牛顿都没有算出的引力常数,中国科学家在山洞耗费30年,终于得到

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资讯发布 发表于 2020-11-22 05:49:09 | 显示全部楼层 |阅读模式

1687年,牛顿的万有引力定律在他的著作《自然哲学的数学原理》中被提出,牛顿万有引力定律指出了使苹果落地的力和维系行星沿椭圆轨道运动的力本质划一,而这种力在我们生活中无处不在,小到看不见的基本粒子,大到宇宙天体,这就是“万有引力”。


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只管牛顿发现了万有引力定律,可是他一生都没有测算出引力常量G毕竟是多少。按说只要测出两个物体的质量,测出两个物体间距离,再测出物体间的引力,代入万有引力定律,就可以测出这个常量。但由于一样平常物体的质量太小了,它们间的引力无法测出,而天体的质量太大了,又无法测出质量。


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在牛顿之后,另外一位怪咖科学家卡文迪许想要测量地球的重量,可是这必须要知道引力常量才能盘算。

这就是物理史上经典的卡文迪许扭秤实验,他用两个大铅球使它们靠近两个小球。从悬挂小球的金属丝的扭转角度,测出这些球之间的相互引力。根据万有引力定律,可求出常数G。根据卡文迪许的多次实验,测算出地球的均匀密度是水密度的5.481倍(21世纪数值为5.517,偏差为0.65253%左右)。


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后人也依据他的实验结果整理出了G=3*g/4πRp,并确定了万有引力常数6.754×10^ -11N·m²/kg²。

然而这并不是最为准确的万有引力数值,由于万有引力常数(G)是一个与理论物理、天体物理、地球物理、计量学等均密切相干的基本物理学常数。

它的准确测量对于检验牛顿万有引力定律和研究引力相互作用性子等基本问题具有紧张意义。

而在今世物理学体系中,物理学家在统一四种基本相互作用(强、弱、电磁、引力)的过程中,提出了许多新的引力理论。如一些理论预言:G值不是常量,大概随空间或时间而变化;牛顿反平方定律在近距离下破缺等。


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而作为人类熟悉的第一个基本常数,万有引力常数的测量精度是目前全部基本常数中最差的,以往国际上差别实验小组的G值测量的精度在10-5,相互之间的吻合程度仅到达10-4的水平,由于精度问题许多与之相干的基础科学困难至今无法解决

G值精度的进步有助于辨别理论模子的正确与否和推进引力理论的发展,让人们更深刻地熟悉引力的本质。

2018年8月30日,国际顶级学术期刊《Nature》以长文情势在线刊发了我院引力中央罗俊院士团队最新研究希望:《Measurements of the gravitational constant using two independent methods》。该项研究成果为目前国际最高精度的万有引力常数测量值。


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罗俊得到的G值是6.674184×10 ^- 11N·m²/kg²和6.674484×10 ^- 11N·m²/kg²,相对标准不确定度分别为11.64和11.61 ppm(parts per million)。


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这个数值是罗俊在岩穴里耗费了整整30年时光才得来的,1983年10月,华中工学院(现华中科技大学)开始筹建引力实验中央。由于引力实验对恒温、隔振、电磁屏蔽等要求极高,所以终极建造在了喻家山人防岩穴内。


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当时还是物理学家陈应天教授研究生的罗俊就全程参与了中央的筹建和研究工作,1986年开始,撤消用饭和睡觉,罗俊几乎都在岩穴中度过。长年不见太阳,加之岩穴里昏暗潮湿,罗俊头发掉了一泰半,索性剃了光头;1992年,罗俊左脸出现一片片的白色斑块,直到1996年才治好。


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1998年,罗俊取得了105ppm相对精度的测G结果。2009年,罗俊团队将G的测量精度进步到26ppm。这是国际上精度优于50ppm的七个结果之一,也是采用扭秤周期法测得的最高精度G值。而到了2018年,罗俊团队将G的测量精度进步到11ppm。喻家山人防岩穴也被外国专家称为“世界的引力中央”。


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罗俊耗费30年的时间测得的引力常数除了对世界物剃头展具有推动作用,为提升我国在基础物理学范畴的话语权、为物理学界确定高精度的引力常数G的推荐值做出实质性的贡献之外。

他在测量引力常数时使用了两种独立的方法——扭秤周期法和扭秤角加速率反馈法。以及自主研发了两种方法相干的装置筹划、高精端的仪器设备,此中许多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥紧张作用。如团队发展的精密扭秤技能已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面,这些仪器将为精密重力测量国家庞大科技基础设施以及空间引力波探测——“天琴筹划”的顺利实施奠定精良的基础。


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正如国外评价得那样:“G值的测量并非一劳永逸,它需要有科学家连续为它‘保鲜’,但是对它的测量又及其艰辛,而罗俊团队通过30年的积极,贡献了目宿世界上最为准确的G值,中国应该为拥有如许一个能够持之以恒并永远保有热情的团队而自满!”


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来源:https://www.toutiao.com/a6843345425232200195/
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