中國科學家花了30年測出牛頓引力G值,實驗被刊登上《自然》雜誌

2020-12-06 科學小哨

近日,國際權威科學雜誌《自然》刊登了一篇來自中國科學家的試驗,報告指出中科院院士羅俊團隊花了30年,用試驗測出了目前世界上最高精度的萬有引力常數值,即G值。

萬有引力定律(law of universal gravitation)物體間相互作用的一條定律,1687年為牛頓所發現。任何物體之間都有相互吸引力,這個力的大小與各個物體的質量成正比例,而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1、m2表示兩個物體的質量,r表示它們間的距離,則物體間相互吸引力為F=(Gm1m2)/r2,G稱為萬有引力常數。從這個公式可以看出,由於距離的限制,想精確測量G的值很難。

為了確保結果的精確性,羅俊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 11.6 ppm(之前使用 AAF 方法獲得的 G 的不確定性最低記錄為 13.7 ppm)。從上世紀 80 年代就已開始,羅俊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。

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 12 ppm,實現了對國際頂尖水平的趕超。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:

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)。

華中科技大學引力中心楊山清教授感慨:「羅院士從上世紀 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。」

這個實驗不僅可以建議牛頓的萬有引力定律,對於計量學和空間引力探索實驗都有很高的指導意義,同時也為眾多學者樹立榜樣,多年堅持不懈、掌握理論付諸實踐的探索行為值得大家學習。

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