原标题:百万分之11.6!中国科学家历时30年在山洞中测出最为精准的万有引力常量

原标题:他们花了30年测得万有引力常数G国际最高精度

科学 1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/r2,其中G是万有引力常数。

说到万有引力,你可能会觉得是一种十分强的力,因为地球和太阳之间的万有引力拉住了地球没有飞出太阳系。但其实,引力作用十分微弱。比如说,地球的引力还不足以抵消你家里冰箱贴受到的电磁力。引力作用如此微弱,再加上引力无法被屏蔽,因此万有引力常数十分难以精确测量。

万有引力定律大家都不陌生

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。

最近,中国的华中科技大学和中山大学的研究团队合作,对万有引力常量作出了目前为止最精确的测量。此次测量万有引力常数的精确度达到约百万分之
11.6,刷新了实验测量万有引力常数的精确度纪录。

但G值测量精度是目前所有基本常数中最差的

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。

这项历时**30 年**的研究在 8 月 30
日发表在《自然》(Nature)杂志上。
此篇论文也是中国精确测量万有引力常数研究领域在《自然》上发表的首篇论文

他们用了30年

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。

科学 2

测得目前国际上最高精度的G值

卡文迪许的尝试

图 |
《自然》杂志刊登中国学者对万有引力常数测量成果(来源:Nature
官网截图)

将精确度提高到小数点后第四位!

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。

从上世纪 80
年代就已开始,罗俊院士团队就采用扭秤技术精确测量,历经 10 多年的努力,在
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)录用。2009
年,团队又发表了新的测量结果,相对精度达到 26
ppm(百万分之一),是当时采用扭秤周期法得到的最高精度的 G
值,也被随后的历届 CODATA 所收录命名为
HUST-09。如今,罗俊团队给出了目前国际上最高精度的 G 值,相对不确定度优于
12 ppm,实现了对国际顶尖水平的赶超。

科学 3

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。

研究的通讯作者、华中科技大学杨山清教授对 DT 君表示:“获得更高精度的 G
值对很多领域如天体物理、地球物理、计量学等都具有重要意义”。

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超】

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。

杨教授介绍道,目前各种天体(如地球)的质量测量精度就受限于
G 值的测量精度,知道
G 值精度越高,就可以得到更高精度的地球质量或其它天体的质量,这毫无疑问会对物理学的发展大有裨益;另外,一些其他物理常数如普朗克时间和普朗克长度等的精度同样受到G值测量精度的限制,而普朗克时间和普朗克长度对于天体物理和粒子物理领域均非常重要。最后,高精度的 G 值也会帮助我们弄清关于 G 可能随时间变化以及 G 是否是常数等相关的理论问题。

8月30日《自然》杂志刊发了中国科学院院士、中山大学校长罗俊团队最新测G结果,该团队历经30年艰辛,测出了截至目前国际上最高精度的G值。《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”。

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。

“目前国际上各个小组测得 G 值吻合程度仅到
0.05%,G 值测量精度远远低于其它常数的精度。这种现状就意味着其中还存在没有弄清楚的科学问题。好奇心驱使我们去研究为什么会出现这种情况”,他说。

南都专访论文共同第一作者、参与实验的
中山大学天琴中心特聘副研究员薛超、刘祺。薛超通俗解释道,“所谓最高精度的G值,即相当于精确度提高到了G值的小数点后第四位,以前只精确到第三位。”

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。

最早发现却最不精确的万有引力常数

科学 4

十年十年又十年

万有引力常数是一个包含在对有质量的物体间的万有引力的计算中的实验物理常数。它出现在牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论中。万有引力常数是物理常数中最难测量的常数之一。尽管全世界的科学家数百年来不断努力,但其最精确的测量也存在很大误差。

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超(右)、刘祺(左)】

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。

科学 5

G值的测量精度是目前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。

图 |
精确测量引力常数有助于天体质量的测定(来源:维基百科)

南都:引力常数G通俗解释一下?目前的精度如何?G在万有引力定律、乃至整个物理学领域中,占据怎样的作用?

