  Italy  as  it  was  in  Scotland.  Specifically,  the  lengthwould  shorten  as  you  moved  away  from  the  poles.  This  was  not  good  news  for  those  peoplewhose  measurements  of  the  Earth  were  based  on  the  assumption  that  the  Earth  was  a  perfectsphere,  which  was  everyone.

For  half  a  century  people  had  been  trying  to  work  out  the  size  of  the  Earth,  mostly  bymaking  very  exacting  measurements.  One  of  the  first  such  attempts  was  by  an  Englishmathematician  named  Richard  Norwood.  As  a  young  man  Norwood  had  traveled  to  Bermudawith  a  diving  bell  modeled  on  Halley’s  device,  intending  to  make  a  fortune  scooping  pearlsfrom  the  seabed.  The  scheme  failed  because  there  were  no  pearls  and  anyway  Norwood’s  belldidn’t  work,  but  Norwood  was  not  one  to  waste  an  experience.  In  the  early  seventeenthcentury  Bermuda  was  well  known  among  ships’  captains  for  being  hard  to  locate.  Theproblem  was  that  the  ocean  was  big,  Bermuda  small,  and  the  navigational  tools  for  dealingwith  this  disparity  hopelessly  inadequate.  There  wasn’t  even  yet  an  agreed  length  for  anautical  mile.  Over  the  breadth  of  an  ocean  the  smallest  miscalculations  would  becomemagnified  so  that  ships  often  missed  Bermuda-sized  targets  by  dismaying  margins.  Norwood,whose  first  love  was  trigonometry  and  thus  angles,  decided  to  bring  a  little  mathematical  rigorto  navigation  and  to  that  end  he  determined  to  calculate  the  length  of  a  degree.

Starting  with  his  back  against  the  Tower  of  London,  Norwood  spent  two  devoted  yearsmarching  208  miles  north  to  York,  repeatedly  stretching  and  measuring  a  length  of  chain  ashe  went,  all  the  while  making  the  most  meticulous  adjustments  for  the  rise  and  fall  of  the  landand  the  meanderings  of  the  road.  The  final  step  was  to  measure  the  angle  of  the  Sun  at  York  atthe  same  time  of  day  and  on  the  same  day  of  the  year  as  he  had  made  his  first  measurement  inLondon.  From  this,  he  reasoned  he  could  determine  the  length  of  one  degree  of  the  Earth’smeridian  and  thus  calculate  the  distance  around  the  whole.  It  was  an  almost  ludicrouslyambitious  undertaking—a  mistake  of  the  slightest  fraction  of  a  degree  would  throw  the  wholething  out  by  miles—but  in  fact,  as  Norwood  proudly  declaimed,  he  was  accurate  to  “within  ascantling”—or,  more  precisely,  to  within  about  six  hundred  yards.  In  metric  terms,  his  figureworked  out  at  110.72  kilometers  per  degree  of  arc.

In  1637,  Norwood’s  masterwork  of  navigation,  The  Seaman’s  Practice  ,  was  published  andfound  an  immediate  following.  It  went  through  seventeen  editions  and  was  still  in  printtwenty-five  years  after  his  death.  Norwood  returned  to  Bermuda  with  his  family,  becoming  a2How  fast  you  are  spinning  depends  on  where  you  are.  The  speed  of  the  Earth’s  spin  varies  from  a  little  over1,000  miles  an  hour  at  the  equator  to  0  at  the  poles.

successful  planter  and  devoting  his  leisure  hours  to  his  first  love,  trigonometry.  He  survivedthere  for  thirty-eight  years  and  it  would  be  pleasing  to  report  that  he  passed  this  span  inhappiness  and  adulation.  In  fact,  he  didn’t.  On  the  crossing  from  England,  his  two  young  sonswere  placed  in  a  cabin  with  the  Reverend  Nathaniel  White,  and  somehow  so  successfullytraumatized  the  young  vicar  that  he  devoted  much  of  the  rest  of  his  career  to  persecutingNorwood  in  any  small  way  he  could  think  of.

Norwood’s  two  daughters  brought  their  father  additional  pain  by  making  poor  marriages.

