团队成员薛超及同事在研磨球体 华中科技大学供图

团队成员薛(xue)超及同事在研磨(mo)球体 华中科技大学供图

  来(lai)源:中国科(ke)学报

  1687年,牛顿发现(xian)了(le)万有引力定律。 

  有人(ren)说这个发(fa)现(xian)得益(yi)于一(yi)颗砸到(dao)牛顿脑(nao)袋上的(de)苹果,也有人(ren)说这种说法纯(chun)属虚构,但无论如何,牛顿成功地让世界各地的(de)中学课本里多了一(yi)个描述万(wan)有引(yin)力的(de)公(gong)式:F=G(m₁m₂)/r²,其中G是万(wan)有引(yin)力常数。 

  万有(you)(you)引(yin)力定律认为,大到宇宙天体,小到看不见的粒子,任何物(wu)体之间都像(xiang)苹果和(he)地球之间一样,具有(you)(you)相互吸引(yin)力,这个力的大小与(yu)各个物(wu)体的质量成正比例,与(yu)它们之间距离的平方成反比。 

  定律(lv)虽(sui)好,要想派上(shang)实际用场,还得(de)知道G的值(zhi)。然而,这个值(zhi)到底是多少,连(lian)牛(niu)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(ling)晨,《自然》杂志发表了中(zhong)国科学家测(ce)(ce)量万(wan)有引(yin)力常(chang)数的研究,测(ce)(ce)出了截至目前最精确的G值。 

  卡文迪许的尝试

  G值不明(ming)确,万有引(yin)力(li)定律就算不上完美。

  但是,地球上一般物(wu)体(ti)(ti)的质(zhi)(zhi)量太(tai)小,引(yin)力(li)几乎为零,而(er)宇宙里的天体(ti)(ti)又太(tai)大,难(nan)以评估其质(zhi)(zhi)量。

  于是,在万有引力定律提出后的100多年里,G值一直是个(ge)未解(jie)之谜(mi)。 

  1798年,一位名叫卡文迪许的(de)英国科学家,为(wei)了(le)测量地球的(de)密度,设(she)计出(chu)一个巧妙的(de)扭(niu)秤实验。

  他制(zhi)作了一(yi)个(ge)轻便而结实的T形框架(jia)(jia),并把这个(ge)框架(jia)(jia)倒(dao)挂在一(yi)根细(xi)丝上。如果(guo)在T形架(jia)(jia)的两端(duan)施(shi)加(jia)两个(ge)大小相等、方向相反的力(li),细(xi)丝就会扭转一(yi)个(ge)角度。

  根据T形架(jia)扭(niu)转的角(jiao)度(du),就能测(ce)出受力的大小(xiao)。

  接着(zhe),卡文迪许(xu)在T形架的两端(duan)各固定一个小(xiao)球,再在每个小(xiao)球的附近各放一个大球。

  为了测定微小(xiao)的扭转(zhuan)角(jiao)度,他(ta)还在T形(xing)架上(shang)装了一(yi)面小(xiao)镜(jing)子(zi),用一(yi)束光射(she)向(xiang)镜(jing)子(zi),经镜(jing)子(zi)反射(she)后的光射(she)向(xiang)远处的刻度尺(chi),当镜(jing)子(zi)与T形(xing)架一(yi)起发生(sheng)一(yi)个很小(xiao)的转(zhuan)动(dong)时,刻度尺(chi)上(shang)的光斑(ban)会发生(sheng)较大的移动(dong)。

  这样,万有引(yin)力的微小作用效果(guo)就被放(fang)大了。

  根据这个(ge)实验,后人推算出了(le)历史上(shang)第一个(ge)万有引(yin)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(le)常数(shu)值,但科学家们并不满(man)足。

  在(zai)他们看来,万有(you)引(yin)力常数G是人类认(ren)识的第一个基(ji)(ji)本常数,而G值的测量精度却是所有(you)基(ji)(ji)本常数中(zhong)最差的。

  而G值的精(jing)度在(zai)天体物(wu)(wu)理(li)、地球物(wu)(wu)理(li)、计量学等领域(yu)有(you)着重要(yao)意义。

  例(li)如,要(yao)想(xiang)精(jing)确(que)回答地球等天体有多重(zhong),就要(yao)依赖于G值;在自然单(dan)位制中,普朗克单(dan)位定(ding)义式的(de)精(jing)度(du)同(tong)样受G值测量精(jing)度(du)的(de)限制。 

  怎么让这个(ge)数值更精确(que),是(shi)卡(ka)文迪许之后(hou)的科学家们努力的方向。利用(yong)现(xian)代技术完善扭秤实验,则是(shi)他们提(ti)升测量精度的办(ban)法。 

