隱秘的萬有引力常數

2020-12-19 英英的自留地

引言

「與卡文迪許交談,千萬不要看他,而要把頭仰起,兩眼望著天,就像對空氣談話一樣」。

——卡文迪許的朋友,化學家武拉斯頓

馬林斯基家族的祖師爺

牛頓的著作《哲學的數學原理》取得的巨大的成功,一時間「英國紙貴」。萬有引力定律是牛頓經典物理的核心觀點也是最具變革性的觀點。萬有引力告訴人們天上的星星與地面的石頭遵守著相同的規律。萬有引力的一個預言就是:已知地面的重力加速度和地球半徑,如果在直到萬有引力常數的話就可以求出地球的質量。想像就是一個偉大的結論,當我們談到地球是只能用大,很大,重,非常重這些詞來形容,有了萬有引力定律人們居然可以憑藉智慧獲得人類家園的一些基本的參數,終於對地球有個基本認識。

人們最容易想到的通過測量兩個物體之間的吸引力來反向計算出萬有引力常數G。英國皇家學會馬林斯基想到利用一座形狀規則的山體並在周圍架設一個重物,由於兩者之間萬有引力的存在重物會稍微偏向大山一側,如果測出重物與鉛垂線之間的夾角就可以反算出出萬有引力常數。

這裡的馬林斯基是二戰著名戰場魔術師賈斯帕·馬斯基林的爺爺的爺爺的爸爸。作為馬林斯基的創始人,他參與了金星凌日的觀測試圖計算金星的距離,發明了通過觀察月球來測定地球經度的方法,改進了計時工具將時間的精度第一次精確到0.1秒,當然還開創了馬林斯基家族。儘管馬林斯基獲得了英國皇家學會的支持也組織了龐大的測量隊伍,但是測量的結果並不理想。因為人們無法精確知道大山的密度,牛頓告訴人們可以通過體積乘上密度獲得物體的質量但卻沒有給出密度的獲得方法,因此馬林斯基們只能得到一個大致的結果:5000萬億噸,與現在公認的約59萬億億噸相差甚遠。

卡文迪許實驗室的祖師爺

卡文迪許通過扭秤實驗測量萬有引力常數可謂眾人皆知,但扭卻並不是卡文迪許發明的。科學家約翰米歇爾沒有卡文迪許的富足和年輕有為,卻創造性的設計了可以用來測量萬有引力常數的扭稱系統。不過他卻沒有能夠完成實驗,臨終前把自己精心設計的實驗裝置送給了卡文迪許。卡文迪許繼承了大筆遺產,但對金錢卻沒有概念。性格孤僻,終身未娶,喜歡獨自沉思,唯一的愛好就是日夜沉浸在實驗室。就算偶爾參加聚會,悄悄地走來,默默找個角落坐下。從來沒有人輕易他打招呼,因為他會滿臉通紅不知所措。卡文迪許本身足夠寫上好幾篇文章了,後面會慢慢寫給大家。

卡文迪許將米歇爾的實驗儀器進行了仔細改裝,儘可能地提高實驗的精度。扭稱的主要求兩個大約635千克重的鉛球組成,旋在兩個其他球體兩側。卡文迪許為了減少幹擾提高觀察精度,他躲到另外一間房子裡通過望遠鏡觀察轉軸偏轉的角度。最終卡文迪許6.754×10-11N·m/kg,與現在公認的結果相差1%左右。

卡文迪許實驗室並不是卡文迪許建立,而是由劍橋大學校長發起電磁學之父麥克斯韋負責籌建。卡文迪許實驗室一共產生了29為諾貝爾獎獲得者

中國的貢獻

萬有引力是四種基本力中最弱的一種,在宏觀物體之間萬有引力較大。由於測定物體重量的限制實驗室中萬有引力會太小而造成測量困難。而且引力無法屏蔽,因此引力常數是最難以確定的物理常數之一。

2018年8月30日,國際頂級學術期刊《Nature》刊發了華中科大羅俊院士團隊的最新成果,此次羅俊團隊採用兩種不同方法測萬有引力常數——扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法進行G值的精確測量精度達到當時國際最好水平。