One  of  the  husbands,  possibly  incited  by  the  vicar,  continually  laid  small  charges  againstNorwood  in  court,  causing  him  much  exasperation  and  necessitating  repeated  trips  acrossBermuda  to  defend  himself.  Finally  in  the  1650s  witch  trials  came  to  Bermuda  and  Norwoodspent  his  final  years  in  severe  unease  that  his  papers  on  trigonometry,  with  their  arcanesymbols,  would  be  taken  as  communications  with  the  devil  and  that  he  would  be  treated  to  adreadful  execution.  So  little  is  known  of  Norwood  that  it  may  in  fact  be  that  he  deserved  hisunhappy  declining  years.  What  is  certainly  true  is  that  he  got  them.

Meanwhile,  the  momentum  for  determining  the  Earth’s  circumference  passed  to  France.

There,  the  astronomer  Jean  Picard  devised  an  impressively  complicated  method  oftriangulation  involving  quadrants,  pendulum  clocks,  zenith  sectors,  and  telescopes  (forobserving  the  motions  of  the  moons  of  Jupiter).  After  two  years  of  trundling  and  triangulatinghis  way  across  France,  in  1669  he  announced  a  more  accurate  measure  of  110.46  kilometersfor  one  degree  of  arc.  This  was  a  great  source  of  pride  for  the  French,  but  it  was  predicated  onthe  assumption  that  the  Earth  was  a  perfect  sphere—which  Newton  now  said  it  was  not.

To  complicate  matters,  after  Picard’s  death  the  father-and-son  team  of  Giovanni  andJacques  Cassini  repeated  Picard’s  experiments  over  a  larger  area  and  came  up  with  results  thatsuggested  that  the  Earth  was  fatter  not  at  the  equator  but  at  the  poles—that  Newton,  in  otherwords,  was  exactly  wrong.  It  was  this  that  prompted  the  Academy  of  Sciences  to  dispatchBouguer  and  La  Condamine  to  South  America  to  take  new  measurements.

They  chose  the  Andes  because  they  needed  to  measure  near  the  equator,  to  determine  ifthere  really  was  a  difference  in  sphericity  there,  and  because  they  reasoned  that  mountainswould  give  them  good  sightlines.  In  fact,  the  mountains  of  Peru  were  so  constantly  lost  incloud  that  the  team  often  had  to  wait  weeks  for  an  hour’s  clear  surveying.  On  top  of  that,  theyhad  selected  one  of  the  most  nearly  impossible  terrains  on  Earth.  Peruvians  refer  to  theirlandscape  as  muy  accidentado  —“much  accidented”—and  this  it  most  certainly  is.  TheFrench  had  not  only  to  scale  some  of  the  world’s  most  challenging  mountains—mountainsthat  defeated  even  their  mules—but  to  reach  the  mountains  they  had  to  ford  wild  rivers,  hacktheir  way  through  jungles,  and  cross  miles  of  high,  stony  desert,  nearly  all  of  it  uncharted  andfar  from  any  source  of  supplies.  But  Bouguer  and  La  Condamine  were  nothing  if  nottenacious,  and  they  stuck  to  the  task  for  nine  and  a  half  long,  grim,  sun-blistered  years.

Shortly  before  concluding  the  project,  they  received  word  that  a  second  French  team,  takingmeasurements  in  northern  Scandinavia  (and  facing  notable  discomforts  of  their  own,  fromsquelching  bogs  to  dangerous  ice  floes),  had  found  that  a  degree  was  in  fact  longer  near  thepoles,  as  Newton  had  promised.  The  Earth  was  forty-three  kilometers  stouter  when  measuredequatorially  than  when  measured  from  top  to  bottom  around  the  poles.

Bouguer  and  La  Condamine  thus  had  spent  nearly  a  decade  working  toward  a  result  theydidn’t  wish  to  find  only  to  learn  now  that  they  weren’t  even  the  first  to  find  it.  Listlessly,  they completed  their  survey,  which  confirmed  that  the  first  French  team  was  correct.  Then,  still  notspeaking,  they  returned  to  the  coast  and  took  separate  ships  home.

