威尼斯国际平台app百万分之11,他们花了30年测得
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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。

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超(右)、刘祺(左)】

“罗俊教授带领大家在山洞实验室里面干了 30 多年,我作为罗老师比较年轻的学生,也干了 15 年了,我听师兄们描述过当时的一段历史:当时山洞条件比较艰苦,罗俊老师半边的脸上白化,得白癜风,后面头发斑秃,潮湿条件,空气也不好,大概每个月都要感冒发烧一次。”杨教授说。

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,举两个简单的例子:

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。

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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。

仪器及技术积累对“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础

对此,杨山清教授表示,“确实有学者提出过万有引力常数不是定值的理论或猜想,但目前还没有得到实验的检验。关于国际上 G 值不吻合的现状,主流的看法还是最可能来源于实验中隐藏着系统误差。虽然新物理机制也可能导致这种情况,但可能性较低。要确定 G 是否是一个变化的常数,还得极大地提高 G 值的测量精度。”

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?

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

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。

又经过整整十年的不懈努力,罗俊团队采用两种不同方法测G,给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm,达到国际领先水平。罗俊团队所在的引力中心在短短30多年里,从无到有,从有到强,逐步走向世界前沿,被国际同行称为“世界的引力中心”。

图 | 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)

南都:这一次,罗俊团队采用两种不同方法G(扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法),给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm,实现了对国际顶尖水平的赶超。这两种方法的独创性如何?“相对不确定度优于12 ppm”怎么通俗理解?

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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。

杨山清认为,“两种方法获得的万有引力常数仍有一些偏差,引力常数 G 的真值对于人类来说还是未知的,我们会朝着这个目标继续开展研究。进一步发掘国际上测 G 实验中的各种可能影响因素,另外为了实现这个目标也需要各个小组的共同努力和合作。只有当各个小组实验精度提高,趋向给出相同 G 值的时候,人类才能给出一个引力常数 G 的明确的真值。”

“精确测量领域卓越工艺的典范”

杨山清教授说,“从统计学上来看我们的两个结果仅在3倍标准差范围内吻合。对于这种偏差目前我们也还不能给出明确的解释,最有可能是这两种方法中仍然存在没有被发现的系统误差,需要进一步的深入研究。”

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超】

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但G值测量精度是目前所有基本常数中最差的

图 | 精确测量引力常数有助于天体质量的测定(来源:维基百科)

追求精度,半年时间跟一个完美球体较劲

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在随后的十年时间里,该团队对实验方案进行了一系列优化以及对各项误差进行更深入的研究,于2009年发表了新的结果,相对精度达到26ppm。该结果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。

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历时30年实现3大突破

参考:

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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。

《自然》称这项实验可谓

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。

罗俊团队引力中心成“世界的引力中心”

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)

薛超:这一成果将为提升我国在基础物理学领域的话语权、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贡献。

图 | G 值的测量结果(来源:ScienceNews.org)

万有引力定律大家都不陌生

这一新的 G 测量值并不是 G 值的最终结论。两种方法获得的 G 值有轻微偏差,同时也无法解释为什么如此精确的 G 值测量可以彼此之间存在这么大的差异。

薛超:测G是一项艰苦而又繁琐的工作,一个结果的得出往往需要几十年时间的摸索。正如论文的通讯作者之一杨山清教授所说:“从上世纪80年代罗俊院士开始进行万有引力常数G的精确测量实验研究至今,他已将其看作是毕生的事业,几十年如一日的在山洞实验室工作。不仅给我们提供了方向的指引,同时以身作则,对实验过程中的每个重要阶段他都主动带领团队成员一起分析、讨论并指导大家做实验。一批兼具理论与实践能力的优秀人才在此过程中得以成长。

其实,为测量 G 值而研发的仪器,如罗俊院士团队的高端精密仪器,其中很多已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。如团队研发的精密扭秤技术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以及空间引力波探测——“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础。新的测量对于宇宙研究、地球科学或任何以某种方式依赖引力的科学都很重要

球体的凹凸差比1根头发丝还细250多倍

打破记录的精确度是“一项了不起的成就”,英国伯明翰大学的物理学家 Clive Speake 评论道,“但 G 值真值仍然是一个谜。

薛超:罗俊团队采用两种不同方法测G,扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法,我和华中科技大学物理学院博士生邬俊飞一起主要负责扭秤角加速度反馈法的实验研究内容。

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: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。

1.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;

值得注意的是,由于引力实验对恒温、隔振、电磁屏蔽等要求极高,华中科技大学的引力实验中心的实验室建立在一个人防山洞中。

南都:罗俊团队从上世纪80年代已开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G,30多年来先后取得了哪些研究发现?在研究方法和技术上,这些年有怎样的突破和创新?

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

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。”

图 | 卡文迪许扭秤实验示意图(来源:维基百科)

实验相关装置设计及诸多技术细节均自主研制

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2、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。

“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。

意义2

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