牛頓未解之謎 中國科學家測最精確萬有引力常數

來源：中國科學報

1687年，牛頓發現了萬有引力定律。

有人説這個發現得益於一顆砸到牛頓腦袋上的蘋果，也有人説這種説法純屬虛構，但無論如何，牛頓成功地讓世界各地的中學課本里多了一個描述萬有引力的公式：F=G（m₁m₂）/r²，其中G是萬有引力常數。

萬有引力定律認為，大到宇宙天體，小到看不見的粒子，任何物體之間都像蘋果和地球之間一樣，具有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質量成正比例，與它們之間距離的平方成反比。

定律雖好，要想派上實際用場，還得知道G的值。然而，這個值到底是多少，連牛頓本人都不清楚。

300多年來，不少科學家在努力測量G值並讓它更精確。

就在8月30日凌晨，《自然》雜誌發表了中國科學家測量萬有引力常數的研究，測出了截至目前最精確的G值。

卡文迪許的嘗試

G值不明確，萬有引力定律就算不上完美。

但是，地球上一般物體的質量太小，引力幾乎為零，而宇宙裏的天體又太大，難以評估其質量。

於是，在萬有引力定律提出後的100多年裏，G值一直是個未解之謎。

1798年，一位名叫卡文迪許的英國科學家，為了測量地球的密度，設計出一個巧妙的扭秤實驗。

他製作了一個輕便而結實的T形框架，並把這個框架倒掛在一根細絲上。如果在T形架的兩端施加兩個大小相等、方向相反的力，細絲就會扭轉一個角度。

根據T形架扭轉的角度，就能測出受力的大小。

接着，卡文迪許在T形架的兩端各固定一個小球，再在每個小球的附近各放一個大球。

為了測定微小的扭轉角度，他還在T形架上裝了一面小鏡子，用一束光射向鏡子，經鏡子反射後的光射向遠處的刻度尺，當鏡子與T形架一起發生一個很小的轉動時，刻度尺上的光斑會發生較大的移動。

這樣，萬有引力的微小作用效果就被放大了。

根據這個實驗，後人推算出了歷史上第一個萬有引力常數G值——6.67×10-11N·m2/kg2。

十年十年又十年

卡文迪許測出了常數值，但科學家們並不滿足。

在他們看來，萬有引力常數G是人類認識的第一個基本常數，而G值的測量精度卻是所有基本常數中最差的。

而G值的精度在天體物理、地球物理、計量學等領域有着重要意義。

例如，要想精確回答地球等天體有多重，就要依賴於G值；在自然單位制中，普朗克單位定義式的精度同樣受G值測量精度的限制。

怎麼讓這個數值更精確，是卡文迪許之後的科學家們努力的方向。利用現代技術完善扭秤實驗，則是他們提升測量精度的辦法。

就在牛頓萬有引力定律提出後的300年，中國科學家羅俊及其團隊加入了這支尋找引力常數的隊伍，此後他們幾乎每十年會更新一次引力常數的測量精度。

上世紀八十年代，華中科技大學羅俊團隊開始用扭秤技術精確測量G值。

十年後的1999年，他們得到了第一個G值，並被國際科學技術數據委員會（CODATA）錄用。

又十年後，2009年，他們發表了新的結果，成為當時採用扭秤週期法得到的最高精度的G值，並且又一次被CODATA收錄。

如今，經過又一個十年的沉澱，羅俊團隊再次更新了G值。

“30多年的時間裏，我們不斷地對完全自制的扭秤系統進行改良和優化設計。”羅俊告訴《中國科學報》記者。

在精密測量領域，細節決定成敗。光是為了得到一個實驗球體，團隊成員就手工研磨了近半年時間，最後讓這個球的圓度好於0.3微米。

不僅如此，論文通訊作者之一、華中科技大學引力中心教授楊山清告訴記者，實現相關裝置設計及諸多技術細節均需團隊成員自己摸索、自主研製，在此過程中，他們研發出一批高精端儀器設備，其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質勘探等方面發揮重要作用。

《自然》雜誌發表評論文章稱，這項實驗可謂“精確測量領域卓越工藝的典範”。

G的真值仍是未知

為了增加測量結果的可靠性，實驗團隊同時使用了兩種獨立方法——扭秤週期法、扭秤角加速度反饋法，測出了兩個不同的G值，相對差別約為0.0045%。

《自然》雜誌評論稱，通過兩種方法測出的G值的相對誤差達到了迄今最小。

目前，全世界很多實驗小組都在測量G值，國際科技數據委員會2014年最新收錄的14個G值中，最大值和最小值的相對差別約在0.05%。

儘管數值的差距在縮小，但真值仍是未知。

“不同小組使用相同或者不同的方法測量的G值在誤差範圍內不吻合，學界對於這種現象還沒有確切的結論。”羅俊説。

科學家推測，之所以測出不同的結果，一種概率較大的可能是，實驗中可能存在尚未發現或未被正確評估的系統誤差，導致測量結果出現較大的偏離，另一種概率較低但不能排除的可能是，存在某種新物理機制導致了目前G值的分佈。

羅俊告訴記者，要解決目前G值測量的問題，需要進一步研究國際上測G實驗中各種可能的影響因素，也需要國際各個小組的共同努力和合作。

“只有當各個小組實驗精度提高，趨向給出相同G值的時候，人類才能給出一個萬有引力常數G的明確的真值。”羅俊説。