引力常量，中国科学家测得迄今最精确万有引力常数（引力常量是谁测出的）

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• 1、引力常量（引力常量的物理意义）
• 2、为解牛顿未解之谜 中国科学家测得迄今最精确万有引力常数

1、引力常量（引力常量的物理意义）

根据传说，伽利略在比萨斜塔上做的第一个实验表明，不论质量如何，所有物体会以相同的速度下落。在没有(或忽略)空气阻力的情况下，任何两个物体在引力场中下落，都会以相同的速度加速到地面。这后来被编成了一条准则，作为牛顿对引力问题研究的一部分。

当我们第一次开始制定物理定律时，我们凭借以往的经验并通过严谨的实验，就像伽利略可能做过的比萨斜塔实验一样，把球从塔上扔下去，我们可以测量球落下的距离和落地的时间。释放一个钟摆，我们可以找到钟摆的长度和摆动时间之间的关系。这时我们就会发现在一定距离、长度和时间上会存在一种关系:坠落物体的距离与时间的平方成正比；钟摆的周期与钟摆长度的平方成正比。

但是要把这些关系写成完美的数学公式，我就需要十分精确的测量出一个常量。

太阳系内部的行星轨道并不完全是圆形的，其中以水星和火星的轨道偏离和椭圆度最大。在19世纪中期，科学家们开始注意到水星的运动偏离了牛顿引力的预测，这一微小的偏离只有在20世纪才被广义相对论所解释。同样的万有引力定律和常数，描述了从地球到宇宙的所有尺度上的引力效应。

在这些例子中，月亮围绕地球转，行星围绕太阳转，光线因引力透镜而弯曲，彗星从太阳系中逃逸时会损失能量，所有这些都与引力常数G相关。在16世纪40年代和50年代，牛顿出现之前，意大利科学家弗朗切斯科·马尔迪和乔瓦尼·里奇奥利就首次计算了引力常数，这意味着G是有史以来第一个基本常数，甚至在奥勒·罗默于1676年测定光速之前。

当我们把宇宙中的任意两个质量物体放在一起时，它们会相互吸引。根据牛顿定律，除了在自然界中最极端的质量(对于大质量)和距离(对于小距离)的条件下，吸引力与两个物体的质量(之间的距离)和重力常数有关。几个世纪以来，我们已经将许多基本常数的测量精确到了十分惊人的程度。看下下面两个重要的常数，你就能深刻的体会到什么叫精确。光速c是众所周知的:299792458米/秒。普朗克常数h控制量子的相互作用，其值为1.05457180 × 10^-34 J⋅s，不确定度为±0.000000013×10^-34 J⋅s。

无论使用牛顿还是爱因斯坦的引力公式，力的强度部分取决于重力常数的值，重力常数的值必须凭经验来测量，不能从任何其他量中导出。

Q1、看起来十分精确的G值

在20世纪30年代，由科学家保罗·海勒测量G的值为6.67×10^-11 N/kg⋅m²，后经1940年改进为6.673×10^-11 N/kg⋅m²。随着时间的推移，数值是越来越精确，不确定性从0.1%一直下降到20世纪90年代末的0.04%。

在一份旧的粒子数据手册上，给出了一些物理学的基本常数，我们可以在里面找到一个看起来很不错的G值:6.67259 × 10^-11 N/kg ⋅m²，不确定度仅为0.00085 × 10^-11 N/kg ⋅m²。这似乎G的值已经十分精确了。

基本常数的值，发表在粒子数据1998年的小册子中。

Q2、但后来发生了一件有趣的事。

在1998年晚些时候，同年进行的实验显示了一个与已知值不一致的高值:6.674×10^-11·N/kg·m²。多个团队使用不同的方法，得到的G值在0.15%的水平上相互冲突，是以前报告中不确定性的十倍以上。

Q3、怎么会出这种事？

由亨利·卡文迪许设计和发表的精确测量重力的原始实验，依赖于扭转平衡的原理

独立于其他未知因素(如太阳质量或地球质量)的重力常数测量是在18世纪末亨利·卡文迪许的实验中完成的。卡文迪许开发了一个扭转平衡的实验，在实验中，一个微型杠铃被一根金属丝悬挂着，保持着非常完美的平衡。两端的每一个质量附近都有两个较大的质量，大球质量将吸引较小的小球质量。只要质量和距离已知，通过微型杠铃所经过的扭转量，我们就能测量出重力常数。

