正在閱讀﹕ 萬有引力常數真值 想方設法靠近你

萬有引力常數真值 想方設法靠近你

2018-10-11 09:54來源﹕科技日報

調查問題加載中﹐請稍候。
若長時間無響應﹐請刷新本頁面

  牛頓提出萬有引力已經過去300多年了﹐但與之相關的萬有引力常數G始終沒有一個準確真值﹐科學家們幾百年來也在一直設計各種實驗﹐試圖在G值測量中達成一致。

  上世紀80年代﹐中國科學家羅俊加入了研究引力常數的隊伍。在華中科技大學喻家山的山洞裡﹐他們團隊幾乎每十年會更新一次引力常數的測量精度。而《自然》雜誌近期刊發的論文稱﹐他們採用兩種獨立方法測出了截至目前國際上最高精度的G值。

  為什麼萬有引力常數是物理常數中最難測量的常數之一﹖這個被發現最早的常數﹐目前測量獲得的精度卻最低﹐背後的原因是什麼﹖我們能測到引力常數的真值嗎﹖科技日報記者帶著這些問題再次採訪了研發團隊的專家。

  測量精度 每100年才提高一個數量級

  1687年﹐牛頓在其著作《自然哲學的數學原理》中系統地介紹了萬有引力定律。他指出使蘋果落地的力和維繫行星沿橢圓軌道運動的力在本質上是同一種力。牛頓將此結論加以推廣﹐認為宇宙任何兩個質點都有相互吸引力﹐小到基本粒子大到宇宙天體﹐所以被稱為“萬有引力”。

  這次研究的通訊作者之一﹑華中科技大學引力中心的楊山清教授介紹﹐當年牛頓祗知道萬有引力定律﹐卻不知道引力常數G值到底是多少。但常數G卻有著重要意義。沒有G﹐萬有引力定律就不算完美﹐一些與之相關的天體物理學﹑地球物理學﹑計量學等研究的問題就很難解決。

  100多年之後﹐也就是1798年﹐英國科學家卡文迪許為了測量地球的密度﹐設計出一個扭秤實驗﹐巧妙地測量出了萬有引力的微小作用效果。後人通過這個實驗﹐推算出了歷史上第一個G值。

  但怎麼讓這個數值更精確﹐是卡文迪許之後的科學家們努力的方向。其後200多年時間裡﹐實驗物理學家在對G值的測量過程中付出了極大努力﹐但G值測量精度的提高卻異常緩慢。根據國際科學技術數據委員會(CODATA)最新發佈的萬有引力常數G的推薦值﹐其相對不確定度僅為47ppm (1ppm﹕百萬分之一)﹐幾乎是每一個世紀才提高一個數量級。

  楊山清說﹐萬有引力常數測量的困難﹐其一在於萬有引力實際上非常微弱﹐我們最早對其的認知都是通過天體這種大尺度上的相互作用得到的。顯然我們沒法把兩個行星抱進實驗室﹐祗能用兩個不鏽鋼球進行實驗﹐但在這個尺度上的萬有引力就更加微弱﹐對整個實驗設計﹑實驗儀器的精度要求都非常嚴格。

  此外﹐任何有質量的物體都對其他物體有引力作用﹐並且引力用任何東西都沒法屏蔽掉﹐也就是說﹐無論是實驗室裡擺放的器具還是實驗人員自身﹐都會對萬有引力的測量產生干擾﹐甚至是實驗室外飛馳而過的汽車﹑天空中低壓雲層﹑偶然路過的一隻飛鳥﹐都可能會在實驗數據裡留下它們的“痕跡”。

  為了盡可能屏蔽外界干擾和保證實驗環境穩定﹐實驗地點選在了山洞中。山洞這種天然的恆溫特性為G值測量工作提供了日溫度波動小於0.01攝氏度的優質實驗環境﹐同時有著厚重山體的屏蔽﹐外界的干擾也減小許多。

  兩項實驗 自主研發多項技術成果

  團隊使用的兩種獨立方法分別是扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法。在這兩個實驗中﹐都有一個必不可少的實驗設備──六個無磁性的﹑均勻密度的﹑直徑57毫米或127毫米的不鏽鋼球。

  說起來非常簡單﹐做起來卻是艱難無比。做一個球差不多要耗費大半年的時間﹐六個球要耗費2─3年甚至更久。因為正式實驗時用的鋼球做工要求非常精細﹐圓度誤差分別不能超過0.3微米(直徑57毫米的球)和1微米(直徑127毫米的球)﹐約一根頭髮絲直徑的六十分之一。團隊成員磨一下﹐就測一次。除了不鏽鋼小球﹐還有扭絲特性研究﹑球和球之間距離精准測量等種種難關。