Something  else  conjectured  by  Newton  in  the  Principia  was  that  a  plumb  bob  hung  near  amountain  would  incline  very  slightly  toward  the  mountain,  affected  by  the  mountain’sgravitational  mass  as  well  as  by  the  Earth’s.  This  was  more  than  a  curious  fact.  If  youmeasured  the  deflection  accurately  and  worked  out  the  mass  of  the  mountain,  you  couldcalculate  the  universal  gravitational  constant—that  is,  the  basic  value  of  gravity,  known  asG—and  along  with  it  the  mass  of  the  Earth.

Bouguer  and  La  Condamine  had  tried  this  on  Peru’s  Mount  Chimborazo,  but  had  beendefeated  by  both  the  technical  difficulties  and  their  own  squabbling,  and  so  the  notion  laydormant  for  another  thirty  years  until  resurrected  in  England  by  Nevil  Maskelyne,  theastronomer  royal.  In  Dava  Sobel’s  popular  book  Longitude,  Maskelyne  is  presented  as  a  ninnyand  villain  for  failing  to  appreciate  the  brilliance  of  the  clockmaker  John  Harrison,  and  thismay  be  so,  but  we  are  indebted  to  him  in  other  ways  not  mentioned  in  her  book,  not  least  forhis  successful  scheme  to  weigh  the  Earth.  Maskelyne  realized  that  the  nub  of  the  problem  laywith  finding  a  mountain  of  sufficiently  regular  shape  to  judge  its  mass.

At  his  urging,  the  Royal  Society  agreed  to  engage  a  reliable  figure  to  tour  the  British  Islesto  see  if  such  a  mountain  could  be  found.  Maskelyne  knew  just  such  a  person—theastronomer  and  surveyor  Charles  Mason.  Maskelyne  and  Mason  had  become  friends  elevenyears  earlier  while  engaged  in  a  project  to  measure  an  astronomical  event  of  great  importance:

the  passage  of  the  planet  Venus  across  the  face  of  the  Sun.  The  tireless  Edmond  Halley  hadsuggested  years  before  that  if  you  measured  one  of  these  passages  from  selected  points  on  theEarth,  you  could  use  the  principles  of  triangulation  to  work  out  the  distance  to  the  Sun,  andfrom  that  calibrate  the  distances  to  all  the  other  bodies  in  the  solar  system.

Unfortunately,  transits  of  Venus,  as  they  are  known,  are  an  irregular  occurrence.  Theycome  in  pairs  eight  years  apart,  but  then  are  absent  for  a  century  or  more,  and  there  were  nonein  Halley’s  lifetime.

3But  the  idea  simmered  and  when  the  next  transit  came  due  in  1761,nearly  two  decades  after  Halley’s  death,  the  scientific  world  was  ready—indeed,  more  readythan  it  had  been  for  an  astronomical  event  before.

With  the  instinct  for  ordeal  that  characterized  the  age,  scientists  set  off  for  more  than  ahundred  locations  around  the  globe—to  Siberia,  China,  South  Africa,  Indonesia,  and  thewoods  of  Wisconsin,  among  many  others.  France  dispatched  thirty-two  observers,  Britaineighteen  more,  and  still  others  set  out  from  Sweden,  Russia,  Italy,  Germany,  Ireland,  andelsewhere.

It  was  history’s  first  cooperative  international  scientific  venture,  and  almost  everywhere  itran  into  problems.  Many  observers  were  waylaid  by  war,  sickness,  or  shipwreck.  Others  madetheir  destinations  but  opened  their  crates  to  find  equipment  broken  or  warped  by  tropical  heat.

Once  again  the  French  seemed  fated  to  provide  the  most  memorably  unlucky  participants.

Jean  Chappe  spent  months  traveling  to  Siberia  by  coach,  boat,  and  sleigh,  nursing  his  delicateinstruments  over  every  perilous  bump,  only  to  find  the  last  vital  stretch  blocked  by  swollen3The  next  transit  will  be  on  June  8,  2004,  with  a  second  in  2012.  There  were  none  in  the  twentieth  century.

rivers,  the  result  of  unusually  heavy  spring  rains,  which  the  locals  were  swift  to  blame  on  himafter  they  saw  him  pointing  strange  instruments  at  the  sky.  Chappe  managed  to  escape  withhis  life,  but  with  no  useful  measurements.

