歷時30年探索牛頓之謎,中國科學家測出迄今最精確萬有引力常數

2020-11-24 騰訊網

新智元報導

來源：Nature、科技日報

編輯：聞菲、大明、肖琴

【新智元導讀】北京時間8月30日凌晨，Nature刊發了中科院院士羅俊團隊歷經30年最新測定的萬有引力常數G值的結果，是迄今國際上最高精度的G值。實驗使用了兩種單獨的G值測量方法，相關裝置和細節均由團隊自主研製完成，Nature刊文評論稱，這項實驗可謂「精確測量領域卓越工藝的典範」。萬有引力常數G是最難測量的常數之一，確定G值對於檢驗萬有引力和深入研究引力相互作用有重大意義，團隊開發的技術和設備也已用於空間探索及引力波探測相關研究。

北京時間今天凌晨，Nature刊發了中科院院士羅俊團隊最新測量的萬有引力常數G值結果，這也是目前國際精度最高的G值，對於計量學和檢測萬有引力定律及一系列相關的空間引力探索都具有十分重大的意義。

萬有引力常數是一個實驗物理常數，用於計算兩個物體間的引力大小。 通常出現在牛頓萬有引力方程和愛因斯坦廣義相對論中。 一般用大寫G表示。

為了確保結果的精確性，羅俊院士團隊這次使用了兩種獨立的傳統引力測量方法，分別是扭秤周期法（TOS）和扭秤角加速度反饋法（AAF），並得到了兩個結果：6.674184×10-11和6.674484×10-11立方米/千克/秒，相對精度大約為11.6ppm。（之前使用AAF方法獲得的G的不確定性最低記錄為13.7ppm。）

從上世紀80年代就已開始，羅俊院士團隊就採用扭秤技術精確測量萬有引力常數G，歷經10多年的努力，在1999年得到了第一個G值，被隨後歷屆的國際科學技術數據委員會（CODATA）錄用。

2009年，團隊又發表了新的測量結果，相對精度達到26ppm，是當時採用扭秤周期法得到的最高精度的G值，也被隨後的歷屆CODATA所收錄命名為HUST-09。

如今，羅俊團隊再次一鳴驚人，給出了目前國際上最高精度的G值，相對不確定度優於12ppm，實現了對國際頂尖水平的趕超。

歷經30年，測量迄今國際上精度最高的萬有引力常數G值！

黎卿華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

薛超中山大學天琴引力物理研究中心，中山大學物理與天文學院

劉建平華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

鄔俊飛華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

楊山清華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

邵成剛華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

全立地湖州大學工程學院

譚文海華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

塗良成華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

劉 祺中山大學天琴引力物理研究中心，中山大學物理與天文學院

Hao Xu華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

劉林霞河南科技學院教學研究評估中心

王晴嵐湖北汽車工業大學理學院

胡忠坤華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

周澤兵華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

羅鵬順華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

吳書朝華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室

Vadim Milyukov莫斯科國立大學斯科斯特恩伯格天文研究所

羅俊華中科技大學物理學院, 基本物理量測量教育部重點實驗室, 引力與量子物理湖北省重點實驗室，中山大學天琴引力物理研究中心，中山大學物理與天文學院

使用兩種測量萬有引力常數裝置，技術及細節全部自主研製

Nature同時刊發了Stephan Schlamminger的評論文章，Schlamminger在美國馬裡蘭州蓋瑟斯堡的國家標準與技術研究所基礎電氣測量小組工作。文章指出，控制重力相互作用強度的引力常數G很難準確測量。這也說明了羅俊院士團隊以記錄精度測量重力是一項了不起的成就。

1687年，牛頓發現了萬有引力定律：兩個質點彼此之間相互吸引的作用力，是與它們的質量乘積成正比，並與它們之間的距離成平方反比。用公式表示如下：

F=G（m?m?）/r?，其中G是萬有引力常數

萬有引力是四種基本力中最弱的一種。在太空星球間測量，比如地球和月球，這個力可能相當大。但如果是在實驗室裡，萬有引力可能太小而無法準確測量。例如，兩個相隔1米的1千克物體之間的引力僅相當於一些生物細胞的重量。由於這個原因，對這一引力的強度進行量化的引力常數G是最難以確定的物理常數之一。

