原标题:百万分之11.6!中国科学家历时30年在山洞中测出最为精准的万有引力常量

原标题:他们花了30年测得万有引力常数G国际最高精度

说到万有引力,你可能会觉得是一种十分强的力,因为地球和太阳之间的万有引力拉住了地球没有飞出太阳系。但其实,引力作用十分微弱。比如说,地球的引力还不足以抵消你家里冰箱贴受到的电磁力。引力作用如此微弱,再加上引力无法被屏蔽,因此万有引力常数十分难以精确测量。

万有引力定律大家都不陌生

最近,中国的华中科技大学和中山大学的研究团队合作,对万有引力常量作出了目前为止最精确的测量。此次测量万有引力常数的精确度达到约百万分之
11.6,刷新了实验测量万有引力常数的精确度纪录。

但G值测量精度是目前所有基本常数中最差的

这项历时**30 年**的研究在 8 月 30
日发表在《自然》(Nature)杂志上。
此篇论文也是中国精确测量万有引力常数研究领域在《自然》上发表的首篇论文

他们用了30年

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测得目前国际上最高精度的G值

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《自然》杂志刊登中国学者对万有引力常数测量成果(来源:Nature
官网截图)

将精确度提高到小数点后第四位!

从上世纪 80
年代就已开始,罗俊院士团队就采用扭秤技术精确测量,历经 10 多年的努力,在
1999 年得到了第一个 G
值,被随后历届的国际科学技术数据委员会(CODATA)录用。2009
年,团队又发表了新的测量结果,相对精度达到 26
ppm(百万分之一),是当时采用扭秤周期法得到的最高精度的 G
值,也被随后的历届 CODATA 所收录命名为
HUST-09。如今,罗俊团队给出了目前国际上最高精度的 G 值,相对不确定度优于
12 ppm,实现了对国际顶尖水平的赶超。

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研究的通讯作者、华中科技大学杨山清教授对 DT 君表示:“获得更高精度的 G
值对很多领域如天体物理、地球物理、计量学等都具有重要意义”。

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超】

杨教授介绍道,目前各种天体(如地球)的质量测量精度就受限于
G 值的测量精度,知道
G 值精度越高,就可以得到更高精度的地球质量或其它天体的质量,这毫无疑问会对物理学的发展大有裨益;另外,一些其他物理常数如普朗克时间和普朗克长度等的精度同样受到G值测量精度的限制,而普朗克时间和普朗克长度对于天体物理和粒子物理领域均非常重要。最后,高精度的 G 值也会帮助我们弄清关于 G 可能随时间变化以及 G 是否是常数等相关的理论问题。

8月30日《自然》杂志刊发了中国科学院院士、中山大学校长罗俊团队最新测G结果,该团队历经30年艰辛,测出了截至目前国际上最高精度的G值。《自然》杂志发表评论文章称,这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。

“目前国际上各个小组测得 G 值吻合程度仅到
0.05%,G 值测量精度远远低于其它常数的精度。这种现状就意味着其中还存在没有弄清楚的科学问题。好奇心驱使我们去研究为什么会出现这种情况”,他说。

南都专访论文共同第一作者、参与实验的
中山大学天琴中心特聘副研究员薛超、刘祺。薛超通俗解释道,“所谓最高精度的G值,即相当于精确度提高到了G值的小数点后第四位,以前只精确到第三位。”

最早发现却最不精确的万有引力常数

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万有引力常数是一个包含在对有质量的物体间的万有引力的计算中的实验物理常数。它出现在牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论中。万有引力常数是物理常数中最难测量的常数之一。尽管全世界的科学家数百年来不断努力,但其最精确的测量也存在很大误差。

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超(右)、刘祺(左)】

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G值的测量精度是目前所有基本常数中最差的

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精确测量引力常数有助于天体质量的测定(来源:维基百科)

南都:引力常数G通俗解释一下?目前的精度如何?G在万有引力定律、乃至整个物理学领域中,占据怎样的作用?

万有引力定律是艾萨克·牛顿在 1687
年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿普适的万有引力定律表示如下:任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。

中山大学天琴中心特聘副研究员薛超:万有引力定律认为,大到宇宙天体,小到看不见的粒子,任何物体之间都具有相互吸引力,这个力的大小与各个物体的质量成正比例,与它们之间距离的平方成反比。

但是,牛顿在推出万有引力定律时,没能算出引力常量
G 的具体值。在 100 多年后,G
的数值首次于 1789 年由卡文迪许利用他所设计的扭秤实验得出
。该实验不仅以实践证明了万有引力定律,同时也让此定律有了更广泛的使用价值。卡文迪许测出的引力常量为
6.74×10-11 m3/(kg·s2),与 2014
年科学技术数据委员会推荐的万有引力常数值相差小于
1%
。然而这样的精确度仍会在计算大质量物体中带来无法忽略的误差。因此,从卡文迪许以后,G
值经历了多次测量和修正。

要计算物体间的万有引力,则需知道引力常数G的大小,但令人遗憾的是截止目前,我们并不知道G的精确值是多少。例如,要想精确回答地球等天体有多重,就要依赖于G值的测量精度。

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万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数,但是G值的测量精度是目前所有基本常数中最差的,以往国际上不同实验小组的G值测量的相对精度虽然接近10-5,相互之间的吻合程度仅达到10-4的水平,因为精度问题很多与之相关的基础科学难题至今无法解决。

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卡文迪许扭秤实验示意图(来源:维基百科)

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到了 1942
年,Heyl提出采用扭秤周期法测量。周期法最大优点是将对弱力的测量(万有引力是自然界四种基本作用力中最微弱的)转化为对时间的测量。由于对时间的精确测量比较容易实现,因此
Heyl 给出的 G
值具有较高的精度。这以后,科学家们设计了许多方法,不断改进,减少实验过程中的外界干扰,包括温度、地面震动、大气压强波动、电磁场等,力求测量出最精确的
G 值。