Unluckier  still  was  Guillaume  Le  Gentil,  whose  experiences  are  wonderfully  summarizedby  Timothy  Ferris  in  Coming  of  Age  in  the  Milky  Way  .  Le  Gentil  set  off  from  France  a  yearahead  of  time  to  observe  the  transit  from  India,  but  various  setbacks  left  him  still  at  sea  on  theday  of  the  transit—just  about  the  worst  place  to  be  since  steady  measurements  wereimpossible  on  a  pitching  ship.

Undaunted,  Le  Gentil  continued  on  to  India  to  await  the  next  transit  in  1769.  With  eightyears  to  prepare,  he  erected  a  first-rate  viewing  station,  tested  and  retested  his  instruments,and  had  everything  in  a  state  of  perfect  readiness.  On  the  morning  of  the  second  transit,  June4,  1769,  he  awoke  to  a  fine  day,  but,  just  as  Venus  began  its  pass,  a  cloud  slid  in  front  of  theSun  and  remained  there  for  almost  exactly  the  duration  of  the  transit:  three  hours,  fourteenminutes,  and  seven  seconds.

Stoically,  Le  Gentil  packed  up  his  instruments  and  set  off  for  the  nearest  port,  but  en  routehe  contracted  dysentery  and  was  laid  up  for  nearly  a  year.  Still  weakened,  he  finally  made  itonto  a  ship.  It  was  nearly  wrecked  in  a  hurricane  off  the  African  coast.  When  at  last  hereached  home,  eleven  and  a  half  years  after  setting  off,  and  having  achieved  nothing,  hediscovered  that  his  relatives  had  had  him  declared  dead  in  his  absence  and  hadenthusiastically  plundered  his  estate.

In  comparison,  the  disappointments  experienced  by  Britain’s  eighteen  scattered  observerswere  mild.  Mason  found  himself  paired  with  a  young  surveyor  named  Jeremiah  Dixon  andapparently  they  got  along  well,  for  they  formed  a  lasting  partnership.  Their  instructions  wereto  travel  to  Sumatra  and  chart  the  transit  there,  but  after  just  one  night  at  sea  their  ship  wasattacked  by  a  French  frigate.  (Although  scientists  were  in  an  internationally  cooperativemood,  nations  weren’t.)  Mason  and  Dixon  sent  a  note  to  the  Royal  Society  observing  that  itseemed  awfully  dangerous  on  the  high  seas  and  wondering  if  perhaps  the  whole  thingoughtn’t  to  be  called  off.  In  reply  they  received  a  swift  and  chilly  rebuke,  noting  that  they  hadalready  been  paid,  that  the  nation  and  scientific  community  were  counting  on  them,  and  thattheir  failure  to  proceed  would  result  in  the  irretrievable  loss  of  their  reputations.  Chastened,they  sailed  on,  but  en  route  word  reached  them  that  Sumatra  had  fallen  to  the  French  and  sothey  observed  the  transit  inconclusively  from  the  Cape  of  Good  Hope.  On  the  way  home  theystopped  on  the  lonely  Atlantic  outcrop  of  St.  Helena,  where  they  met  Maskelyne,  whoseobservations  had  been  thwarted  by  cloud  cover.  Mason  and  Maskelyne  formed  a  solidfriendship  and  spent  several  happy,  and  possibly  even  mildly  useful,  weeks  charting  tidalflows.