尽管人类的科技水平和物理学水平在过去200多年里取得了巨大的进步，但是在最初的卡文迪许实验中使用的扭杆原理在今天仍然被用于G的测量。截止到2018年，还没有任何测量技术或实验装置能够提供更好的实验结果。这一点让我们很不理解。

关于G的测量，人们强烈怀疑影响测量结果的主要因素之一是，人们确认偏误的心理因素，也称为从众心理。如果你是科学家，你的同事测量的值都是6.67259×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,这时你可能会期望得到类似6.67224×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,或6.67293×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,但如果你得到了类似6.67532×10 ^ -11 N /kg²⋅m²的值,你可能会想，自己是不是做错了什么事。

你可能会寻找错误的根源。你会重复一次又一次的实验,知道你得出一个合理的值符合6.67259×10 ^ -11 N /kg²⋅m²。

1998年,巴格利和路德的团队进行了扭秤实验取得的结果为6.674 x 10 ^ -11 N /kg²/ m²,这次结果足以让人们对以前报告的G值产生了怀疑。一个非常谨慎的团队得到的G值结果与之前的结果相差了惊人的0.15%，那些早期结果的误差比这个值的误差低十倍以上。这就是1998年令科学界震惊的原因。

扭力天平和扭力摆都是受到卡文迪什实验的启发设计出来的，并且在G值的测量方面一直领先其他最新的技术，甚至超过了最新的原子干涉实验技术。我国的科学团队从两个独立的测量实验中获得了迄今为止最精确的G值:6.674184 × 10^-11 N/kg ⋅m²和6.674484 × 10^-11 N/kg ⋅m²，每个测量的不确定性仅为百万分之十一。

这两种实验方法由于2018年8月底发表在《自然》杂志上，产生了迄今为止最精确的G的测量结

这两个值可能在两个标准偏差范围内相互一致，但它们与其他科学团队在过去15年中进行的其他测量不一致，这些测量的范围从高达6.6757×10^-11·N/kg ⋅m²到低至6.6719×10^-11·N/kg ⋅m²

从6S轨道开始的原子跃迁(Delta_f1)定义了米、秒和光的速度。请注意，描述我们宇宙的基本量子常数的精确度是G的数千倍，但G是有史以来第一个测量到的常数。

宇宙的引力常数G是人们第一个测量的物理常数。可是，在我们首次确定G值的200多年后，与所有其他常数相比，我们对G的了解如此之少，这确实令人尴尬。从引力波到脉冲星周期，再到宇宙膨胀，我们在一系列的预测和计算中都使用了这个常数。但是我们确定G能力只限定于在实验室进行的小规模实验。从材料的密度到全球范围内的地震振动，最微小的不确定性，都能影响我们对G值的判断。除非我们能测量出十分精确的G值，否则在宇宙任何引力现象重要的地方中，都会存在一种巨大不确定性。现在，我们仍然不知道重力到底有多大。

2、为解牛顿未解之谜 中国科学家测得迄今最精确万有引力常数

团队成员薛超及同事在研磨球体 华中科技大学供图

1687年，牛顿发现了万有引力定律。

有人说这个发现得益于一颗砸到牛顿脑袋上的苹果，也有人说这种说法纯属虚构，但无论如何，牛顿成功地让世界各地的中学课本里多了一个描述万有引力的公式：F=G（m₁m₂）/r²，其中G是万有引力常数。

万有引力定律认为，大到宇宙天体，小到看不见的粒子，任何物体之间都像苹果和地球之间一样，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。

