自然:最精确的万有引力常数 6.67×10 -11约1/万亿

邓文龙

作者：罗俊等 来源

发布时间：2018/8/31 14:27:36

中国科学家测出国际最精确的万有引力常数

万有引力公式：F=G（m1m2）/r2

万有引力 F=6.67×10 -11（m1m2）/r2 (千克每秒平方)

团队成员薛超及同事在研磨球体 华中科技大学供图

1687年，牛顿发现了万有引力定律。

有人说这个发现得益于一颗砸到牛顿脑袋上的苹果，也有人说这种说法纯属虚构，但无论如何，牛顿成功地让世界各地的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，大到宇宙天体，小到看不见的粒子，任何物体之间都像苹果和地球之间一样，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。

定律虽好，要想派上实际用场，还得知道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，不少科学家在努力测量G值并让它更精确。就在8月30日凌晨，《自然》杂志发表了中国科学家测量万有引力常数的研究，测出了截至目前最精确的G值。

卡文迪许的尝试

G值不明确，万有引力定律就算不上完美。但是，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。于是，在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，设计出一个巧妙的扭秤实验。

他制作了一个轻便而结实的T形框架，并把这个框架倒挂在一根细丝上。如果在T形架的两端施加两个大小相等、方向相反的力，细丝就会扭转一个角度。根据T形架扭转的角度，就能测出受力的大小。

接着，卡文迪许在T形架的两端各固定一个小球，再在每个小球的附近各放一个大球。为了测定微小的扭转角度，他还在T形架上装了一面小镜子，用一束光射向镜子，经镜子反射后的光射向远处的刻度尺，当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时，刻度尺上的光斑会发生较大的移动。这样，万有引力的微小作用效果就被放大了。

根据这个实验，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。

十年十年又十年

卡文迪许测出了常数值，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天体有多重，就要依赖于G值；在自然单位制中，普朗克单位定义式的精度同样受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。

就在牛顿万有引力定律提出后的300年，中国科学家罗俊及其团队加入了这支寻找引力常数的队伍，此后他们几乎每十年会更新一次引力常数的测量精度。

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。十年后的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。

又十年后，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，经过又一个十年的沉淀，罗俊团队再次更新了G值。“30多年的时间里，我们不断地对完全自制的扭秤系统进行改良和优化设计。”罗俊告诉《中国科学报》记者。

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，团队成员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、华中科技大学引力中心教授杨山清告诉记者，实现相关装置设计及诸多技术细节均需团队成员自己摸索、自主研制，在此过程中，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，这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。

G的真值仍是未知

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值的相对误差达到了迄今最小。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%。

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。（来源：中国科学报 倪思洁）

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0431-5

https://www.nature.com/articles/ ... =news.sciencenet.cn

http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/20188311427367947208.shtm



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邓文龙

Google译:

文章

发布时间：2018年8月29日

使用两种独立方法测量重力常数

Qing Li, Chao Xue, Jian-Ping Liu, Jun-Fei Wu, Shan-Qing Yang, Cheng-Gang Shao, 李迪泉，谭文海，Liang-Cheng Tu, Qi Liu, Hao Xu, Lin-Xia Liu, Qing-Lan Wang, Zhong-Kun Hu, Ze-Bing Zhou, Peng-Shun Luo, Shu-Chao Wu, Vadim Milyukov＆Jun Luo
自然卷  560，  页582 - 588 （2018） | 下载引文

抽象
牛顿引力常数G是自然界最基本的常数之一，但我们仍然没有准确的值。尽管进行了两个世纪的实验努力，G的价值仍然是最基本的常数。在最近的G测定中，高达0.05％的差异表明在现有的各种方法中可能存在未发现的系统误差。解决此问题的一种方法是使用一些不太可能涉及相同系统效应的方法来测量G. 在这里，我们报告两个独立的G确定使用扭摆实验与摆动时间方法和角加速度反馈方法。我们获得的G值为6.674184×10 -11和6.674484×10 -11立方米/千克每秒平方，相对标准不确定度分别为11.64和11.61。这些值具有迄今为止报告的最小不确定性，并且两者都符合两个标准偏差内的最新推荐值。

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0431-5