Soon  afterward,  Maskelyne  returned  to  England  where  he  became  astronomer  royal,  andMason  and  Dixon—now  evidently  more  seasoned—set  off  for  four  long  and  often  perilousyears  surveying  their  way  through  244  miles  of  dangerous  American  wilderness  to  settle  aboundary  dispute  between  the  estates  of  William  Penn  and  Lord  Baltimore  and  theirrespective  colonies  of  Pennsylvania  and  Maryland.  The  result  was  the  famous  Mason  andDixon  line,  which  later  took  on  symbolic  importance  as  the  dividing  line  between  the  slaveand  free  states.  (Although  the  line  was  their  principal  task,  they  also  contributed  severalastronomical  surveys,  including  one  of  the  century’s  most  accurate  measurements  of  a  degree of  meridian—an  achievement  that  brought  them  far  more  acclaim  in  England  than  the  settlingof  a  boundary  dispute  between  spoiled  aristocrats.)Back  in  Europe,  Maskelyne  and  his  counterparts  in  Germany  and  France  were  forced  to  theconclusion  that  the  transit  measurements  of  1761  were  essentially  a  failure.  One  of  theproblems,  ironically,  was  that  there  were  too  many  observations,  which  when  broughttogether  often  proved  contradictory  and  impossible  to  resolve.  The  successful  charting  of  aVenusian  transit  fell  instead  to  a  little-known  Yorkshire-born  sea  captain  named  James  Cook,who  watched  the  1769  transit  from  a  sunny  hilltop  in  Tahiti,  and  then  went  on  to  chart  andclaim  Australia  for  the  British  crown.  Upon  his  return  there  was  now  enough  information  forthe  French  astronomer  Joseph  Lalande  to  calculate  that  the  mean  distance  from  the  Earth  tothe  Sun  was  a  little  over  150  million  kilometers.  (Two  further  transits  in  the  nineteenthcentury  allowed  astronomers  to  put  the  figure  at  149.59  million  kilometers,  where  it  hasremained  ever  since.  The  precise  distance,  we  now  know,  is  149.597870691  millionkilometers.)  The  Earth  at  last  had  a  position  in  space.

As  for  Mason  and  Dixon,  they  returned  to  England  as  scientific  heroes  and,  for  reasonsunknown,  dissolved  their  partnership.  Considering  the  frequency  with  which  they  turn  up  atseminal  events  in  eighteenth-century  science,  remarkably  little  is  known  about  either  man.  Nolikenesses  exist  and  few  written  references.  Of  Dixon  the  Dictionary  of  National  Biographynotes  intriguingly  that  he  was  “said  to  have  been  born  in  a  coal  mine,”  but  then  leaves  it  to  thereader’s  imagination  to  supply  a  plausible  explanatory  circumstance,  and  adds  that  he  died  atDurham  in  1777.  Apart  from  his  name  and  long  association  with  Mason,  nothing  more  isknown.

Mason  is  only  slightly  less  shadowy.  We  know  that  in  1772,  at  Maskelyne’s  behest,  heaccepted  the  commission  to  find  a  suitable  mountain  for  the  gravitational  deflectionexperiment,  at  length  reporting  back  that  the  mountain  they  needed  was  in  the  central  ScottishHighlands,  just  above  Loch  Tay,  and  was  called  Schiehallion.  Nothing,  however,  wouldinduce  him  to  spend  a  summer  surveying  it.  He  never  returned  to  the  field  again.  His  nextknown  movement  was  in  1786  when,  abruptly  and  mysteriously,  he  turned  up  in  Philadelphiawith  his  wife  and  eight  children,  apparently  on  the  verge  of  destitution.  He  had  not  been  backto  America  since  completing  his  survey  there  eighteen  years  earlier  and  had  no  known  reasonfor  being  there,  or  any  friends  or  patrons  to  greet  him.  A  few  weeks  later  he  was  dead.

With  Mason  refusing  to  survey  the  mountain,  the  job  fell  to  Maskelyne.  So  for  four  monthsin  the  summer  of  1774,  Maskelyne  lived  in  a  tent  in  a  remote  Scottish  glen  and  spent  his  daysdirecting  a  team  of  surveyors,  who  took  hundreds  of  measurements  from  every  possibleposition.  To  find  the  mass  of  the  mountain  from  all  these  numbers  required  a  great  deal  oftedious  calculating,  for  which  a  mathematician  named  Charles  Hutton  was  engaged.  Thesurveyors  had  covered  a  map  with  scores  of  figures,  each  marking  an  elevation  at  some  pointon  or  around  the  mountain.  It  was  essentially  just  a  confusing  mass  of  numbers,  but  Huttonnoticed  that  if  he  used  a  pencil  to  connect  points  of  equal  height,  it  all  became  much  moreorderly.  Indeed,  one  could  instantly  get  a  sense  of  the  overall  shape  and  slope  of  the  mountain.

