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华中科大万有引力研究创纪录
送交者: 古林风 2018年09月01日01:27:18 于 [史地人物] 发送悄悄话


                                    华中科大万有引力研究创纪录


1687年,牛顿发现了万有引力定律,中学课本里多了一个描述万有引力的公式:F=G(m₁m₂)/r2,其中G是万有引力常数。

  

 万有引力定律认为,任何物体之间都具有相互吸引力,这个力的大小与各个物体的质量成正比例,与它们之间距离的平方成反比。

   

定律要想派上实际用场,得知道G的值。然而,这个值到底是多少,连牛顿本人都不清楚。300多年来,科学家努力测量G值,让它更精确。


8月30日,《自然》杂志发表了中国科学家测出了截至目前最精确的G值。

  

地球上一般物体的质量太小,引力几乎为零,而宇宙里的天体又太大,难以评估其质量,万有引力定律提出后的100多年里,G值一直是个未解之谜。


1798年,一位名叫卡文迪许的英国科学家,为了测量地球的密度,设计出一个扭秤实验,万有引力的微小作用效果被放大。根据这个实验方法,后人推算出了历史上第一个万有引力常数G值——6.67×10-11N·m2/kg2。

 

 但科学家们并不满足。在他们看来,万有引力常数G是人类认识能力的第一个基本常数,而G值的测量精度却是所有基本常数中最差的。而G值的精度在天体物理、地球物理、计量学等领域有着重要意义。例如,要想精确回答地球等宇宙天体有多重,就要依赖于G值;在自然单位制中,普朗克单位的精度同样受G值测量精度的限制。

   怎么让这个数值更精确,是卡文迪许之后的科学家们努力的方向。利用现代技术完善扭秤实验,则是他们提升测量精度的办法。

  

万有引力定律提出后的300年,上世纪八十年代,华中科技大学罗俊团队开始用扭秤技术精确测量G值,此后他们每十年会更新一次引力常数的测量精度。


1999年,他们得到了第一个G值,并被国际科学技术数据委员会(CODATA)录用。


2009年,他们发表了新的结果,成为当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值,并且又一次被CODATA收录。


如今,经过又一个十年,罗俊团队再次更新了G值。

  

在精密测量领域,细节决定成败。光是为了得到一个实验球体,罗团队就手工研磨了近半年时间,最后让这个球的圆度好于0.3微米。

不仅如此,论文通讯作者之一、华中科大引力中心教授杨山清告诉记者,他们研发出一批高精端仪器设备,其中很多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。《自然》杂志发表评论文章称,中国科学家这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。

 

为了增加测量结果的可靠性,实验团队同时使用了两种独立方法——“扭秤周期法”、“扭秤角加速度反馈法”,测出了两个不同的G值,相对差别约为0.0045%。《自然》杂志评论称,通过两种方法测出的G值的相对误差,为至今迄今世界最小。

   

目前,全世界很多实验小组都在测量G值,国际科技数据委员会2014年最新收录的14个G值中,最大值和最小值的相对差别约在0.05%,华中科大的差别率小逾10倍。


尽管数值的差距在缩小,但真值仍是未知。“不同小组使用相同或者不同的方法测量的G值在误差范围内不吻合,学界对于这种现象还没有确切的结论。”罗俊说。

  

 科学家推测,之所以测出不同的结果,一种概率较大的可能是,实验中可能存在尚未发现或未被正确评估的系统误差,导致测量结果出现较大的偏离,另一种概率较低但不能排除的可能是,存在某种新物理机制导致了目前G值的分布。

罗俊告诉记者,要解决目前G值测量的问题,需要进一步研究国际上测G实验中各种可能的影响因素,也需要国际各个小组的共同努力和合作。


“只有当各个小组实验精度提高,趋向给出相同G值的时候,人类才能给出一个万有引力常数G的明确的真值。”罗俊说。




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