中國科學家測量出最精確的引力常數G

中國科學家測量出最精確的引力常數G

我們現在對引力的強度有了最精確的估計。

在實驗室裡,測量物體間微小引力的兩個實驗測量了牛頓的引力常數,其不確定度只有0.00116%左右。到目前為止,G測量的最小不確定度為0.00137%。

8月30日“自然”雜誌報道的這組新的G值並不是G的最終結果。這兩個值略有不同,也沒有解釋為什麼以前的G測量實驗產生了如此廣泛的估計。儘管如此,研究人員也許能夠使用新的值,以及G的其他估計,來發現為什麼對這個關鍵的基本常數的測量是如此挑剔,並且可能一勞永逸地確定引力的強度。

在牛頓萬有引力定律中,G的精確值將質量和距離與引力聯繫起來,幾個世紀以來科學家們一直沒有這樣做。這是因為實驗室實驗中一對物體之間的引力極小,容易受到附近其他物體的引力影響,往往使研究人員對其測量結果存在很大的不確定性。

中國科學家測量出最精確的引力常數G

兩個新的引力強度測量值(紅色正方形,短誤差條表示不確定性)接近或在G(灰色陰影)的當前可接受範圍內。新的估計比過去40年的其他實驗(圓點和更長的誤差條)要精確得多。

根據過去40年的測量,G的當前接受值為6.67408×10^−11m³/kg·s²。這個數字有0.0047%的不確定性,這使得它比其他基本常數(如電子的電荷或光速)更不精確數千倍。圍繞G的不確定性限制了研究人員確定天體質量和基於G的其他常數值的能力。

中國武漢華中科技大學的物理學家楊山清和她的同事用兩種稱為扭擺的儀器測量了G。每個裝置包含一個金屬塗覆的二氧化硅板,由一根細線懸吊,並被鋼球包圍。板塊和球體之間的引力使板塊在導線上向球體方向旋轉。

但是,為了適應兩種測量G的方法,這兩個扭擺的設置略有不同。研究人員用一個扭擺來測量G,當金屬板向球體傾斜時,通過監測金屬絲的扭曲度來測量。另一個扭擺是固定的,這樣金屬板就會從轉盤上晃來晃去,轉盤旋轉以防止電線扭曲。通過這個扭擺,研究人員通過跟蹤轉盤的旋轉來測量G。

為了使他們的測量儘可能精確,研究人員修正了一長串微小的擾動,從製造扭擺的材料密度的微小變化到全球各地地震的地震振動。馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究所(National Institute Of Standard And Technology)的物理學家斯特凡·施拉姆明格(Stephan Schlamminger)說:“在這方面做了這麼多工作真是令人驚訝。”他對這項研究的評論發表在同一期“自然”雜誌上。進行這樣一套艱苦的實驗“就像一件藝術作品”。

中國科學家測量出最精確的引力常數G

這些扭擺實驗測得G值分別為6.674184×10^−11和6.674484×10^−11m³/kg·s²,不確定度均在0.00116%左右。

英國伯明翰大學的物理學家克萊夫·斯佩克說,這種記錄的精確度是“一項了不起的成就”,但是G的真正價值“仍然是個謎”。他說,重複這些和其他過去的實驗來識別以前未知的不確定性來源,或者設計新的G測量技術,可能有助於揭示為什麼對這個關鍵的基本常數的估計仍然不一致。


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