He  had  invented  contour  lines.

Extrapolating  from  his  Schiehallion  measurements,  Hutton  calculated  the  mass  of  the  Earthat  5,000  million  million  tons,  from  which  could  reasonably  be  deduced  the  masses  of  all  theother  major  bodies  in  the  solar  system,  including  the  Sun.  So  from  this  one  experiment  welearned  the  masses  of  the  Earth,  the  Sun,  the  Moon,  the  other  planets  and  their  moons,  and  gotcontour  lines  into  the  bargain—not  bad  for  a  summer’s  work.

Not  everyone  was  satisfied  with  the  results,  however.  The  shortcoming  of  the  Schiehallionexperiment  was  that  it  was  not  possible  to  get  a  truly  accurate  figure  without  knowing  theactual  density  of  the  mountain.  For  convenience,  Hutton  had  assumed  that  the  mountain  hadthe  same  density  as  ordinary  stone,  about  2.5  times  that  of  water,  but  this  was  little  more  thanan  educated  guess.

One  improbable-seeming  person  who  turned  his  mind  to  the  matter  was  a  country  parsonnamed  John  Michell,  who  resided  in  the  lonely  Yorkshire  village  of  Thornhill.  Despite  hisremote  and  comparatively  humble  situation,  Michell  was  one  of  the  great  scientific  thinkers  ofthe  eighteenth  century  and  much  esteemed  for  it.

Among  a  great  deal  else,  he  perceived  the  wavelike  nature  of  earthquakes,  conducted  muchoriginal  research  into  magnetism  and  gravity,  and,  quite  extraordinarily,  envisioned  thepossibility  of  black  holes  two  hundred  years  before  anyone  else—a  leap  of  intuitive  deductionthat  not  even  Newton  could  make.  When  the  German-born  musician  William  Herscheldecided  his  real  interest  in  life  was  astronomy,  it  was  Michell  to  whom  he  turned  forinstruction  in  making  telescopes,  a  kindness  for  which  planetary  science  has  been  in  his  debtever  since.

4But  of  all  that  Michell  accomplished,  nothing  was  more  ingenious  or  had  greater  impactthan  a  machine  he  designed  and  built  for  measuring  the  mass  of  the  Earth.  Unfortunately,  hedied  before  he  could  conduct  the  experiments  and  both  the  idea  and  the  necessary  equipmentwere  passed  on  to  a  brilliant  but  magnificently  retiring  London  scientist  named  HenryCavendish.

Cavendish  is  a  book  in  himself.  Born  into  a  life  of  sumptuous  privilege—his  grandfatherswere  dukes,  respectively,  of  Devonshire  and  Kent—he  was  the  most  gifted  English  scientistof  his  age,  but  also  the  strangest.  He  suffered,  in  the  words  of  one  of  his  few  biographers,from  shyness  to  a  “degree  bordering  on  disease.”  Any  human  contact  was  for  him  a  source  ofthe  deepest  discomfort.

Once  he  opened  his  door  to  find  an  Austrian  admirer,  freshly  arrived  from  Vienna,  on  thefront  step.  Excitedly  the  Austrian  began  to  babble  out  praise.  For  a  few  moments  Cavendishreceived  the  compliments  as  if  they  were  blows  from  a  blunt  object  and  then,  unable  to  takeany  more,  fled  down  the  path  and  out  the  gate,  leaving  the  front  door  wide  open.  It  was  somehours  before  he  could  be  coaxed  back  to  the  property.  Even  his  housekeeper  communicatedwith  him  by  letter.

Although  he  did  sometimes  venture  into  society—he  was  particularly  devoted  to  the  weeklyscientific  soirées  of  the  great  naturalist  Sir  Joseph  Banks—it  was  always  made  clear  to  theother  guests  that  Cavendish  was  on  no  account  to  be  approached  or  even  looked  at.  Thosewho  sought  his  views  were  advised  to  wander  into  his  vicinity  as  if  by  accident  and  to  “talk  as4In  1781  Herschel  became  the  first  person  in  the  modern  era  to  discover  a  planet.  He  wanted  to  call  it  George,after  the  British  monarch,  but  was  overruled.  Instead  it  became  Uranus.

it  were  into  vacancy.”  If  their  remarks  were  scientifically  worthy  they  might  receive  amumbled  reply,  but  more  often  than  not  they  would  hear  a  peeved  squeak  (his  voice  appearsto  have  been  high  pitched)  and  turn  to  find  an  actual  vacancy  and  the  sight  of  Cavendishfleeing  for  a  more  peaceful  corner.

