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200年来,科学家最接近万有引力常数G的一次

  来源:Nature自然科研

  控制引力相互作用强度的万有引力常数G很难准确测量。现在,一支研究团队采用两种独立方法测出了截至目前常数G的最精确值。

  虽然引力在我们的日常生活中似乎很强,例如在举起重物时,但是它是四种基本力中最弱的一种。两个物体之间的引力与它们的质量成正比。如果其中一个物体是地球,引力则可能相当大。但如果是实验室中的物体,引力则可能太小而无法准确测量。例如,两个相隔1米的1千克物体之间的引力相当于少量生物细胞的重量。

  因此,万有引力常数G是测量精度最差的物理常数之一。现在,华中科技大学物理学院引力中心团队的杨山清教授,邵成刚教授和罗俊院士为通讯作者,物理学院博士后黎卿,中山大学天琴中心副研究员薛超及物理学院博士生刘建平,邬俊飞为共同第一作者的研究团队使用两种独立方法精确测量了G值,相关结果发表在了《自然》期刊上(DOI:10.1038/s41586-018-0431-5)。

研究的实验设置。

研究的实验设置。

  来源:Liet al

  1798年,科学家卡文迪许使用扭秤在实验室中第一次确定了G值。该扭秤由一个哑铃组成,哑铃中间系了一条细丝。引力作用于哑铃末端,方向垂直于哑铃的杆和细丝的轴线。该力导致哑铃围绕该轴旋转,导致细丝发生扭曲。

  最终,哑铃达到细丝的扭转力与引力平衡的位置。哑铃在该位置的旋转角度被记录下来。接着,沿相反方向施加引力并第二次测量旋转角度。利用这两个角度之间的差异可以计算出引力的大小。

  在扭秤实验中,引力由特定的外部质量源提供。这些质量源在两个或两个以上不同位置之间移动以改变力的方向和大小。因为哑铃在水平面上旋转,所以原本会对实验产生重大影响的地球引力可以忽略不计。

  多年来,人们研发出了许多技术以通过扭秤来测量G值。2000年,通过用一块薄板(也称为板摆)代替哑铃,实验精度得到了显著提升。

  研究团队依据不同的测量技术——扭秤周期法(TOS)和扭秤角加速度反馈法(AAF),构建了两个含板扭秤。在TOS方法中,板的旋转是振荡的。通过计算外部质量源处于两种不同配置时的振荡速度变化,计算G值。在AAF方法中,研究人员使用两个转盘分别旋转扭秤和外部质量源。当细丝的扭曲量减小到零时,G由与扭秤相关联的转盘的角加速度来确定。


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