1798年，科學家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）首次在實驗室中使用一種稱為扭秤的裝置來確定引力常數G。在卡文迪什的實驗中，它由一個啞鈴組成，由細纖維懸掛在其中心。重力作用於啞鈴末端，方向垂直於啞鈴的杆和纖維的軸線。這種力導致啞鈴圍繞該軸旋轉，導致纖維發生扭曲。

卡文迪什實驗中使用的扭秤

最終，纖維的扭轉力平衡了重力。記錄啞鈴在該位置的旋轉角度。然後沿相反方向施加重力並測量第二旋轉角度。從這兩個角度之間的差計算出G的大小。

在扭轉平衡實驗中，重力由精確質量的外部組件提供。這些質量組件在兩個或更多個不同位置之間移動，以改變力的方向和大小。因為啞鈴在水平面上旋轉，所以地球引力對實驗的影響可以忽略不計。

多年來，科學家們已經開發了許多技術，利用扭轉平衡來測量引力常數G。在這次實驗中，羅俊院士團隊構建了兩個基於不同測量技術的薄板扭轉平衡秤：分別基於擺動時間方法（TOS，下圖左）和角加速度反饋方法（AAF）。

在TOS方法中，板的旋轉是振蕩的。當外部質量配置不同時，由振蕩速度的變化計算出G。而在AAF方法中，使用兩個轉盤分別旋轉扭轉平衡秤和外部質量。當光纖的扭曲減小到零時，G由與扭轉平衡秤相連的轉盤的角加速度來確定。

新智元嘗試著將論文的圖說翻譯如下：

在TOS方法中，擺錘是Al塗層的熔融石英塊，尺寸為91×11×31立方毫米，質量約為68g。擺錘由薄的熔融石英纖維懸掛，直徑為40-60μm，長度為900mm。磁阻尼器通過50毫米長、80微米直徑的鎢纖維懸掛。使用兩個平均直徑為57.2mm且真空、質量為778g的SS316不鏽鋼球作為源質量。

轉盤用於改變球體在「近」和「遠」方位間的位置（上圖顯示為「近」；在「遠」的擺放位置中，轉盤旋轉90°）。安裝在擺錘和球體之間的空心鍍金鋁圓柱體，用於保護系統免受靜電場的影響。擺錘和源質量塊放置在同一真空室內，通過離子泵維持約10的負5次方Pa的壓力，擺錘扭轉由光學槓桿監控。

在AAF方法中，擺錘是鍍金的熔融石英塊，尺寸為91×4×50立方毫米，真空質量為40g。主光纖由鎢纖維製成，長870毫米，直徑25微米。磁阻尼器的設計與TOS方法相同。四個平均直徑為127.0毫米、真空質量為8541克的SS316不鏽鋼球，用作位於具有上層和下層的ULE材料架上的源質量塊。擺錘的小偏轉角由自動準直儀記錄。帶有擺錘的腔室懸掛在一個空氣軸承轉盤下面，轉盤與下方放置源質量塊的轉盤同軸安裝。這套設備位於山洞實驗室的被動保溫室（passive thermal room）中。

根據《科技日報》報導，論文的通訊作者之一、團隊核心成員、華中科技大學引力中心楊山清教授感慨：「從上世紀80年代羅俊院士開始進行萬有引力常數G的精確測量實驗研究至今，他已將其看作是畢生的事業，幾十年如一日地在華中科技大學山洞實驗室工作。羅院士不僅給我們提供了方向的指引，同時以身作則，對實驗過程中的每個重要階段他都主動帶領團隊成員一起分析、討論並指導大家做實驗。一批兼具理論與實踐能力的優秀人才在此過程中得以成長。」

論文地址：

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