His  wealth  and  solitary  inclinations  allowed  him  to  turn  his  house  in  Clapham  into  a  largelaboratory  where  he  could  range  undisturbed  through  every  corner  of  the  physical  sciences—electricity,  heat,  gravity,  gases,  anything  to  do  with  the  composition  of  matter.  The  secondhalf  of  the  eighteenth  century  was  a  time  when  people  of  a  scientific  bent  grew  intenselyinterested  in  the  physical  properties  of  fundamental  things—gases  and  electricity  inparticular—and  began  seeing  what  they  could  do  with  them,  often  with  more  enthusiasm  thansense.  In  America,  Benjamin  Franklin  famously  risked  his  life  by  flying  a  kite  in  an  electricalstorm.  In  France,  a  chemist  named  Pilatre  de  Rozier  tested  the  flammability  of  hydrogen  bygulping  a  mouthful  and  blowing  across  an  open  flame,  proving  at  a  stroke  that  hydrogen  isindeed  explosively  combustible  and  that  eyebrows  are  not  necessarily  a  permanent  feature  ofone’s  face.  Cavendish,  for  his  part,  conducted  experiments  in  which  he  subjected  himself  tograduated  jolts  of  electrical  current,  diligently  noting  the  increasing  levels  of  agony  until  hecould  keep  hold  of  his  quill,  and  sometimes  his  consciousness,  no  longer.

In  the  course  of  a  long  life  Cavendish  made  a  string  of  signal  discoveries—among  muchelse  he  was  the  first  person  to  isolate  hydrogen  and  the  first  to  combine  hydrogen  and  oxygento  form  water—but  almost  nothing  he  did  was  entirely  divorced  from  strangeness.  To  thecontinuing  exasperation  of  his  fellow  scientists,  he  often  alluded  in  published  work  to  theresults  of  contingent  experiments  that  he  had  not  told  anyone  about.  In  his  secretiveness  hedidn’t  merely  resemble  Newton,  but  actively  exceeded  him.  His  experiments  with  electricalconductivity  were  a  century  ahead  of  their  time,  but  unfortunately  remained  undiscovereduntil  that  century  had  passed.  Indeed  the  greater  part  of  what  he  did  wasn’t  known  until  thelate  nineteenth  century  when  the  Cambridge  physicist  James  Clerk  Maxwell  took  on  the  taskof  editing  Cavendish’s  papers,  by  which  time  credit  had  nearly  always  been  given  to  others.

Among  much  else,  and  without  telling  anyone,  Cavendish  discovered  or  anticipated  the  lawof  the  conservation  of  energy,  Ohm’s  law,  Dalton’s  Law  of  Partial  Pressures,  Richter’s  Lawof  Reciprocal  Proportions,  Charles’s  Law  of  Gases,  and  the  principles  of  electricalconductivity.  That’s  just  some  of  it.  According  to  the  science  historian  J.  G.  Crowther,  he  alsoforeshadowed  “the  work  of  Kelvin  and  G.  H.  Darwin  on  the  effect  of  tidal  friction  on  slowingthe  rotation  of  the  earth,  and  Larmor’s  discovery,  published  in  1915,  on  the  effect  of  localatmospheric  cooling  .  .  .  the  work  of  Pickering  on  freezing  mixtures,  and  some  of  the  work  ofRooseboom  on  heterogeneous  equilibria.”  Finally,  he  left  clues  that  led  directly  to  thediscovery  of  the  group  of  elements  known  as  the  noble  gases,  some  of  which  are  so  elusivethat  the  last  of  them  wasn’t  found  until  1962.  But  our  interest  here  is  in  Cavendish’s  lastknown  experiment  when  in  the  late  summer  of  1797,  at  the  age  of  sixty-seven,  he  turned  hisattention  to  the  crates  of  equipment  that  had  been  left  to  him—evidently  out  of  simplescientific  respect—by  John  Michell.

