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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

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  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]

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