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工人日报 2018年09月07日 星期一

引力常量是怎么测出来的?

《工人日报》(2018年09月07日 06版)

8月30日,《自然》杂志发表了华中科技大学罗俊院士团队的最新成果,这一团队历经30年,测出了目前国际上最高精度的G值。G值又被称为是万有引力常量,对于所有参加过高考理综考试的人来说,这一常量都不陌生,因为在计算涉及引力的问题时,这个G值都是绕不过去的。

事实上,这也恰恰正是G值测定在科学上的重要性,因为只要涉及引力计算问题,都必须应用到G值,如果G值精度不高,那么很多相应的基础科学研究都无法展开,也会影响到宇宙探测。

牛顿最早提出了万有引力定律,根据这一定律,任何物体之间相互皆有引力,引力大小与它们质量的乘积成正比,与距离的平方成反比,与物体的组成以及物体中间的介质无关。

但是,引力公式中存在着一个常量值,这个值是多少牛顿当时自己也不知道。只是如果按照公式反推,比如知道了两个物体的质量以及物体间的距离,然后测出物体间的引力,之后代入公式反推,就能计算出引力常量。但问题就出在这个物体质量上,物体间的距离好测,因为有尺子,但质量怎么测呢?如果拿两个苹果放秤上是能测出质量的,问题是两个苹果质量太小,相互之间的引力也太小,这样的引力测不出来。那就找两个大的,两个星球,可你又怎么把两个星球放秤上?

所以说,在牛顿之后的一个世纪里,人们知道万有引力定律,但没法验证,也没法计算,更没法应用,因为常量是多少不知道。这样的状态,一直维持到卡文迪许发明了扭秤实验。

卡文迪许采取的实验原理就是放大法,这一方法也被后来科学界采用,成为科学实验的方法之一,即将不易察觉到的微小变化量,通过实验手段变成容易观察的显著变化量来测定,然后根据两个量之间的比例测算出前者。

卡文迪许将两个质量一样的铅球放在扭秤两端,扭秤中间被用钢丝系在支架上,钢丝上有个镜子,然后用垂直的细光束照射镜子,得到一个反射点。之后,用两个质量一样的铅球同时吸引扭秤上的铅球,受万有引力作用,扭秤会发生偏转,这种偏转非常难观察到,但细光束的反射点却可以因此移动出较大距离。通过这样的方式,卡文迪许测定的G值,和今天的标准值相比,相差不过百分之一,在卡文迪许身后的相当长一段时期,人们都在使用他测定的常量值。

但是,随着科学的发展,科学家对于G值的精度要求越来越高,对测量仪器和实验环境的要求也非常高。罗俊院士团队在上世纪80年代开始用扭秤技术精确测量G值,1999年得到了第一个精确数值,随后被国际科学技术数据委员会采用。到2009年,这一团队又发表了最新成果,被国际科学技术数据委员会收录为HUST-09。

今年罗俊院士团队测出的G值,是通过两种独立方法测量出来的,分别是扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法,是目前国际上精度最高的G值。G值测量所需的诸多装置,是研究人员自主研制的,许多高精尖仪器也因此问世,并将用于国家重大科学基础设施和探测计划之中,比如探测引力波的“天琴计划”。 (舒年)

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