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。

万有引力定律是艾萨克·牛顿在 1687
年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿普适的万有引力定律表示如下:任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。

中山大学天琴中心特聘副研究员薛超: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。

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。

但是,牛顿在推出万有引力定律时,没能算出引力常量
G 的具体值。在 100 多年后,G
的数值首次于 1789 年由卡文迪许利用他所设计的扭秤实验得出
。该实验不仅以实践证明了万有引力定律,同时也让此定律有了更广泛的使用价值。卡文迪许测出的引力常量为
6.74×10-11 m3/(kg·s2),与 2014
年科学技术数据委员会推荐的万有引力常数值相差小于
1%
。然而这样的精确度仍会在计算大质量物体中带来无法忽略的误差。因此,从卡文迪许以后,G
值经历了多次测量和修正。

要计算物体间的万有引力,则需知道引力常数G的大小,但令人遗憾的是截止目前,我们并不知道G的精确值是多少。例如,要想精确回答地球等天体有多重,就要依赖于G值的测量精度。

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录用。

科学 6

万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数,但是G值的测量精度是目前所有基本常数中最差的,以往国际上不同实验小组的G值测量的相对精度虽然接近10-5,相互之间的吻合程度仅达到10-4的水平,因为精度问题很多与之相关的基础科学难题至今无法解决。

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。

图 |
卡文迪许扭秤实验示意图(来源:维基百科)

科学 7

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。

到了 1942
年,Heyl提出采用扭秤周期法测量。周期法最大优点是将对弱力的测量(万有引力是自然界四种基本作用力中最微弱的)转化为对时间的测量。由于对时间的精确测量比较容易实现,因此
Heyl 给出的 G
值具有较高的精度。这以后,科学家们设计了许多方法,不断改进,减少实验过程中的外界干扰,包括温度、地面震动、大气压强波动、电磁场等,力求测量出最精确的
G 值。

【历届CODATA推荐的G值】

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。

根据过去 40 年的测量结果,目前普遍接受的G值为 6.67408×10-11
m3/(kg·s2)。这个数字有着 0.0047% 的不确定度,这样的误差是其他基本常数的数千倍,如电子电荷和光速。0.0047%
看似很小了,却限制了研究人员确定天体的质量以及计算其他基于 G
的参数的值。

《自然》称这项实验可谓

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。

科学 8

“精确测量领域卓越工艺的典范”

《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”。

图 | 国际科技数据委员会(CODATA)收录的测
G 实验结果和 2002、2006 年的推荐值,ppm
指百万分之一,表示精确度。(来源:《中国科学》杂志)

南都:如何定义这里的最高精度?团队通过怎样的过程和努力测出最高精度?

G的真值仍是未知

最近,华中科技大学物理学院引力中心的罗俊院士团队在《自然》杂志上刊发了论文《Measurements
of the gravitational constant using two independent
methods》(通过两种独立方法对万有引力常数的测量)。文中,罗俊院士团队通过两个实验估计了引力常量
G,刷新了原来的精确度,**
其不确定度仅为 0.00116%(即 11.6
ppm)。此前,G 值最小的不确定度为
0.00137%(13.7ppm)*科学,*。两个实验的测量结果略有不同,分别为
6.674184×10-11 和 6.674484×10-11m3/(kg·s2)。

薛超:我们使用了两种独立的方法进行测G,两个方法测量出的两个G值不确定度均好于0.0012%,两者相差约0.004%。国际科技数据委员会(CODATA)2014年收录的14个G值中,当时的最高精度为0.0014%,最大最小值相差约0.05%。在2014年收录的14个G值中,罗俊院士团队是国内唯一团队。

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%。

两种方法锁定这项世界纪录

G值测量的基本原理在物理学上早已十分明确,这个实验的挑战在于测量过程异常繁琐、复杂,需要将各种干扰因素控制在相应的精度范围内。

《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%。

该团队分别使用扭秤周期法(TOS)和扭秤角加速度反馈法(AAF)两种扭摆仪器测量
G
值。每个装置都有一个带金属涂层的二氧化硅板,由细线悬挂并被金属壳包围。硅板和球体之间的引力吸引力使得板朝向球体旋转。

