為什么萬(wàn)有引力常數(shù)是物理常數(shù)中最難測(cè)量的常數(shù)之一？這個(gè)被發(fā)現(xiàn)最早的常數(shù)，目前測(cè)量獲得的精度卻最低，背后的原因是什么？我們能測(cè)到引力常數(shù)的真值嗎？科技日?qǐng)?bào)記者帶著這些問(wèn)題再次采訪了研發(fā)團(tuán)隊(duì)的專家。

測(cè)量精度 每100年才提高一個(gè)數(shù)量級(jí)

1687年，牛頓在其著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中系統(tǒng)地介紹了萬(wàn)有引力定律。他指出使蘋果落地的力和維系行星沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)的力在本質(zhì)上是同一種力。牛頓將此結(jié)論加以推廣，認(rèn)為宇宙任何兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)都有相互吸引力，小到基本粒子大到宇宙天體，所以被稱為“萬(wàn)有引力”。

這次研究的通訊作者之一、華中科技大學(xué)引力中心的楊山清教授介紹，當(dāng)年牛頓只知道萬(wàn)有引力定律，卻不知道引力常數(shù)G值到底是多少。但常數(shù)G卻有著重要意義。沒(méi)有G，萬(wàn)有引力定律就不算完美，一些與之相關(guān)的天體物理學(xué)、地球物理學(xué)、計(jì)量學(xué)等研究的問(wèn)題就很難解決。

100多年之后，也就是1798年，英國(guó)科學(xué)家卡文迪許為了測(cè)量地球的密度，設(shè)計(jì)出一個(gè)扭秤實(shí)驗(yàn)，巧妙地測(cè)量出了萬(wàn)有引力的微小作用效果。后人通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，推算出了歷史上第一個(gè)G值。

但怎么讓這個(gè)數(shù)值更精確，是卡文迪許之后的科學(xué)家們努力的方向。其后200多年時(shí)間里，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在對(duì)G值的測(cè)量過(guò)程中付出了理想努力，但G值測(cè)量精度的提高卻異常緩慢。根據(jù)國(guó)際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）最新發(fā)布的萬(wàn)有引力常數(shù)G的推薦值，其相對(duì)不確定度僅為47ppm (1ppm：百萬(wàn)分之一），幾乎是每一個(gè)世紀(jì)才提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

楊山清說(shuō)，萬(wàn)有引力常數(shù)測(cè)量的困難，其一在于萬(wàn)有引力實(shí)際上非常微弱，我們最早對(duì)其的認(rèn)知都是通過(guò)天體這種大尺度上的相互作用得到的。顯然我們沒(méi)法把兩個(gè)行星抱進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，只能用兩個(gè)不銹鋼球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但在這個(gè)尺度上的萬(wàn)有引力就更加微弱，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)儀器的精度要求都非常嚴(yán)格。

此外，任何有質(zhì)量的物體都對(duì)其他物體有引力作用，并且引力用任何東西都沒(méi)法屏蔽掉，也就是說(shuō)，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室里擺放的器具還是實(shí)驗(yàn)人員自身，都會(huì)對(duì)萬(wàn)有引力的測(cè)量產(chǎn)生干擾，甚至是實(shí)驗(yàn)室外飛馳而過(guò)的汽車、天空中低壓云層、偶然路過(guò)的一只飛鳥(niǎo)，都可能會(huì)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)里留下它們的“痕跡”。

為了盡可能屏蔽外界干擾和保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在了山洞中。山洞這種天然的恒溫特性為G值測(cè)量工作提供了日溫度波動(dòng)小于0.01攝氏度的優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)有著厚重山體的屏蔽，外界的干擾也減小許多。

兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn) 自主研發(fā)多項(xiàng)技術(shù)成果

團(tuán)隊(duì)使用的兩種獨(dú)立方法分別是扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，都有一個(gè)必不可少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備——六個(gè)無(wú)磁性的、均勻密度的、直徑57毫米或127毫米的不銹鋼球。

說(shuō)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，做起來(lái)卻是艱難無(wú)比。做一個(gè)球差不多要耗費(fèi)大半年的時(shí)間，六個(gè)球要耗費(fèi)2—3年甚至更久。因?yàn)檎綄?shí)驗(yàn)時(shí)用的鋼球做工要求非常精細(xì)，圓度誤差分別不能超過(guò)0.3微米（直徑57毫米的球）和1微米（直徑127毫米的球），約一根頭發(fā)絲直徑的六十分之一。團(tuán)隊(duì)成員磨一下，就測(cè)一次。除了不銹鋼小球，還有扭絲特性研究、球和球之間距離精準(zhǔn)測(cè)量等種種難關(guān)。

華中科技大學(xué)引力中心主任、團(tuán)隊(duì)核心成員涂良成教授介紹，實(shí)際上，G值的測(cè)量原理在學(xué)界早已明晰，但測(cè)量過(guò)程異常繁瑣復(fù)雜，在一種測(cè)量方法中，往往包含近百項(xiàng)的誤差需要評(píng)估。為了增加測(cè)量結(jié)果的可靠性，與兩種方法相關(guān)的裝置設(shè)計(jì)及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均由團(tuán)隊(duì)成員自己摸索、自主研制完成。

“我們雖然還不能知道最精確的G值，但我們?cè)诖诉^(guò)程中自主研發(fā)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成功通過(guò)衛(wèi)星飛行試驗(yàn)，其中精密扭秤技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在衛(wèi)星微推進(jìn)器的微推力標(biāo)定、空間慣性傳感器的地面標(biāo)定等方面，這些儀器將為精密重力測(cè)量國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施以及空間引力波探測(cè)——‘天琴計(jì)劃’的順利實(shí)施奠定良好的基礎(chǔ)?！蓖苛汲烧f(shuō)，在獲得更高精度的G值路途中，會(huì)結(jié)出一串串的豐碩成果。

此外，其他研究團(tuán)隊(duì)可以用這次測(cè)量的新值與之前的測(cè)量值放在一起估計(jì)G值，對(duì)解答為什么對(duì)引力常數(shù)的測(cè)量如此困難或有啟發(fā)。G值的測(cè)量只有更精確，沒(méi)有最精確，所以此次測(cè)量不會(huì)是最后的結(jié)果?？茖W(xué)家們將繼續(xù)重復(fù)實(shí)施已有的，或設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方法，不斷提高測(cè)量精度，不斷向這一關(guān)鍵基本常數(shù)的真值靠近。（記者 劉志偉 通 訊 員 王瀟瀟 高 翔）

來(lái)源：人民網(wǎng)