When  assembled,  Michell’s  apparatus  looked  like  nothing  so  much  as  an  eighteenth-century  version  of  a  Nautilus  weight-training  machine.  It  incorporated  weights,counterweights,  pendulums,  shafts,  and  torsion  wires.  At  the  heart  of  the  machine  were  two350-pound  lead  balls,  which  were  suspended  beside  two  smaller  spheres.  The  idea  was  tomeasure  the  gravitational  deflection  of  the  smaller  spheres  by  the  larger  ones,  which  would allow  the  first  measurement  of  the  elusive  force  known  as  the  gravitational  constant,  and  fromwhich  the  weight  (strictly  speaking,  the  mass)5of  the  Earth  could  be  deduced.

Because  gravity  holds  planets  in  orbit  and  makes  falling  objects  land  with  a  bang,  we  tendto  think  of  it  as  a  powerful  force,  but  it  is  not  really.  It  is  only  powerful  in  a  kind  of  collectivesense,  when  one  massive  object,  like  the  Sun,  holds  on  to  another  massive  object,  like  theEarth.  At  an  elemental  level  gravity  is  extraordinarily  unrobust.  Each  time  you  pick  up  a  bookfrom  a  table  or  a  dime  from  the  floor  you  effortlessly  overcome  the  combined  gravitationalexertion  of  an  entire  planet.  What  Cavendish  was  trying  to  do  was  measure  gravity  at  thisextremely  featherweight  level.

Delicacy  was  the  key  word.  Not  a  whisper  of  disturbance  could  be  allowed  into  the  roomcontaining  the  apparatus,  so  Cavendish  took  up  a  position  in  an  adjoining  room  and  made  hisobservations  with  a  telescope  aimed  through  a  peephole.  The  work  was  incredibly  exactingand  involved  seventeen  delicate,  interconnected  measurements,  which  together  took  nearly  ayear  to  complete.  When  at  last  he  had  finished  his  calculations,  Cavendish  announced  that  theEarth  weighed  a  little  over  13,000,000,000,000,000,000,000  pounds,  or  six  billion  trillionmetric  tons,  to  use  the  modern  measure.  (A  metric  ton  is  1,000  kilograms  or  2,205  pounds.)Today,  scientists  have  at  their  disposal  machines  so  precise  they  can  detect  the  weight  of  asingle  bacterium  and  so  sensitive  that  readings  can  be  disturbed  by  someone  yawning  seventy-five  feet  away,  but  they  have  not  significantly  improved  on  Cavendish’s  measurements  of1797.  The  current  best  estimate  for  Earth’s  weight  is  5.9725  billion  trillion  metric  tons,  adifference  of  only  about  1  percent  from  Cavendish’s  finding.  Interestingly,  all  of  this  merelyconfirmed  estimates  made  by  Newton  110  years  before  Cavendish  without  any  experimentalevidence  at  all.

So,  by  the  late  eighteenth  century  scientists  knew  very  precisely  the  shape  and  dimensionsof  the  Earth  and  its  distance  from  the  Sun  and  planets;  and  now  Cavendish,  without  evenleaving  home,  had  given  them  its  weight.  So  you  might  think  that  determining  the  age  of  theEarth  would  be  relatively  straightforward.  After  all,  the  necessary  materials  were  literally  attheir  feet.  But  no.  Human  beings  would  split  the  atom  and  invent  television,  nylon,  and  instantcoffee  before  they  could  figure  out  the  age  of  their  own  planet.

To  understand  why,  we  must  travel  north  to  Scotland  and  begin  with  a  brilliant  and  genialman,  of  whom  few  have  ever  heard,  who  had  just  invented  a  new  science  called  geology.

5To  a  physicist,  mass  and  weight  are  two  quite  different  things.  Your  mass  stays  the  same  wherever  you  go,  butyour  weight  varies  depending  on  how  far  you  are  from  the  center  of  some  other  massive  object  like  a  planet.

Travel  to  the  Moon  and  you  will  be  much  lighter  but  no  less  massive.