【历届CODATA推荐的G值】

根据过去 40 年的测量结果,目前普遍接受的G值为 6.67408×10-11
m3/(kg·s2)。这个数字有着 0.0047% 的不确定度,这样的误差是其他基本常数的数千倍,如电子电荷和光速。0.0047%
看似很小了,却限制了研究人员确定天体的质量以及计算其他基于 G
的参数的值。

《自然》称这项实验可谓

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“精确测量领域卓越工艺的典范”

图 | 国际科技数据委员会(CODATA)收录的测
G 实验结果和 2002、2006 年的推荐值,ppm
指百万分之一,表示精确度。(来源:《中国科学》杂志)

南都:如何定义这里的最高精度?团队通过怎样的过程和努力测出最高精度?

最近,华中科技大学物理学院引力中心的罗俊院士团队在《自然》杂志上刊发了论文《Measurements
of the gravitational constant using two independent
methods》(通过两种独立方法对万有引力常数的测量)。文中,罗俊院士团队通过两个实验估计了引力常量
G,刷新了原来的精确度,**
其不确定度仅为 0.00116%(即 11.6
ppm)。此前,G 值最小的不确定度为
0.00137%(13.7ppm)**。两个实验的测量结果略有不同,分别为
6.674184×10-11 和 6.674484×10-11m3/(kg·s2)。

薛超:我们使用了两种独立的方法进行测G,两个方法测量出的两个G值不确定度均好于0.0012%,两者相差约0.004%。国际科技数据委员会(CODATA)2014年收录的14个G值中,当时的最高精度为0.0014%,最大最小值相差约0.05%。在2014年收录的14个G值中,罗俊院士团队是国内唯一团队。

两种方法锁定这项世界纪录

G值测量的基本原理在物理学上早已十分明确,这个实验的挑战在于测量过程异常繁琐、复杂,需要将各种干扰因素控制在相应的精度范围内。

该团队分别使用扭秤周期法(TOS)和扭秤角加速度反馈法(AAF)两种扭摆仪器测量
G
值。每个装置都有一个带金属涂层的二氧化硅板,由细线悬挂并被金属壳包围。硅板和球体之间的引力吸引力使得板朝向球体旋转。

罗俊院士团队的测G历史可以追溯到上世纪八十年代,一直致力于采用自主研制的扭秤技术精确测量万有引力常数G,30多年的时间里不断对扭秤系统进行改良和优化设计,对其各方面的特性进行了非常全面的研究。

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我们现在使用的两种测G方法均基于扭秤这一经典弱力测量工具,通过不断改进减小实验中各项误差的影响,最终得到了目前的实验设计方案。

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扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法测万有引力常数装置示意图(来源:华中科技大学/Nature)

《自然》杂志发表评论文章称,这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。

在扭秤周期法中,摆为一个规格为 91×11×31 立方毫米重 68g
的镀铝石英块。摆通过细石英丝悬挂,石英丝直径 40-60 μm 长 900
毫米。磁阻尼器通过一个 50 mm 长,直径 80μm 的钨丝悬挂。2 个 SS316
不锈钢球作为质量源,其直径约 57.2 mm,真空质量 778
g。转盘可用于改变球的位置,使球处于近状态或远状态。中空的镀金铝桶安装在摆和球体中间,用于保护扭摆受到变化静电作用的影响。摆和质量源放在同一真空室内,气压为10-5
Pa。摆锤扭转由光学杠杆监控。研究人员通过监测球体处于近状态或远状态时,扭摆的扭转周期差异来给出
G 值。

追求精度,半年时间跟一个完美球体较劲

在扭秤角加速度反馈法中,摆为一个规格为 91×4×50 立方毫米真空质量 40 g
的镀金石英块。悬丝为一根 870 毫米长、直径 25
微米的钨丝。磁阻尼设计与扭秤周期法相同。直径约 127 毫米真空质量 8541g 的
4 个 SS316
不锈钢球用作质量源,分别置于超低热膨胀材料架的上下两层,质量源及其支撑架放置在一个机械转台上。摆锤悬挂在一个空气轴承转台下面,该转台与支撑质量源的转台单独同轴安装。摆锤的小偏转角由自准直仪记录。实验过程中,两个转台分别做变速运动,并相互跟踪保证悬丝不扭转,实验人员可通过测量悬挂扭摆的转台角加速度来给出
G 值。

球体的凹凸差比1根头发丝还细250多倍

两个新的引力常数测量值(用红色箱线图表示,短线代表不确定性)接近或在目前可接受的
G 值范围内(灰色阴影部分)。新的估计值比过去 40 年的其他 G
值测定实验(青色圆点和更大的误差范围)更精确。

南都:在实验中,精度有怎样的要求?可否举例?

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薛超:拿我们实验中的吸引质量球体为例,球体形状要求接近完美球体,我们两种方法里面,其中一种方法扭秤周期法的球圆度要求好于0.3微米。比如我们筛选到一个很圆的球体,但要对球体凹凸不平的量有要求,当凹凸量相差5微米时还是不够,5微米相当于比头发丝还细了50多倍。为了追求球体的精度,我们只能自己想办法研磨。最终达到了球体的凹凸差仅为1微米。从5微米到1微米再到好于0.3微米,仅仅是制作这样一个球体,就需通过手工研磨近半年时间。

图 | G
值的测量结果(来源:ScienceNews.org)

另外,诸如球体密度的均匀性检验、球体间的举例的精确测量、扭丝的特性研究等类似问题,均需要仔细研究和评估,这些问题耗费了我们团队相当多的精力。

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