為解牛頓未解之謎 中國科學家測得迄今最精確萬有引力常數

2021-03-01 中國科學報

團隊成員薛超及同事在研磨球體 華中科技大學供圖

1687年,牛頓發現了萬有引力定律。 

有人說這個發現得益於一顆砸到牛頓腦袋上的蘋果,也有人說這種說法純屬虛構,但無論如何,牛頓成功地讓世界各地的中學課本裡多了一個描述萬有引力的公式:F=G(m₁m₂)/r²,其中G是萬有引力常數。 

萬有引力定律認為,大到宇宙天體,小到看不見的粒子,任何物體之間都像蘋果和地球之間一樣,具有相互吸引力,這個力的大小與各個物體的質量成正比例,與它們之間距離的平方成反比。 

定律雖好,要想派上實際用場,還得知道G的值。然而,這個值到底是多少,連牛頓本人都不清楚。 

300多年來,不少科學家在努力測量G值並讓它更精確。

就在8月30日凌晨,《自然》雜誌發表了中國科學家測量萬有引力常數的研究,測出了截至目前最精確的G值。 

G值不明確,萬有引力定律就算不上完美。

但是,地球上一般物體的質量太小,引力幾乎為零,而宇宙裡的天體又太大,難以評估其質量。

於是,在萬有引力定律提出後的100多年裡,G值一直是個未解之謎。 

1798年,一位名叫卡文迪許的英國科學家,為了測量地球的密度,設計出一個巧妙的扭秤實驗。

他製作了一個輕便而結實的T形框架,並把這個框架倒掛在一根細絲上。如果在T形架的兩端施加兩個大小相等、方向相反的力,細絲就會扭轉一個角度。

根據T形架扭轉的角度,就能測出受力的大小。

接著,卡文迪許在T形架的兩端各固定一個小球,再在每個小球的附近各放一個大球。

為了測定微小的扭轉角度,他還在T形架上裝了一面小鏡子,用一束光射向鏡子,經鏡子反射後的光射向遠處的刻度尺,當鏡子與T形架一起發生一個很小的轉動時,刻度尺上的光斑會發生較大的移動。

這樣,萬有引力的微小作用效果就被放大了。

根據這個實驗,後人推算出了歷史上第一個萬有引力常數G值——6.67×10-11N·m2/kg2。

卡文迪許測出了常數值,但科學家們並不滿足。

在他們看來,萬有引力常數G是人類認識的第一個基本常數,而G值的測量精度卻是所有基本常數中最差的。

而G值的精度在天體物理、地球物理、計量學等領域有著重要意義。

例如,要想精確回答地球等天體有多重,就要依賴於G值;在自然單位制中,普朗克單位定義式的精度同樣受G值測量精度的限制。 

怎麼讓這個數值更精確,是卡文迪許之後的科學家們努力的方向。利用現代技術完善扭秤實驗,則是他們提升測量精度的辦法。 

就在牛頓萬有引力定律提出後的300年,中國科學家羅俊及其團隊加入了這支尋找引力常數的隊伍,此後他們幾乎每十年會更新一次引力常數的測量精度。 

上世紀八十年代,華中科技大學羅俊團隊開始用扭秤技術精確測量G值。

十年後的1999年,他們得到了第一個G值,並被國際科學技術數據委員會(CODATA)錄用。 

又十年後,2009年,他們發表了新的結果,成為當時採用扭秤周期法得到的最高精度的G值,並且又一次被CODATA收錄。 

如今,經過又一個十年的沉澱,羅俊團隊再次更新了G值。

「30多年的時間裡,我們不斷地對完全自製的扭秤系統進行改良和優化設計。」羅俊告訴《中國科學報》記者。 

在精密測量領域,細節決定成敗。光是為了得到一個實驗球體,團隊成員就手工研磨了近半年時間,最後讓這個球的圓度好於0.3微米。

不僅如此,論文通訊作者之一、華中科技大學引力中心教授楊山清告訴記者,實現相關裝置設計及諸多技術細節均需團隊成員自己摸索、自主研製,在此過程中,他們研發出一批高精端儀器設備,其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質勘探等方面發揮重要作用。 

《自然》雜誌發表評論文章稱,這項實驗可謂「精確測量領域卓越工藝的典範」。 

為了增加測量結果的可靠性,實驗團隊同時使用了兩種獨立方法——扭秤周期法、扭秤角加速度反饋法,測出了兩個不同的G值,相對差別約為0.0045%。

 

《自然》雜誌評論稱,通過兩種方法測出的G值的相對誤差達到了迄今最小。

目前,全世界很多實驗小組都在測量G值,國際科技數據委員會2014年最新收錄的14個G值中,最大值和最小值的相對差別約在0.05%。

儘管數值的差距在縮小,但真值仍是未知。

「不同小組使用相同或者不同的方法測量的G值在誤差範圍內不吻合,學界對於這種現象還沒有確切的結論。」羅俊說。 

科學家推測,之所以測出不同的結果,一種概率較大的可能是,實驗中可能存在尚未發現或未被正確評估的系統誤差,導致測量結果出現較大的偏離,另一種概率較低但不能排除的可能是,存在某種新物理機制導致了目前G值的分布。 

羅俊告訴記者,要解決目前G值測量的問題,需要進一步研究國際上測G實驗中各種可能的影響因素,也需要國際各個小組的共同努力和合作。 

「只有當各個小組實驗精度提高,趨向給出相同G值的時候,人類才能給出一個萬有引力常數G的明確的真值。」羅俊說。

論文相關信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0431-5

《中國科學報》 (2018-08-30 第1版 要聞,原題《為了解開牛頓留下的謎題 中國科學家測出國際最精確的萬有引力常數》)


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