隐秘的万有引力常数

引言

“与卡文迪许交谈,千万不要看他,而要把头仰起,两眼望着天,就像对空气谈话一样”。

——卡文迪许的朋友,化学家武拉斯顿

马林斯基家族的祖师爷

牛顿的著作《哲学的数学原理》取得的巨大的成功,一时间“英国纸贵”。万有引力定律是牛顿经典物理的核心观点也是最具变革性的观点。万有引力告诉人们天上的星星与地面的石头遵守着相同的规律。万有引力的一个预言就是:已知地面的重力加速度和地球半径,如果在知道万有引力常数的话就可以求出地球的质量。想象就是一个伟大的结论,当我们谈到地球时只能用大,很大,重,非常重这些词来形容,有了万有引力定律人们居然可以凭借智慧获得人类家园的一些基本的参数,终于对地球有个基本认识。

人们最容易想到的通过测量两个物体之间的吸引力来反向计算出万有引力常数G。英国皇家学会马林斯基想到利用一座形状规则的山体并在周围架设一个重物,由于两者之间万有引力的存在重物会稍微偏向大山一侧,如果测出重物与铅垂线之间的夹角就可以反算出出万有引力常数。


隐秘的万有引力常数

这里的马林斯基是二战著名战场魔术师贾斯帕·马斯基林的爷爷的爷爷的爸爸。作为马林斯基的创始人,他参与了金星凌日的观测试图计算金星的距离,发明了通过观察月球来测定地球经度的方法,改进了计时工具将时间的精度第一次精确到0.1秒,当然还开创了马林斯基家族。尽管马林斯基获得了英国皇家学会的支持也组织了庞大的测量队伍,但是测量的结果并不理想。因为人们无法精确知道大山的密度,牛顿告诉人们可以通过体积乘上密度获得物体的质量但却没有给出密度的获得方法,因此马林斯基们只能得到一个大致的结果:5000万亿吨,与现在公认的约59万亿亿吨相差甚远。

卡文迪许实验室的祖师爷

卡文迪许通过扭秤实验测量万有引力常数可谓众人皆知,但扭却并不是卡文迪许发明的。科学家约翰米歇尔没有卡文迪许的富足和年轻有为,却创造性的设计了可以用来测量万有引力常数的扭称系统。不过他却没有能够完成实验,临终前把自己精心设计的实验装置送给了卡文迪许。卡文迪许继承了大笔遗产,但对金钱却没有概念。性格孤僻,终身未娶,喜欢独自沉思,唯一的爱好就是日夜沉浸在实验室。就算偶尔参加聚会,悄悄地走来,默默找个角落坐下。从来没有人轻易他打招呼,因为他会满脸通红不知所措。卡文迪许本身足够写上好几篇文章了,后面会慢慢写给大家。


隐秘的万有引力常数

卡文迪许将米歇尔的实验仪器进行了仔细改装,尽可能地提高实验的精度。扭称的主要求两个大约635千克重的铅球组成,旋在两个其他球体两侧。卡文迪许为了减少干扰提高观察精度,他躲到另外一间房子里通过望远镜观察转轴偏转的角度。最终卡文迪许6.754×10-11N·m/kg,与现在公认的结果相差1%左右。

卡文迪许实验室并不是卡文迪许建立,而是由剑桥大学校长发起电磁学之父麦克斯韦负责筹建。卡文迪许实验室一共产生了29位诺贝尔奖获得者。

中国的贡献

万有引力是四种基本力中最弱的一种,在宏观物体之间万有引力较大。由于测定物体重量的限制实验室中万有引力会太小而造成测量困难。而且引力无法屏蔽,因此引力常数是最难以确定的物理常数之一。

2018年8月30日,国际顶级学术期刊《Nature》刊发了华中科大罗俊院士团队的最新成果,此次罗俊团队采用两种不同方法测万有引力常数——扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法进行G值的精确测量精度达到当时国际最好水平。


隐秘的万有引力常数

中学时翻开物理书里面各种各样外国人的名字,外国人的公式,心中多少有些疑惑和悲伤,真的希望牛顿真的姓牛,安培真的姓安。希望我们国家的基础科学越来越好。


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