罗俊院士团队的测G历史可以追溯到上世纪八十年代,一直致力于采用自主研制的扭秤技术精确测量万有引力常数G,30多年的时间里不断对扭秤系统进行改良和优化设计,对其各方面的特性进行了非常全面的研究。

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 9

我们现在使用的两种测G方法均基于扭秤这一经典弱力测量工具,通过不断改进减小实验中各项误差的影响,最终得到了目前的实验设计方案。

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。

图 |
扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法测万有引力常数装置示意图(来源:华中科技大学/Nature)

《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”。

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。

在扭秤周期法中,摆为一个规格为 91×11×31 立方毫米重 68g
的镀铝石英块。摆通过细石英丝悬挂,石英丝直径 40-60 μm 长 900
毫米。磁阻尼器通过一个 50 mm 长,直径 80μm 的钨丝悬挂。2 个 SS316
不锈钢球作为质量源,其直径约 57.2 mm,真空质量 778
g。转盘可用于改变球的位置,使球处于近状态或远状态。中空的镀金铝桶安装在摆和球体中间,用于保护扭摆受到变化静电作用的影响。摆和质量源放在同一真空室内,气压为10-5
Pa。摆锤扭转由光学杠杆监控。研究人员通过监测球体处于近状态或远状态时,扭摆的扭转周期差异来给出
G 值。

追求精度,半年时间跟一个完美球体较劲

“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。

在扭秤角加速度反馈法中,摆为一个规格为 91×4×50 立方毫米真空质量 40 g
的镀金石英块。悬丝为一根 870 毫米长、直径 25
微米的钨丝。磁阻尼设计与扭秤周期法相同。直径约 127 毫米真空质量 8541g 的
4 个 SS316
不锈钢球用作质量源,分别置于超低热膨胀材料架的上下两层,质量源及其支撑架放置在一个机械转台上。摆锤悬挂在一个空气轴承转台下面,该转台与支撑质量源的转台单独同轴安装。摆锤的小偏转角由自准直仪记录。实验过程中,两个转台分别做变速运动,并相互跟踪保证悬丝不扭转,实验人员可通过测量悬挂扭摆的转台角加速度来给出
G 值。

球体的凹凸差比1根头发丝还细250多倍

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

两个新的引力常数测量值(用红色箱线图表示,短线代表不确定性)接近或在目前可接受的
G 值范围内(灰色阴影部分)。新的估计值比过去 40 年的其他 G
值测定实验(青色圆点和更大的误差范围)更精确。

南都:在实验中,精度有怎样的要求?可否举例?

科学 10

薛超:拿我们实验中的吸引质量球体为例,球体形状要求接近完美球体,我们两种方法里面,其中一种方法扭秤周期法的球圆度要求好于0.3微米。比如我们筛选到一个很圆的球体,但要对球体凹凸不平的量有要求,当凹凸量相差5微米时还是不够,5微米相当于比头发丝还细了50多倍。为了追求球体的精度,我们只能自己想办法研磨。最终达到了球体的凹凸差仅为1微米。从5微米到1微米再到好于0.3微米,仅仅是制作这样一个球体,就需通过手工研磨近半年时间。

图 | G
值的测量结果(来源:ScienceNews.org)

另外,诸如球体密度的均匀性检验、球体间的举例的精确测量、扭丝的特性研究等类似问题,均需要仔细研究和评估,这些问题耗费了我们团队相当多的精力。

进行如此艰苦的实验,就像完成一件艺术品

南都:能否介绍您在这一研究中主要负责的内容。测量常数G要在怎样的环境和条件下?

值得注意的是,由于引力实验对恒温、隔振、电磁屏蔽等要求极高,华中科技大学的引力实验中心的实验室建立在一个人防山洞中。

薛超:罗俊团队采用两种不同方法测G,扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法,我和华中科技大学物理学院博士生邬俊飞一起主要负责扭秤角加速度反馈法的实验研究内容。

30
多年以来,华中科技大学的**
罗俊教授带领他的团队在山洞中进行了无数次实验,才有了如今的高精度
G 值。**

测量地点选在华中科技大学北面的喻家山山洞中,山洞天然的恒温特性为测G工作提供了日温度波动小于0.01℃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。