中學時翻開無理數裡面各種各樣外國人的名字,外國人的公式,心中多少有些疑惑和悲傷,真的希望牛頓真的姓牛,安培真的姓安。希望我們國家的基礎科學越來越好。

相關焦點

  • 華中科大測量出萬有引力常數最高精度值
    1687年,牛頓在蘋果樹下發現了萬有引力。然而,萬有引力公式裡的常數(G)卻始終是難解之謎。  近日,中國科學家給出了最新進展——國際頂級雜誌《自然》刊發了中國科學院院士羅俊團隊最新測萬有引力常數G的最精確值,這是該團隊蟄伏30年艱辛測出的截至目前國際上最高精度。  眾所周知,引力非常微弱且不可屏蔽,因而對其的精確測量充滿了挑戰性。所以,萬有引力常數是人類認識最早但測量精度卻最差的一個基本物理學常數。
  • 測出最精確萬有引力常數G值 2018年新發現顛覆傳統認知
    這一年,新發現顛覆傳統認知  科學家追尋百年的萬有引力常數G值有了新的答案,為科技界服役130年的國際千克原器面臨退休,從航天到地球四極,2018年,新技術助力的科學新發現,不斷顛覆著人類已有的認知。
  • 5個你該感謝的物理常數
    特別是那些物理常數——比如光速和萬有引力常數——它們的數值好像被精確調整過,正好使得我們得以存在。這些常數隻要發生輕微的變化,恆星、行星、生命,甚至複雜的原子都可能無法形成。下面,我們舉例來說一些你該重點感謝的物理常數。
  • 物理只要記住F=ma定律和萬有引力這兩個公式,什麼都可以推導出來
    F=G*M1M2/(R*R) (G=6.67×10^-11Nm^2/kg^2) 其中: F: 兩個物體之間的引力 G: 萬有引力常數 m1: 物體1的質量 m2: 物體2的質量 r: 兩個物體之間的距離F=GMm/r^2萬有引力F=G*(Mm)/(R方)其中:萬有引力常量G=6.67259
  • 量子力學中普朗特常數代表什麼?原來時間是一段、一段的量子組成
    量子講堂第二期:在量子力學中有一個十分重要的物理常數,即普朗克常數,它代表著量子的最小單位,那麼普朗特常數究竟有什麼現實意義呢?在第一期的量子講堂中,我們了解到:原來量子並不是一種實際的粒子,而是物理量的最小單位,量子的概念最初是由德國物理學家普朗克在1900年提出的,普朗克提出最初的能量子代表的是能量的最小單位,進而普朗克又提出了量子力學中一個十分重要的物理量:普朗克常數,從普朗克常數又可以推導、變形出多個常數,例如:普朗克時間、普朗克長度、普朗克能量,它們究竟代表著什麼呢?
  • 為什麼萬有引力和距離的平方成反比,就是R方在分母上
    為什麼萬有引力和距離的平方成反比,就是R方在分母上1.對萬有引力而言,元素有這麼幾個。3.顯然,萬有引力要和質量成正比。3.1即F=C*m*M,C為常數。4.直觀F=GmM與半徑R有一個函數關係。4.1最簡單的函數關係就是正比和反比。4.2考慮反比,但是是幾次方呢?
  • 空氣的介電常數是多少 常見物質的介電常數表查詢
    本文為您提供空氣的介電常數值,常見物質的介電常數表查詢。   空氣的介電常數是多少?   空氣的相對介電常數為1,幹空氣是良好的電介質,並被用在可變電容器以及某些類型的傳輸線。   最小的,一般近似等於真空的介電常數,近似值為1,其他都大於1。   什麼是介電常數,介電常數單位是什麼?
  • 如果牛頓沒有被蘋果砸中腦袋,他能否發現萬有引力?能,一定能
    要了解牛頓發現萬有引力,我們首先得來了解一下伽利略! 伽利略比牛頓早出生半個世紀,但早在這個時期,伽利略就證明了力不是運動的原因,只是改變物體運動狀態的原因! 啥意思?這句話直接說清楚了力和物體的運動到底有沒有關係?
  • 化學平衡常數及轉化率
    一、化學平衡常數1.定義在一定溫度下,一個可逆反應達到化學平衡時,生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值是一個常數,用符號K表示。3.化學平衡常數應用①利用化學平衡常數,判斷反應是否達到平衡或向何方向進行。對於化學反應aA(g) + bB(g)cC(g) + dD(g)的任意狀態。
  • 數理史上的絕妙證明:萬有引力平方反比律的證明|賢說八道
    拋物線就只有一個焦點,而橢圓也有隻需一個焦點的定義——到一點的距離和到一條直線距離之比為小於1的常數的點的集合是橢圓!第一定律確定了行星軌道的全局幾何性質,第二定律確定的是行星在軌道不同位置上的運動快慢問題。用現代物理語言來說,行星繞太陽運動,其角動量守恆。
