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万有引力常数真值 想方设法靠近你

2018-10-11 09:54来源:科技日报

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  牛顿提出万有引力已经过去300多年了,但与之相关的万有引力常数G始终没有一个准确真值,科学家们几百年来也在一直设计各种实验,试图在G值测量中达成一致。

  上世纪80年代,中国科学家罗俊加入了研究引力常数的队伍。在华中科技大学喻家山的山洞里,他们团队几乎每十年会更新一次引力常数的测量精度。而《自然》杂志近期刊发的论文称,他们采用两种独立方法测出了截至目前国际上最高精度的G值。

  为什么万有引力常数是物理常数中最难测量的常数之一?这个被发现最早的常数,目前测量获得的精度却最低,背后的原因是什么?我们能测到引力常数的真值吗?科技日报记者带着这些问题再次采访了研发团队的专家。

  测量精度 每100年才提高一个数量级

  1687年,牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中系统地介绍了万有引力定律。他指出使苹果落地的力和维系行星沿椭圆轨道运动的力在本质上是同一种力。牛顿将此结论加以推广,认为宇宙任何两个质点都有相互吸引力,小到基本粒子大到宇宙天体,所以被称为“万有引力”。

  这次研究的通讯作者之一、华中科技大学引力中心的杨山清教授介绍,当年牛顿只知道万有引力定律,却不知道引力常数G值到底是多少。但常数G却有着重要意义。没有G,万有引力定律就不算完美,一些与之相关的天体物理学、地球物理学、计量学等研究的问题就很难解决。

  100多年之后,也就是1798年,英国科学家卡文迪许为了测量地球的密度,设计出一个扭秤实验,巧妙地测量出了万有引力的微小作用效果。后人通过这个实验,推算出了历史上第一个G值。

  但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。其后200多年时间里,实验物理学家在对G值的测量过程中付出了极大努力,但G值测量精度的提高却异常缓慢。根据国际科学技术数据委员会(CODATA)最新发布的万有引力常数G的推荐值,其相对不确定度仅为47ppm (1ppm:百万分之一),几乎是每一个世纪才提高一个数量级。

  杨山清说,万有引力常数测量的困难,其一在于万有引力实际上非常微弱,我们最早对其的认知都是通过天体这种大尺度上的相互作用得到的。显然我们没法把两个行星抱进实验室,只能用两个不锈钢球进行实验,但在这个尺度上的万有引力就更加微弱,对整个实验设计、实验仪器的精度要求都非常严格。

  此外,任何有质量的物体都对其他物体有引力作用,并且引力用任何东西都没法屏蔽掉,也就是说,无论是实验室里摆放的器具还是实验人员自身,都会对万有引力的测量产生干扰,甚至是实验室外飞驰而过的汽车、天空中低压云层、偶然路过的一只飞鸟,都可能会在实验数据里留下它们的“痕迹”。

  为了尽可能屏蔽外界干扰和保证实验环境稳定,实验地点选在了山洞中。山洞这种天然的恒温特性为G值测量工作提供了日温度波动小于0.01摄氏度的优质实验环境,同时有着厚重山体的屏蔽,外界的干扰也减小许多。

  两项实验 自主研发多项技术成果

  团队使用的两种独立方法分别是扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法。在这两个实验中,都有一个必不可少的实验设备——六个无磁性的、均匀密度的、直径57毫米或127毫米的不锈钢球。

  说起来非常简单,做起来却是艰难无比。做一个球差不多要耗费大半年的时间,六个球要耗费2—3年甚至更久。因为正式实验时用的钢球做工要求非常精细,圆度误差分别不能超过0.3微米(直径57毫米的球)和1微米(直径127毫米的球),约一根头发丝直径的六十分之一。团队成员磨一下,就测一次。除了不锈钢小球,还有扭丝特性研究、球和球之间距离精准测量等种种难关。

  华中科技大学引力中心主任、团队核心成员涂良成教授介绍,实际上,G值的测量原理在学界早已明晰,但测量过程异常繁琐复杂,在一种测量方法中,往往包含近百项的误差需要评估。为了增加测量结果的可靠性,与两种方法相关的装置设计及诸多技术细节均由团队成员自己摸索、自主研制完成。

  “我们虽然还不能知道最精确的G值,但我们在此过程中自主研发的相关技术已经成功通过卫星飞行试验,其中精密扭秤技术已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面,这些仪器将为精密重力测量国家重大科技基础设施以及空间引力波探测——‘天琴计划’的顺利实施奠定良好的基础。”涂良成说,在获得更高精度的G值路途中,会结出一串串的丰硕成果。

  此外,其他研究团队可以用这次测量的新值与之前的测量值放在一起估计G值,对解答为什么对引力常数的测量如此困难或有启发。G值的测量只有更精确,没有最精确,所以此次测量不会是最后的结果。科学家们将继续重复实施已有的,或设计新的实验方法,不断提高测量精度,不断向这一关键基本常数的真值靠近。(记者刘志伟 通 讯 员 王潇潇 高 翔)

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