  華中科技大學引力中心主任﹑團隊核心成員涂良成教授介紹﹐實際上﹐G值的測量原理在學界早已明晰﹐但測量過程異常繁瑣複雜﹐在一種測量方法中﹐往往包含近百項的誤差需要評估。為了增加測量結果的可靠性﹐與兩種方法相關的裝置設計及諸多技術細節均由團隊成員自己摸索﹑自主研製完成。

  “我們雖然還不能知道最精確的G值﹐但我們在此過程中自主研發的相關技術已經成功通過衛星飛行試驗﹐其中精密扭秤技術已經成功應用在衛星微推進器的微推力標定﹑空間慣性傳感器的地面標定等方面﹐這些儀器將為精密重力測量國家重大科技基礎設施以及空間引力波探測──‘天琴計劃’的順利實施奠定良好的基礎。”涂良成說﹐在獲得更高精度的G值路途中﹐會結出一串串的豐碩成果。

  此外﹐其他研究團隊可以用這次測量的新值與之前的測量值放在一起估計G值﹐對解答為什麼對引力常數的測量如此困難或有啟發。G值的測量祗有更精確﹐沒有最精確﹐所以此次測量不會是最後的結果。科學家們將繼續重復實施已有的﹐或設計新的實驗方法﹐不斷提高測量精度﹐不斷向這一關鍵基本常數的真值靠近。(記者劉志偉 通 訊 員 王瀟瀟 高 翔)

[責編﹕肖春芳]

閱讀剩餘全文(

相關閱讀

您此時的心情

新聞表情排行 /
  • 開心
     
    0
  • 難過
     
    0
  • 點讚
     
    0
  • 飄過
     
    0

視覺焦點

  • 中國改革開放40年的全球意義

  • 河南汝陽﹕黨建引領扶貧 畜牧助推增收

獨家策劃

推薦閱讀
日前有新聞爆出﹐英國南極調查局一個科研聯合團隊使用機載冰雷達觀測了南極點附近約5000平方公里區域﹐發現南極點冰蓋底部冰層正在融化﹐並推測融化現象可能是由於異常地熱引發。最新研究發現的導致南極冰蓋底部融化的異常地熱來源﹐仍是待解的謎題。
2018-12-14 09:04
“如果異種移植能從基礎研究推廣到臨床研究﹐乃在未來大規模臨床應用﹐則可能讓數以百萬計的病人有希望重獲新生。祗有在特殊環境下餵養的“無指定病原體豬”﹐才能成為異種器官移植的主要研究目標。
2018-12-14 09:03
近日﹐上海交通大學黨委書記﹑中國高等教育學會副會長姜斯憲教授發表文章討論新高考背景下的選才﹑育人問題﹐在談及高中物理受重視程度下降時他認為可以將物理與數學合併為數理基礎科目﹐加大賦分權重。這一觀點受到許多人關注。
2018-12-14 09:02
“一體﹑雙核﹑多點”之下﹐之江試驗室組建了人工智能研究院﹑未來網絡計算研究院以及人工智能算法研究中心等交叉研究中心﹐作為實驗室開展基礎研究的條件支撐。”在浙江省自然基金委員會辦公室主任吳正光看來﹐在超常規力度的支持和社會力量的參與下﹐基礎研究在浙江已迎來春天。
2018-12-14 09:02
“每一個工業產品都有一個生命周期﹐就像人的生命周期是‘從搖籃到墳墓’一樣。寶鋼湛江鋼鐵有限公司董事長盛更紅向科技日報記者表示﹐拓寬經濟增長和改善環境是鋼鐵產業的雙贏之路。
2018-12-14 09:01
到2017年底﹐中國海油共榮獲國家級科技獎勵21項﹐其中﹐“超深水半潛式鑽井平臺研發與應用”榮獲2014年國家科技進步特等獎﹔獲專利授權5500余件﹔流花11-1油田在水深300米以下﹐而當時的中國海油沒有建造深水工程裝備的經驗﹐但中國海油從來不缺學習的熱情。
2018-12-14 09:01
12月13日﹐2018年度黑龍江省科學技術獎結果新鮮出爐。哈工大從哈佛大學引進回來的高層次人才黃志偉﹐成為黑龍江歷史上首位憑一篇論文斬獲省自然科學一等獎的科研人員。“黃志偉此次獲獎﹐正是國家在人才評價制度中倡導的‘四不唯’的具體體現。
2018-12-14 09:00
“通過技術挖掘可把一些有用的信息﹐從科技創新信息中有效挖掘出來。”日前﹐在浙江烏鎮舉行的2018“國際技術挖掘會議”上﹐美國佐治亞理工大學教授艾倫‧波特通過視頻﹐錄製了其報告。
2018-12-14 08:59
“全球60億人口的動物蛋白攝入﹐15%以上來源於水產品。”近日﹐在華夏對蝦種業創新聯盟在北京舉辦的“2018國際水產種業科技創新論壇”上﹐世界水產學會前主席﹑比利時根特大學教授帕垂克‧索格羅斯說。
2018-12-14 08:58
主辦的“科學大滿貫”活動揭幕﹐並就中歐科研與創新合作﹐與中國媒體面對面展開深入探討。
2018-12-14 08:58
“科研體系將持續對‘從牧場到餐桌’全產業鏈建設起到支撐作用。5年前在北京成立的中荷奶業發展中心﹐是中國和荷蘭在農業領域開展國際合作的重要平臺。
2018-12-14 08:58