“山洞实验室为引力实验提供了“完美”的实验环境。山体是一道天然的屏障,隔绝了外界的电磁干扰,如在我们实验室是没有手机信号的。另外,引力非常微弱,要求测量工具具有非常高的灵敏度,那么周围的各种‘风吹草动’都会影响测量数据,在山洞中可以远离人类活动,极大地减小了此类干扰。而且,山洞中常年温度恒定在
20oC
左右,有效地减小了温度波动对实验带来的影响。很多国际同行表示羡慕有这样一个实验地点”,杨山清教授说。

实验相关装置设计及诸多技术细节均自主研制

科学 11

南都:这一次,罗俊团队采用两种不同方法G(扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法),给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm,实现了对国际顶尖水平的赶超。这两种方法的独创性如何?“相对不确定度优于12
ppm”怎么通俗理解?

图 |
罗俊院士团队(来源:华中科技大学物理学院)

薛超:这两种实验方法虽已不再新奇,但与两种方法相关的装置设计及诸多技术细节均需团队成员自己摸索、自主研制完成。

但实际上,山洞实验室的条件也非常艰苦。

相对不确定度优于12ppm可理解为,对于每种方法G值测量结果的中心值,已经可以确定到小数点后第四位。

“罗俊教授带领大家在山洞实验室里面干了 30
多年,我作为罗老师比较年轻的学生,也干了 15
年了,我听师兄们描述过当时的一段历史:当时山洞条件比较艰苦,罗俊老师半边的脸上白化,得白癜风,后面头发斑秃,潮湿条件,空气也不好,大概每个月都要感冒发烧一次。”杨教授说。

历时30年实现3大突破

据杨教授介绍,团队最早的时候有十多个人,到后来陆陆续续地离开,最后只剩下三个人。那段时间,罗俊教授每天工作十几个小时,除了吃饭和睡觉,几乎都在山洞中做实验。潮湿阴冷的环境、高强度的工作,让他左半边脸上出现了一块块白斑,他却毫不在意,大把大把地脱发,头发几乎掉了
2/3,他索性剃成光头,戴上帽子。

罗俊团队引力中心成“世界的引力中心”

“后来,有记者就这段历史采访过罗俊老师,罗老师笑着说,‘人们总是问我,山洞条件那么苦,你怎么坚持下来的?可我从来没觉得苦,感受到的更多是乐趣和幸福。我是科学家,科学家追求真理的兴趣和执着足以支撑我克服一切困难。在山洞这样一个‘世外桃源’里,我能够静下心来研究自己感兴趣的东西。这是我的幸运’”,杨教授说。

南都:罗俊团队从上世纪80年代已开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G,30多年来先后取得了哪些研究发现?在研究方法和技术上,这些年有怎样的突破和创新?

团队的这项工作也获得了业内人士的充分认可。“他们在这方面做的大量工作令人惊讶,”马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所的物理学家
Stephan Schlamminger
说,他对这项研究的评论出现在同一期《自然》杂志上,“进行如此艰苦的实验,‘就像完成一件艺术品**’**”。

薛超:罗俊团队从上世纪八十年代就已开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G,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)录用。

科学 12

在随后的十年时间里,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,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,也被随后的历届CODATA所收录命名为HUST-09。

图 |
罗俊院士团队研发的一批高精端的仪器设备(来源:华中科技大学/Nature)

又经过整整十年的不懈努力,罗俊团队采用两种不同方法测G,给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm,达到国际领先水平。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”。

新G值仍非定论

科学 13

打破记录的精确度是“一项了不起的成就”,英国伯明翰大学的物理学家
Clive Speake 评论道,“但 G
值真值仍然是一个谜。

意义1

G
值的测量只有更精确,没有最精确,所以此次测量不会是最后的结果。科学家们重复实施旧的,或设计新的实验方法,不断提高测量精度,也许这正是人们对这一关键基本常数如此挑剔的意义所在。

为物理学界确定高精度的引力常数G的推荐值做出实质性贡献

这一新的 G 测量值并不是 G
值的最终结论。两种方法获得的 G
值有轻微偏差,同时也无法解释为什么如此精确的 G
值测量可以彼此之间存在这么大的差异。

南都:这一成果,对万有引力常数G的精确测量具有哪些研究意义和实际意义?

