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万有引力常数的精确测量

CODATA-2014收录的2000年之后的11个G值测量结果以及研究团队在2018年发表的两种独立方法给出的G值测量结果

CODATA-2014收录的2000年之后的11个G值测量结果以及研究团队在2018年发表的两种独立方法给出的G值测量结果

作者所在的研究团队使用的四套实验装置示意图

作者所在的研究团队使用的四套实验装置示意图

(神秘的地球uux.cn报道)据EurekAlert!:牛顿万有引力定律的发现是17世纪自然科学最伟大的成果之一。在万有引力定律中,描述引力作用强度的万有引力常数G是一个普适常数,不受物体的大小、形状、组成成分等因素的影响,是一个与天体物理、地球物理和理论物理等密切相关的物理学基本常数。它的精确测量及相关研究在引力实验乃至整个实验物理学中均占据着重要地位。

最近,中山大学和华中科技大学的研究团队(薛超、刘建平、黎卿、邬俊飞、杨山清、刘祺、邵成刚、涂良成、胡忠坤以及罗俊)在《国家科学评论》(National Science Review,简称NSR)发表综述,对G值测量的历史、国际科技数据委员会在2014年(CODATA-2014)推荐收录的2000年之后的G值测量结果以及该研究团队在2018年发表的两种独立方法测量出的G值结果(如图所示)进行了较为全面的综述。

文章指出,虽然引力常数G是最早被认识的基本物理常数,但截至今日,其测量精度仍然是所有物理常数中最差的。根据国际科技数据委员会2014年的推荐值CODATA-2014,G值的相对精度仅约为0.005%,比其它基本物理常数差了至少两个数量级。

1798年,英国物理学家Cavendish采用扭秤测量实验室内两个物体之间的万有引力,并以此首次比较精确地计算出了地球的密度,后人由此实验推导出对应的G值为6.67(7)×10-11m3kg-1s-2,相对精度1%。随后引力实验研究进入了一个新的阶段。两个世纪以来,各国科学家利用不同的方法,共测量出了两百多个G值,但测量精度仅提高约两个量级,且各个实验小组给出的G值在误差范围内也并不吻合。

在CODATA-2014收录的14个G值中,有11个高精度测量结果是在2000年之后公布的,本文作者分别对2000年之后公布的G值的测量原理、测量结果以及所采用方法的优缺点进行了详细的描述与分析。同时,较为全面地描述了作者所在的研究团队,历时30多年研究、陆续公布的四个高精度G值测量结果(各实验装置如图所示)。其中,2018年公布的结果,利用两种相互独立的实验方法,给出了目前国际上最高精度的G值,相对精度优于0.0012%,且相互之间吻合程度达到0.0045%。通过比对两种不同方法测得的G值,为寻找可能存在的系统误差和检验G值是否与实验方法相关等科学问题研究提供了实验参考。

最后,针对当前国际上各高精度G值测量结果不吻合的情况,作者分析了两点可能的原因:一是还存在着尚未被正确评估的系统误差;另一个是可能存在未知的物理机制。对于未来的发展方向,主要目标依然是减小各测量结果间的离散程度,因此各国实验小组不但需要再次确认各自的实验结果,同时应加强国际合作交流,共同寻找不同方法之间存在的差异。文末,作者呼吁越来越多的学者参与到G值测量中来,期望在不远的将来解决“测G困难”的难题,并发展其它的精确测量G值的新方法。

文章信息:Precision Measurement of the Newtonian Gravitational Constant

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa165




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