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万有引力常数G的前世今生

发布时间:2018-08-30          来源:           浏览次数:

万有引力常数G的前世今生

2018830日,《自然》杂志以长文的形式在线发表了华中科技大学物理学院引力中心团队对万有引力常数G的最新测量结果。物理学院博士后黎卿,中山大学天琴中心副研究员薛超及物理学院博士生刘建平,邬俊飞为共同第一作者,杨山清教授,邵成刚教授和罗俊院士为共同通讯作者。

《自然》杂志作为世界上历史悠久的、最有名望的科学杂志之一,汇聚了许多科研领域中最重要、最前沿的研究成果,是众多科研工作者心目中的顶级期刊。而此次最新测G结果的发表,更是代表了国际上对引力中心团队坚持30多年的测G工作的肯定。对于万有引力常数G,读者们可能既熟悉又陌生,也许只是在物理课本的字里行间打过一次照面,这个字母G有着怎样的物理含义?对其进行高精度的测量又有什么样的意义?下面我们就来谈谈这个历史上最为悠久的基本物理常数——万有引力常数G的前世今生。

牛顿因苹果落地产生灵感提出万有引力定律

“七月流火,九月授衣”,自古以来,人类在关心作物与节气的同时,也时常仰望星空,试图探索天体运动中蕴含的规律与奥秘。1687年,英国著名物理学家牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中系统的介绍了万有引力定律,该定律指出维系行星沿椭圆轨道运动的力和使苹果落地的力在本质上是同一种力,牛顿将此结论推广到宇宙任何两个质点都有相互吸引力,认为这种吸引力无处不在,小到基本粒子大到宇宙天体,所以被称为“万有引力”。时至今日,数千颗人造卫星仍然按照着牛顿在300多年前提出的万有引力定律为它们设定的轨道绕地球运转着,无数的苹果们也在同样的物理规律下拥抱土地。很多有物理基础的同学都对万有引力定律耳熟能详,牛顿将其表述为任意两个质点通过它们连心线方向上的力相互吸引,该吸引力的大小正比于质量的乘积,反比于距离的平方,用公式写出来便是:

而将万有引力与质量、距离联系起来的,正是万有引力常数GG值的大小反映了万有引力的强弱。

人造卫星绕地球运行满足万有引力定律

作为最早被发现的基本物理常数,同时也是理论物理、天体物理等领域最重要的基本物理常数,两个多世纪以来,科学家们为了获得万有引力常数G的精确值竭尽全力。早在1798年,英国著名物理学家卡文迪许便通过扭秤实验测量了地球密度,后人由此实验推算出历史上第一个G,相对不确定度为1%。在其后的200多年时间里,实验物理学家在万有引力常数G的测量过程中付出了极大的努力,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CODATA-2014万有引力常数G的推荐值,其相对不确定度仅为47ppm1ppm:百万分之一),几乎是每一个世纪才提高一个数量级。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么大的尺度上的相互作用得到的,显然我们没法把太阳抱进实验室,我们当然可以降低点要求,比如用两个不锈钢球进行实验,但在这个尺度上的万有引力十分微弱,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的作用,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、天空中低压压的云层、偶然路过的一只飞鸟,都会在实验数据里留下它们的足迹。

卡文迪许和他的扭秤实验

中国物理学家在这个领域起步较晚,直至上世纪八十年代,华中科技大学的罗俊团队才开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G。测量地点被选在华中科技大学北面的喻家山洞中,我们知道一些防空洞冬暖夏凉,常被果农用来储藏水果,山洞这种天然的恒温特性为测G工作提供了日温度波动小于0.01°C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。罗俊团队历经十多年的努力于1999年得到了第一个G值,被随后历届的国际科学技术数据委员会(CODATA)为给出推荐G值而录用,得到国内外广泛地关注和认可。科学探索的脚步没有就此止步。该团队对实验方案进行了一系列优化以及对各项误差进行更深入的研究,又历时十年,于2009年发表了新的结果,相对精度达到26ppm。该结果是当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值,也是当时国际上精度优于50ppm的五个结果之一,也被随后历届CODATA所收录命名为HUST-09

罗俊团队测G实验点滴记录

G的精确测量似乎顺风顺水,科学家们似乎在逐渐攻克这个难关,然而尴尬的是,国际上各个小组G值测量结果相互之间不吻合,为了弄清G值的测量是否与方法相关和探寻不同方法中可能存在的潜在系统误差,罗俊团队开始同时采用两种完全不同的实验方法——扭秤周期法和角加速度法进行G的精确测量。如今,又经过一个十年的沉淀,罗俊团队再次厚积薄发,两种不同的测G方法均给出了目前国际上最高精度的G值,并于2018830日发表在顶级科研杂志《自然》上,实现了对国际顶尖水平的赶超。罗俊团队所在的引力中心在短短30多年里,从无到有,从有到强,逐步走向世界前沿,被国际同行称为“世界的引力中心”。

罗俊团队两种不同测G方法实验结果与国际现有结果比较

30年的时光在浩瀚的宇宙面前沧海一粟,对于一个人来说却是壮年到暮年的峥嵘岁月,罗俊院士和他的团队成员们将他们人生中最美好的30年时光奉献给了万有引力测量事业,终于在万有引力常数测量的历史上留下了浓墨重彩的一笔。而这篇文章的发表,无疑会极大的鼓舞中国的引力人,在接下来的科研工作中不忘初心、砥砺前行!

喻家山脚下的引力中心

 

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