  就在牛顿(dun)万有引(yin)(yin)力(li)定律提出后的(de)300年,中国科学家罗俊及其团(tuan)队加入了这(zhei)支寻找(zhao)引(yin)(yin)力(li)常(chang)数的(de)队伍,此后他们几乎每十年会更新一(yi)次引(yin)(yin)力(li)常(chang)数的(de)测量精度。 

  上世(shi)纪(ji)八十年代,华中科(ke)技大学罗俊团(tuan)队开始用扭秤技术精确(que)测量(liang)G值。

  十年后的1999年,他(ta)们得到了第一个G值,并被国(guo)际科(ke)学(xue)技术数(shu)据委员(yuan)会(CODATA)录用。 

  又(you)十年后,2009年,他(ta)们发(fa)表了新的(de)结果,成(cheng)为当(dang)时(shi)采用(yong)扭秤周期法(fa)得到的(de)最(zui)高精度的(de)G值,并且又(you)一次被CODATA收录(lu)。 

  如今,经(jing)过又一个十年的(de)沉淀,罗俊团队再次(ci)更(geng)新了(le)G值(zhi)。

  “30多年(nian)的(de)时间里,我们不(bu)断地对完全自制的(de)扭(niu)秤系统进行改良和优化设计。”罗俊告(gao)诉《中国(guo)科学报》记(ji)者。 

  在精密(mi)测量(liang)领(ling)域,细(xi)节决定成(cheng)败。光(guang)是为(wei)了得到一个(ge)实验(yan)球体,团队(dui)成(cheng)员就手工研磨(mo)了近半年时间,最后让这(zhei)个(ge)球的圆(yuan)度好于0.3微米。

  不仅(jin)如此,论文通讯(xun)作者之(zhi)一、华中科技(ji)大(da)学引力中心(xin)教授杨(yang)山(shan)清(qing)告诉记者,实现相关装(zhuang)置设计及诸多(duo)技(ji)术细节均需团队成员自己摸索、自主(zhu)研制,在此过(guo)程中,他们研发(fa)出一批(pi)高精(jing)端(duan)仪器(qi)设备,其(qi)中很多(duo)仪器(qi)已在地球重力场的测(ce)量、地质(zhi)勘探(tan)等(deng)方面发(fa)挥重要作用。 

  《自然》杂志发(fa)表评论文(wen)章称,这项(xiang)实(shi)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(wei)了(le)增加(jia)测量结果的可靠性,实验团队同(tong)时使用了(le)两种独立(li)方(fang)法(fa)——扭秤周期法(fa)、扭秤角加(jia)速度(du)反馈法(fa),测出了(le)两个不(bu)同(tong)的G值,相对差(cha)别(bie)约为(wei)0.0045%。

  《自然(ran)》杂志评论称,通(tong)过两种方法测出的G值(zhi)的相对误差达到了迄今最小。

  目前,全世(shi)界很多实验小组(zu)都在测量G值(zhi),国际科技数据(ju)委(wei)员会2014年最(zui)(zui)新收录的14个G值(zhi)中,最(zui)(zui)大值(zhi)和最(zui)(zui)小值(zhi)的相对差别约在0.05%。

  尽管数值(zhi)的差距在缩小(xiao),但真值(zhi)仍(reng)是(shi)未知。

  “不(bu)同小(xiao)组(zu)使(shi)用相同或者不(bu)同的(de)(de)方(fang)法测量的(de)(de)G值在误(wu)差范围内不(bu)吻合,学界对于这种现象还没(mei)有确切的(de)(de)结论。”罗俊说。 

  科(ke)学家(jia)推测(ce)(ce),之所以测(ce)(ce)出不同的结果(guo),一(yi)种(zhong)(zhong)概率较(jiao)大的可(ke)能(neng)是(shi),实验中可(ke)能(neng)存(cun)(cun)在尚未发现或未被正确(que)评估的系统误差,导致测(ce)(ce)量结果(guo)出现较(jiao)大的偏离,另一(yi)种(zhong)(zhong)概率较(jiao)低但不能(neng)排(pai)除的可(ke)能(neng)是(shi),存(cun)(cun)在某种(zhong)(zhong)新物理(li)机制导致了(le)目(mu)前G值(zhi)的分布。 

  罗(luo)俊告诉记者,要(yao)(yao)解(jie)决目前G值测(ce)量的问(wen)题,需(xu)要(yao)(yao)进一(yi)步研究国际上测(ce)G实验中各种(zhong)可能的影(ying)响因素(su),也需(xu)要(yao)(yao)国际各个小(xiao)组的共同(tong)努(nu)力和合作。 

  “只有当各个小组实验精(jing)度提高,趋(qu)向给出相同G值(zhi)的(de)时候,人类才能(neng)给出一个万有引(yin)力常(chang)数G的(de)明确的(de)真值(zhi)。”罗俊说(shuo)。