2015年﹐英國《自然》發表的一篇論文報告稱﹐曾有8名病人接受了被朊病毒污染的尸源性人類生長激素(c-hGH)治療﹐之後死於克雅氏病(CJD)﹐其中4名病人的腦內檢查出了β澱粉樣蛋白的病理特徵。當時c-hGH被認為有可能是這一變化的來源。

2018-12-14 08:57
在實驗室內利用幹細胞製作小鼠和人類胚胎模型正在快速向前發展﹐與此同時也帶來了深刻的法律問題和倫理問題。此次發表的文章屬於《自然》期刊內的評論﹐而非經過同行評議的《自然》研究論文﹐這一類評論文章是關於科學研究及其影響的權威性時評。
2018-12-14 08:55
在計量學的故事中﹐對於科學家們而言情節總是相當的簡單﹕無非就是保證各項計量標準得到持續不斷地改進。分析主義者們往往會避開實踐問題﹐而實用主義者們恰恰把注意力放在了測量實踐以及實踐如何作用於科學難題的解決上。
2018-12-14 08:54
時間回到兩年前﹐2016年8月16日凌晨﹐中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。量子通信原理上可以提供一種不能破解﹑不能竊聽的安全信息傳輸方式﹐量子信息技術甚至被比作和平年代的“核武器”。
2018-12-14 08:54
作為一種對人體有害的重金屬﹐地球上的汞是如何循環分佈的﹖日前﹐天津大學地科院孫若愚副教授與哈佛大學﹑法國科學院圖盧茲地球環境研究所﹑南京大學等團隊合作﹐歷時5年﹐建成了全球第一個動態﹑全耦合﹑可拓展的全球汞同位素箱體模型。
2018-12-14 08:53
國家衛生健康委醫政醫管局副局長周長強提供了一組數字,足以可見我國獻血制度的快速發展:1998年,我國啟動實施《獻血法》的當年,自願無償獻血人次僅為32萬;2018年,我國自願無償獻血人次將超過1500萬。周長強介紹說,每年都會對各地血液安全和血液保障情況進行隨機抽查,及時向全國通報核查情況,督促各地加強血液質量安全管理。
2018-12-13 19:08
13日﹐以“小‧有大智”為主題的百度智能小程序公開課在北京首講﹐百度副總裁沈抖解讀了百度為扶持小程序開發者創新創業而打造的“共筑計劃”。沈抖表示﹐小程序如今被視作互聯網經濟時代非常有潛力的創業方向﹐而在行業生態中﹐平臺的技術能力﹑技術理念與開發者的想象力﹐共同決定了小程序連接服務的邊界。
2018-12-13 19:08
根據2015年至2017年的科研產出情況﹐北京大學﹑清華大學﹑南京大學﹑中國科學技術大學﹑浙江大學﹑復旦大學﹑中國科學院大學﹑中國科學院化學研究所﹑南開大學和蘇州大學被列為自然指數中國十大科研機構。
2018-12-13 19:11
對天文學家而言﹐流星雨整個活躍期都值得觀測﹐並非祗有達到極大的流星雨才有意義。“早期﹐天文學家觀測流星雨﹐主要目的是研究母彗星﹐通過母彗星反過來研究太陽系的起源。
2018-12-13 09:12
加載更多