團(tuán)隊成員薛超及同事在研磨球體 華中科技大學(xué)供圖
來源:中國科學(xué)報
1687年,牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。
有人說這個發(fā)現(xiàn)得益于一顆砸到牛頓腦袋上的蘋果,也有人說這種說法純屬虛構(gòu),但無論如何,牛頓成功地讓世界各地的中學(xué)課本里多了一個描述萬有引力的公式:F=G(m?m?)/r²,其中G是萬有引力常數(shù)。
萬有引力定律認(rèn)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(zhì)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(xué)家在努力測量G值并讓它更精確。
就在8月30日凌晨,《自然》雜志發(fā)表了中國科學(xué)家測量萬有引力常數(shù)的研究,測出了截至目前最精確的G值。
卡文迪許的嘗試
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(zhì)量太小,引力幾乎為零,而宇宙里的天體又太大,難以評估其質(zhì)量。
于是,在萬有引力定律提出后的100多年里,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(xué)家,為了測量地球的密度,設(shè)計出一個巧妙的扭秤實驗。
他制作了一個輕便而結(jié)實的T形框架,并把這個框架倒掛在一根細(xì)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(xì)絲就會扭轉(zhuǎn)一個角度。
根據(jù)T形架扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)鏡子反射后的光射向遠(yuǎn)處的刻度尺,當(dāng)鏡子與T形架一起發(fā)生一個很小的轉(zhuǎn)動時,刻度尺上的光斑會發(fā)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(jù)這個實驗,后人推算出了歷史上第一個萬有引力常數(shù)G值——6.67×10-11N·m2/kg2。
十年十年又十年
卡文迪許測出了常數(shù)值,但科學(xué)家們并不滿足。
在他們看來,萬有引力常數(shù)G是人類認(rèn)識的第一個基本常數(shù),而G值的測量精度卻是所有基本常數(shù)中最差的。
而G值的精度在天體物理、地球物理、計量學(xué)等領(lǐng)域有著重要意義。
例如,要想精確回答地球等天體有多重,就要依賴于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。
怎么讓這個數(shù)值更精確,是卡文迪許之后的科學(xué)家們努力的方向。利用現(xiàn)代技術(shù)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后的300年,中國科學(xué)家羅俊及其團(tuán)隊加入了這支尋找引力常數(shù)的隊伍,此后他們幾乎每十年會更新一次引力常數(shù)的測量精度。
上世紀(jì)八十年代,華中科技大學(xué)羅俊團(tuán)隊開始用扭秤技術(shù)精確測量G值。
十年后的1999年,他們得到了第一個G值,并被國際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(CODATA)錄用。
又十年后,2009年,他們發(fā)表了新的結(jié)果,成為當(dāng)時采用扭秤周期法得到的最高精度的G值,并且又一次被CODATA收錄。
如今,經(jīng)過又一個十年的沉淀,羅俊團(tuán)隊再次更新了G值。
“30多年的時間里,我們不斷地對完全自制的扭秤系統(tǒng)進(jìn)行改良和優(yōu)化設(shè)計。”羅俊告訴《中國科學(xué)報》記者。
在精密測量領(lǐng)域,細(xì)節(jié)決定成敗。光是為了得到一個實驗球體,團(tuán)隊成員就手工研磨了近半年時間,最后讓這個球的圓度好于0.3微米。
不僅如此,論文通訊作者之一、華中科技大學(xué)引力中心教授楊山清告訴記者,實現(xiàn)相關(guān)裝置設(shè)計及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均需團(tuán)隊成員自己摸索、自主研制,在此過程中,他們研發(fā)出一批高精端儀器設(shè)備,其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用。
《自然》雜志發(fā)表評論文章稱,這項實驗可謂“精確測量領(lǐng)域卓越工藝的典范”。
G的真值仍是未知
為了增加測量結(jié)果的可靠性,實驗團(tuán)隊同時使用了兩種獨(dú)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》雜志評論稱,通過兩種方法測出的G值的相對誤差達(dá)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(shù)據(jù)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%。
盡管數(shù)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值在誤差范圍內(nèi)不吻合,學(xué)界對于這種現(xiàn)象還沒有確切的結(jié)論。”羅俊說。
科學(xué)家推測,之所以測出不同的結(jié)果,一種概率較大的可能是,實驗中可能存在尚未發(fā)現(xiàn)或未被正確評估的系統(tǒng)誤差,導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)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(jī)制導(dǎo)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(jìn)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(dāng)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(shù)G的明確的真值。”羅俊說。