  • 四大常數之一的費根鮑姆常數,揭示了三生萬物的道理
    直到1975費根鮑姆在研究二階微分方程時發現周期倍增分岔發生時的參數之間差率是會趨向於一個常數數值4.669201609…。後來被稱為費根鮑姆常數,也叫混沌常數。而這個常數正是描述了這個混沌的宇宙。宇宙熵值的積累,是一種非線性系統混沌之現象。混沌為我們展現的是一個分數維的世界,有四大特點:隨機性、分維性、標度性和普適性。混沌的普適性就是由混沌常數決定的。這就是三生萬物的道理之所在。另外關於混沌的數學定義是由美籍華人李天宏給出的。
  • 快手萬有引力槍聲版火了 萬有引力槍聲版是什麼歌的歌詞
    18183首頁 快手萬有引力槍聲版火了 萬有引力槍聲版是什麼歌的歌詞 快手萬有引力槍聲版火了 萬有引力槍聲版是什麼歌的歌詞
  • 牛頓的萬有引力是如何提出的?帶你走進經典原理背後的故事
    牛頓是如何推導萬有引力定律的?根據一個著名的軼事,當牛頓又老又有名的時候,有人問他是如何想到萬有引力定律的,他的回答是,「通過不斷地思考它。」這使得他能夠用嚴格的數學方法證明所有的克卜勒定律都遵循形式重力的平方反比定律: m1和m2分別是任意兩個物體的質量,r是它們之間的距離,G是萬有引力常數。牛頓還比較了地球表面附近的物體(如蘋果)隨著月球繞地球運動而向下加速的速度。他能夠證明這兩種現象都可以用萬有引力定律來解釋。
  • 酶動力學中的一些常數簡介
    Km和KsKm是米氏常數,定義為Km=(k-1+k2)/k1,物理意義是反應速度達到Vm一半時的底物濃度。Ks是酶與底物複合物的解離常數,定義為Ks=k-1/k1。1/Ks是反映酶與底物親和力的參數。因為當k2極小時Km就近似等於Ks,所以說1/Km可近似表示酶與底物的親和力,1/Km越大,親和力越大。
  • 5條萬有引力定律的局限性
    按照萬有引力定律,兩個物體不管相距多遠,都會產生萬有引力。這個萬有引力從一個地方傳到另一個地方,假如以光速傳播到幾億光年之外的星體,那麼作用力的是否堅守持續性是個問題,否則必然是一個離散的宇宙,萬有引力如何約束宇宙法則,成為宇宙的決定力量呢?如果承認萬有引力的超光速問題,這又違背了現代物理學的基礎。
  • 牛頓如果沒有被蘋果砸中腦袋,他能否發現萬有引力?能,一定能
    但牛頓不一樣,通過被蘋果這麼一砸,結果就砸出了宇宙的終極奧秘之一:萬有引力!我的天啊!換做普通人想都不敢想,但牛頓不是凡人啊!他是他所在的那個時代裡最牛最牛的科學大神!所以這個故事放在別人身上沒有人信,但放在牛頓身上,所有人都信了!
  • 物理學中的基本常數有多基本?
    在現有的物理體系中,光速以及其他幾十個所謂的宇宙基本常數一樣,它們都是物理學家理解宇宙的關鍵。這些常數甚至還能被用於定義度量單位,比如米、秒以及千克。然而,對於為什麼基本常數必須是常數的問題,物理學界還沒有達成共識。
  • 自然常數e:原來是這麼來的
    數學中有許多重要的常數,例如圓周率π和虛數單位i(等於根號負一)。但數學中還有一個同樣重要的常數,那就是自然常數e,儘管沒有圓周率那麼為人所熟知。這個常數經常出現在數學和物理學之中,但它從哪裡來?它究竟是什麼意思?在18世紀初,數學大師萊昂哈德?
  • 為啥化學平衡常數隻受溫度影響
    濃度平衡常數和壓強平衡常數。由於總壓強增加。再次達到平衡時,用於計算平衡常數的,反應物與生成物的分壓都增加了,所以這樣並不能說明K一定增大。平衡常數隻與溫度有關,這是通過化學熱力學得到的結果ΔG=-RTlnk一定溫度下的吉布斯自由能ΔG是不變的,因此,平衡常數k只與溫度有關。  在書寫平衡常數表達式時,要注意以下問題:  ① 在應用平衡常數表達式時,稀溶液中的水分子濃度可不寫。因為稀溶液的密度接近於1 g/mL。水的物質的量濃度為55.6 mol/L。
  • 自然常數 e 的故事
    E(自然常數, 也稱為歐拉數)是自然對數函數的底數. 它是一個無理數, 就是說小數點後面無窮無盡, 永不重複. 與 Pi 和 sqrt(2) 不同, 它不是由幾何問題上探究而來的, 而是關於增長率和變化率的常數. 但是它為什麼和增長率有關呢? 讓我們回到來 17 世紀, 看看發現 e 最初的問題與相關的兩位大數學伯努利和歐拉吧.