百万分之11,怎样将大课题融入到教学中
分类:科学技术

原标题:我国测得最精确万有引力常数!怎样将大课题融入到教学中?

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

8月30日,各新闻网站纷纷报道华中大罗俊院士团队用两种独立的方法测得最精确万有引力常数,并发表在Nature上。这个新闻对我们科技辅导员而言有什么意义呢?

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。

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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。

相信很多科技辅导员也看到了这个新闻,也许很多人只是简单地看了一眼。如果细心地话,你会发现这个新闻跟科技教育工作有很多可以结合的点,你能看出来吗?学堂君从上周我们聊到的智能设计案“用Arduino测量地球质量”谈起。跟你一起分析如何将科技前沿新闻融入到教学中。

这项历时*威尼斯国际平台app ,*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

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我们在“用Arduino测量地球质量”这个案例用到了牛顿的思路,但我们刻意回避了一个重要的问题:万有引力常数G值。牛顿测量地球质量实验失败的关键就在于他无法测量出万有引力常数G,他断言,只有在地球之外我们才能测得地球的质量。

图 | 《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)

然而,十八世纪的卡文迪许,首次用扭秤实验巧妙地测出万有引力常数G,卡文迪许的扭秤将微小的万有引力放大两次,达到可以测量的状态,被称为最优雅的实验。即使到现在,罗俊院士测量万有引力常数G的方法也是基于扭秤改进的。

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”。

我们能否用智能设计重现卡文迪许的扭秤实验呢?理论上讲是可以的。然而,万有引力常数的实验设计非常困难,但我们不妨可以将测量万有引力常数作为一个“Arduino测量地球质量”的知识引申。了解这个研究,我们能够看到前沿科学研究是怎样的,学生能够更加深入体会到科学精神。

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。

万有引力常数是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。在中学课本中万有引力常数G的数值是6.67×10E-11N·m²/kg²,这是一个非常小的数值,但它足够准确吗?

“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。

目前,科学数学技术委员会推荐的G值是6.67408×10E-11N·m²/kg²,相对精度为47ppm,也就是说这个数值有百万分之47的不确定性;而罗俊院士的最新研究用两种不同的方法(摆的周期法和角加速度反馈法)测得万有引力常数的数值分别为6.674184×10E−11和6.674484×10E-11,相对精度达到了11.64ppm和11.61ppm,又将这个重要的数值推进了一大步。

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。

摆动周期法的实验设备

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你可以在Nature上的阅读到这个研究的原文,也可以通过这篇文章了解这个成果的科学意义。这里学堂君不打算详细展开。对于科技辅导员而言,我们更关心的是为什么要精确测量万有引力常数,学生能学到什么呢?

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)

首先,万有引力常数测量是众多物理常数中最难测的一个,想一想我们在中学学到的物理常数:光速被确定为一个精确数值、阿伏伽德罗常数有9个有效数字,而万有引力却只有6位有效数字,数据的不确定性将成为了基础研究的短板。

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。

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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。

天琴计划的三颗卫星

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其次,万有引力常数的测量对于我国的基础科学研究有着重要的意义。例如,罗俊院士带头的引力波探测“天琴计划”就是一个很好的例子。引力波是目前一项重要的基础研究,去年,LIGO项目的三位科学家因引力波的研究获得了诺贝尔物理学家。“天琴计划”将会发射三颗卫星,将干涉仪放射到太空,如果计划成功实施,将大力推动基础研究的进展,而更精确的万有引力常数是这个计划的保障。

图 | 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。

罗俊院士在引力实验室的山洞中

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。

对于学生而言,万有引力常数的精确测量的实验更大的意义在于让我们感受科学家刻苦专研的精神。尽管引力常数G值的测量原理早已明确,但测量过程极其繁琐和复杂。由于引力实验对恒温、隔振、电磁屏蔽等要求极高,引力实验室建设在华中师大的一个山洞中。在最初的10多年,罗俊院士几乎每天都用10多个小时在山洞中做实验,而这个科学研究,竟经历了三十年。

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作为科技辅导员,我们需要了解科学的前沿,在教学活动中让学生学习科学的知识,感受科学的精神,这就是我们将科技前沿新闻融入到教学中的价值。返回搜狐,查看更多

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)

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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)。

两种方法锁定这项世界纪录

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。

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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)

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。

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。

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。

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图 | G 值的测量结果(来源:ScienceNews.org)

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