杨山清教授说,“从统计学上来看我们的两个结果仅在3倍标准差范围内吻合。对于这种偏差目前我们也还不能给出明确的解释,最有可能是这两种方法中仍然存在没有被发现的系统误差,需要进一步的深入研究。”

薛超:这一成果将为提升我国在基础物理学领域的话语权、为物理学界确定高精度的引力常数G的推荐值做出实质性贡献。

但是,研究者可以用这次测量的新值与之前对
G 的测量放在一起估计 G
值。此外,本次研究对解答为什么对引力常数的测量如此困难或有启发,也有可能对未来真正确定
G 值有帮助。

获得更高精度的G值对很多领域如天体物理、地球物理、计量学等都具有重要意义,举两个简单的例子:

杨山清认为,“两种方法获得的万有引力常数仍有一些偏差,引力常数 G
的真值对于人类来说还是未知的,我们会朝着这个目标继续开展研究
。进一步发掘国际上测 G
实验中的各种可能影响因素,另外为了实现这个目标也需要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,人类才能给出一个引力常数 G 的明确的真值。”

1.目前各种天体(如地球)的质量测量精度就受限于G值的测量精度,知道G值精度越高,就可以得到更高精度的地球质量或其它天体的质量,这毫无疑问会对物理学的发展大有裨益;

但是,万有引力常数是一个永恒不变的量吗

2、高精度的G值也会帮助我们弄清关于G可能随时间变化以及G是否是常数等相关的理论问题。

对此,杨山清教授表示,“确实有学者提出过万有引力常数不是定值的理论或猜想,但目前还没有得到实验的检验。关于国际上
G
值不吻合的现状,主流的看法还是最可能来源于实验中隐藏着系统误差。虽然新物理机制也可能导致这种情况,但可能性较低。要确定
G 是否是一个变化的常数,还得极大地提高 G 值的测量精度
。”

意义2

著名的英国理论文理学家狄拉克曾提出大数假说,认为包括重力在内的基本作用力的比例与宇宙年龄尺度存在某种关联性。也就是说,万有引力常数或可随宇宙年龄的增长而逐渐变大。但是目前并没有实验证据显示万有引力常量存在变化。因此,若想对狄拉克的大数假说进行验证,还需更精确的测量技术对万有引力常数进行测量。

仪器及技术积累对“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础

也许你还有疑问,为什么人们对这个常量的测量如此执着呢?

南都:这一重大研究对于目前在进行的“天琴计划”项目实施,有怎样的促进?

其实,为测量 G
值而研发的仪器,如罗俊院士团队的高端精密仪器,其中很多已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。如团队研发的精密扭秤技术已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面。这些仪器将为精密重力测量以及空间引力波探测——“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础。新的测量对于宇宙研究、地球科学或任何以某种方式依赖引力的科学都很重要

薛超:测G是一项艰苦而又繁琐的工作,一个结果的得出往往需要几十年时间的摸索。正如论文的通讯作者之一杨山清教授所说:“从上世纪80年代罗俊院士开始进行万有引力常数G的精确测量实验研究至今,他已将其看作是毕生的事业,几十年如一日的在山洞实验室工作。不仅给我们提供了方向的指引,同时以身作则,对实验过程中的每个重要阶段他都主动带领团队成员一起分析、讨论并指导大家做实验。一批兼具理论与实践能力的优秀人才在此过程中得以成长。

在未来 G
值的研究上,我们还可以有更多的期待。

实验过程中一批高精端的仪器设备被研发,且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。如团队发展的精密扭秤技术已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面,这些仪器将为精密重力测量国家重大科技基础设施以及空间引力波探测——“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础。”

-End-

采写:南都记者 贺蓓摄影:南都记者 陈辉

参考:

返回搜狐,查看更多

https://www.sciencenews.org/article/strength-gravity-gravitational-constant-newton

责任编辑:

http://phys.hust.edu.cn/info/1211/3362.htm

涂良成,黎卿,邵成刚等.万有引力常数G的精确测量.中国科学:物理学
力学 天文学,2011,41:691-705.返回搜狐,查看更多

责任编辑:

相关文章