中国科学家测出国际最精确的万有引力常数

2018-08-30 中国科学报

  

 

  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。

  论文相关信息:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0431-5

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