定律虽好，要想派上实际用场，还得知道G的值。然而，这个值到底是多少，连牛顿本人都不清楚。

300多年来，不少科学家在努力测量G值并让它更精确。

就在8月30日凌晨，《自然》杂志发表了中国科学家测量万有引力常数的研究，测出了截至目前最精确的G值。

卡文迪许的尝试

G值不明确，万有引力定律就算不上完美。

但是，地球上一般物体的质量太小，引力几乎为零，而宇宙里的天体又太大，难以评估其质量。

于是，在万有引力定律提出后的100多年里，G值一直是个未解之谜。

1798年，一位名叫卡文迪许的英国科学家，为了测量地球的密度，设计出一个巧妙的扭秤实验。

他制作了一个轻便而结实的T形框架，并把这个框架倒挂在一根细丝上。如果在T形架的两端施加两个大小相等、方向相反的力，细丝就会扭转一个角度。

根据T形架扭转的角度，就能测出受力的大小。

接着，卡文迪许在T形架的两端各固定一个小球，再在每个小球的附近各放一个大球。

为了测定微小的扭转角度，他还在T形架上装了一面小镜子，用一束光射向镜子，经镜子反射后的光射向远处的刻度尺，当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时，刻度尺上的光斑会发生较大的移动。

这样，万有引力的微小作用效果就被放大了。

根据这个实验，后人推算出了历史上第一个万有引力常数G值——6.67×10^-11N·m²/kg²。

十年十年又十年

卡文迪许测出了常数值，但科学家们并不满足。

在他们看来，万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数，而G值的测量精度却是所有基本常数中最差的。

而G值的精度在天体物理、地球物理、计量学等领域有着重要意义。

例如，要想精确回答地球等天体有多重，就要依赖于G值；在自然单位制中，普朗克单位定义式的精度同样受G值测量精度的限制。

怎么让这个数值更精确，是卡文迪许之后的科学家们努力的方向。利用现代技术完善扭秤实验，则是他们提升测量精度的办法。

就在牛顿万有引力定律提出后的300年，中国科学家罗俊及其团队加入了这支寻找引力常数的队伍，此后他们几乎每十年会更新一次引力常数的测量精度。

上世纪八十年代，华中科技大学罗俊团队开始用扭秤技术精确测量G值。

十年后的1999年，他们得到了第一个G值，并被国际科学技术数据委员会（CODATA）录用。

又十年后，2009年，他们发表了新的结果，成为当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值，并且又一次被CODATA收录。

如今，经过又一个十年的沉淀，罗俊团队再次更新了G值。

“30多年的时间里，我们不断地对完全自制的扭秤系统进行改良和优化设计。”罗俊告诉《中国科学报》记者。

在精密测量领域，细节决定成败。光是为了得到一个实验球体，团队成员就手工研磨了近半年时间，最后让这个球的圆度好于0.3微米。

不仅如此，论文通讯作者之一、华中科技大学引力中心教授杨山清告诉记者，实现相关装置设计及诸多技术细节均需团队成员自己摸索、自主研制，在此过程中，他们研发出一批高精端仪器设备，其中很多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。

《自然》杂志发表评论文章称，这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。

G的真值仍是未知

为了增加测量结果的可靠性，实验团队同时使用了两种独立方法——扭秤周期法、扭秤角加速度反馈法，测出了两个不同的G值，相对差别约为0.0045%。

《自然》杂志评论称，通过两种方法测出的G值的相对误差达到了迄今最小。

目前，全世界很多实验小组都在测量G值，国际科技数据委员会2014年最新收录的14个G值中，最大值和最小值的相对差别约在0.05%。

尽管数值的差距在缩小，但真值仍是未知。

“不同小组使用相同或者不同的方法测量的G值在误差范围内不吻合，学界对于这种现象还没有确切的结论。”罗俊说。

科学家推测，之所以测出不同的结果，一种概率较大的可能是，实验中可能存在尚未发现或未被正确评估的系统误差，导致测量结果出现较大的偏离，另一种概率较低但不能排除的可能是，存在某种新物理机制导致了目前G值的分布。

罗俊告诉记者，要解决目前G值测量的问题，需要进一步研究国际上测G实验中各种可能的影响因素，也需要国际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，人类才能给出一个万有引力常数G的明确的真值。”罗俊说。

论文相关信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0431-5

《中国科学报》 (2018-08-30 第1版 要闻，原题《为了解开牛顿留下的谜题 中国科学家测出国际最精确的万有引力常数》)

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