NSR綜述：萬有引力常數G的精確測量

2020-09-28 知社學術圈

牛頓萬有引力定律的發現是17世紀自然科學最偉大的成果之一。在萬有引力定律（F=GmM/R2）中，描述引力作用強度的萬有引力常數G是一個普適常數，不受物體大小、形狀、組成成分等因素的影響，是一個與天體物理、地球物理和理論物理等密切相關的物理學基本常數。它的精確測量及相關研究在引力實驗乃至整個實驗物理學中均佔據著重要地位。

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最近，中山大學和華中科技大學的研究團隊（薛超、劉建平、黎卿、鄔俊飛、楊山清、劉祺、邵成剛、塗良成、胡忠坤以及羅俊）在《國家科學評論》（National Science Review, NSR）發表綜述文章，對G值測量的歷史、國際科技數據委員會在2014年（CODATA-2014）推薦收錄的2000年之後的G值測量結果，以及該研究團隊在2018年發表的由兩種獨立方法測量出的G值結果進行了較為全面的綜述。



G 值測量的歷史


1798年，英國物理學家卡文迪許（Cavendish）採用扭秤，測量實驗室中兩個物體之間的萬有引力，並首次較為精確地計算出了地球的密度，後人由此實驗推導出對應的G值為6.67(7)×10-11m3kg-1s-2，相對精度1%。

隨後，引力實驗研究進入了一個新的階段。兩個世紀以來，各國科學家利用不同的方法，共測量出了兩百多個G值，但測量精度僅提高約兩個量級，且各個實驗小組給出的G值在誤差範圍內也並不吻合。

事實上，雖然引力常數G是最早被認識的基本物理常數，但截至今日，其測量精度仍然是所有物理常數中最差的。根據國際科技數據委員會2014年的推薦值CODATA-2014，G值的相對精度僅約為0.005%，比其它基本物理常數差了至少兩個數量級。


CODATA-2014及作者團隊測量結果


在CODATA-2014收錄的14個G值中，有11個高精度測量結果是在2000年之後公布的。對於這11個測量結果，作者分別對其測量原理、測量結果以及所採用方法的優缺點進行了詳細的描述與分析。

CODATA-2014收錄的2000年之後的11個G值測量結果，以及作者研究團隊在2018年發表的由兩種獨立方法給出的G值測量結果

同時，文章還較為全面地描述了作者所在的研究團隊，歷時30多年研究、陸續公布的4個高精度G值測量結果（各實驗裝置如下圖所示）。其中，2018年公布的結果利用兩種相互獨立的實驗方法，給出了目前國際上最高精度的G值，相對精度優於0.0012%，且相互之間吻合程度達到0.0045%。對這兩種由不同方法測得的G值進行比對，可以為尋找可能存在的系統誤差、檢驗G值是否與實驗方法相關等科學問題研究提供實驗參考。

作者研究團隊使用的四套實驗裝置示意圖


分析與討論


最後，針對當前國際上各高精度G值測量結果不吻合的情況，作者分析了兩點可能的原因：一是還存在著尚未被正確評估的系統誤差；另一個是可能存在未知的物理機制。

對於未來的發展方向，主要目標依然是減小各測量結果間的離散程度，因此各國實驗小組不但需要再次確認各自的實驗結果，同時應加強國際合作交流，共同尋找不同方法之間存在的差異。

文末，作者呼籲越來越多的學者參與到G值測量中來，期望在不遠的將來解決「測G困難」的難題，並發展其它的精確測量G值的新方法。

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa165/5874900

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