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牛頓未解之謎 中國(guó)科學(xué)家測(cè)最精確萬(wàn)有引力常數(shù)
團(tuán)隊(duì)成員薛超及同事在研磨球體 華中科技大學(xué)供圖
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
1687年，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。
有人說(shuō)這個(gè)發(fā)現(xiàn)得益于一顆砸到牛頓腦袋上的蘋果，也有人說(shuō)這種說(shuō)法純屬虛構(gòu)，但無(wú)論如何，牛頓成功地讓世界各地的中學(xué)課本里多了一個(gè)描述萬(wàn)有引力的公式：F=G(m?m?)/r²，其中G是萬(wàn)有引力常數(shù)。
萬(wàn)有引力定律認(rèn)為，大到宇宙天體，小到看不見的粒子，任何物體之間都像蘋果和地球之間一樣，具有相互吸引力，這個(gè)力的大小與各個(gè)物體的質(zhì)量成正比例，與它們之間距離的平方成反比。
定律雖好，要想派上實(shí)際用場(chǎng)，還得知道G的值。然而，這個(gè)值到底是多少，連牛頓本人都不清楚。
300多年來(lái)，不少科學(xué)家在努力測(cè)量G值并讓它更精確。
就在8月30日凌晨，《自然》雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)家測(cè)量萬(wàn)有引力常數(shù)的研究，測(cè)出了截至目前最精確的G值。
卡文迪許的嘗試
G值不明確，萬(wàn)有引力定律就算不上完美。
但是，地球上一般物體的質(zhì)量太小，引力幾乎為零，而宇宙里的天體又太大，難以評(píng)估其質(zhì)量。
于是，在萬(wàn)有引力定律提出后的100多年里，G值一直是個(gè)未解之謎。
1798年，一位名叫卡文迪許的英國(guó)科學(xué)家，為了測(cè)量地球的密度，設(shè)計(jì)出一個(gè)巧妙的扭秤實(shí)驗(yàn)。
他制作了一個(gè)輕便而結(jié)實(shí)的T形框架，并把這個(gè)框架倒掛在一根細(xì)絲上。如果在T形架的兩端施加兩個(gè)大小相等、方向相反的力，細(xì)絲就會(huì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度。
根據(jù)T形架扭轉(zhuǎn)的角度，就能測(cè)出受力的大小。
接著，卡文迪許在T形架的兩端各固定一個(gè)小球，再在每個(gè)小球的附近各放一個(gè)大球。
為了測(cè)定微小的扭轉(zhuǎn)角度，他還在T形架上裝了一面小鏡子，用一束光射向鏡子，經(jīng)鏡子反射后的光射向遠(yuǎn)處的刻度尺，當(dāng)鏡子與T形架一起發(fā)生一個(gè)很小的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刻度尺上的光斑會(huì)發(fā)生較大的移動(dòng)。
這樣，萬(wàn)有引力的微小作用效果就被放大了。
根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，后人推算出了歷史上第一個(gè)萬(wàn)有引力常數(shù)G值——6.67×10-11N·m2/kg2。
十年十年又十年
卡文迪許測(cè)出了常數(shù)值，但科學(xué)家們并不滿足。
在他們看來(lái)，萬(wàn)有引力常數(shù)G是人類認(rèn)識(shí)的第一個(gè)基本常數(shù)，而G值的測(cè)量精度卻是所有基本常數(shù)中最差的。
而G值的精度在天體物理、地球物理、計(jì)量學(xué)等領(lǐng)域有著重要意義。
例如，要想精確回答地球等天體有多重，就要依賴于G值;在自然單位制中，普朗克單位定義式的精度同樣受G值測(cè)量精度的限制。
怎么讓這個(gè)數(shù)值更精確，是卡文迪許之后的科學(xué)家們努力的方向。利用現(xiàn)代技術(shù)完善扭秤實(shí)驗(yàn)，則是他們提升測(cè)量精度的辦法。
就在牛頓萬(wàn)有引力定律提出后的300年，中國(guó)科學(xué)家羅俊及其團(tuán)隊(duì)加入了這支尋找引力常數(shù)的隊(duì)伍，此后他們幾乎每十年會(huì)更新一次引力常數(shù)的測(cè)量精度。
上世紀(jì)八十年代，華中科技大學(xué)羅俊團(tuán)隊(duì)開始用扭秤技術(shù)精確測(cè)量G值。
十年后的1999年，他們得到了第一個(gè)G值，并被國(guó)際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)(CODATA)錄用。
又十年后，2009年，他們發(fā)表了新的結(jié)果，成為當(dāng)時(shí)采用扭秤周期法得到的最高精度的G值，并且又一次被CODATA收錄。
如今，經(jīng)過(guò)又一個(gè)十年的沉淀，羅俊團(tuán)隊(duì)再次更新了G值。
“30多年的時(shí)間里，我們不斷地對(duì)完全自制的扭秤系統(tǒng)進(jìn)行改良和優(yōu)化設(shè)計(jì)。”羅俊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。
在精密測(cè)量領(lǐng)域，細(xì)節(jié)決定成敗。光是為了得到一個(gè)實(shí)驗(yàn)球體，團(tuán)隊(duì)成員就手工研磨了近半年時(shí)間，最后讓這個(gè)球的圓度好于0.3微米。
不僅如此，論文通訊作者之一、華中科技大學(xué)引力中心教授楊山清告訴記者，實(shí)現(xiàn)相關(guān)裝置設(shè)計(jì)及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均需團(tuán)隊(duì)成員自己摸索、自主研制，在此過(guò)程中，他們研發(fā)出一批高精端儀器設(shè)備，其中很多儀器已在地球重力場(chǎng)的測(cè)量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用。
《自然》雜志發(fā)表評(píng)論文章稱，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可謂“精確測(cè)量領(lǐng)域卓越工藝的典范”。
G的真值仍是未知
為了增加測(cè)量結(jié)果的可靠性，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)同時(shí)使用了兩種獨(dú)立方法——扭秤周期法、扭秤角加速度反饋法，測(cè)出了兩個(gè)不同的G值，相對(duì)差別約為0.0045%。
《自然》雜志評(píng)論稱，通過(guò)兩種方法測(cè)出的G值的相對(duì)誤差達(dá)到了迄今最小。
目前，全世界很多實(shí)驗(yàn)小組都在測(cè)量G值，國(guó)際科技數(shù)據(jù)委員會(huì)2014年最新收錄的14個(gè)G值中，最大值和最小值的相對(duì)差別約在0.05%。
盡管數(shù)值的差距在縮小，但真值仍是未知。
“不同小組使用相同或者不同的方法測(cè)量的G值在誤差范圍內(nèi)不吻合，學(xué)界對(duì)于這種現(xiàn)象還沒(méi)有確切的結(jié)論。”羅俊說(shuō)。
科學(xué)家推測(cè)，之所以測(cè)出不同的結(jié)果，一種概率較大的可能是，實(shí)驗(yàn)中可能存在尚未發(fā)現(xiàn)或未被正確評(píng)估的系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大的偏離，另一種概率較低但不能排除的可能是，存在某種新物理機(jī)制導(dǎo)致了目前G值的分布。
羅俊告訴記者，要解決目前G值測(cè)量的問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究國(guó)際上測(cè)G實(shí)驗(yàn)中各種可能的影響因素，也需要國(guó)際各個(gè)小組的共同努力和合作。
“只有當(dāng)各個(gè)小組實(shí)驗(yàn)精度提高，趨向給出相同G值的時(shí)候，人類才能給出一個(gè)萬(wàn)有引力常數(shù)G的明確的真值。”羅俊說(shuō)。
