万有引力常量(万有引力引力常量是谁测出来的)

说到引力，你可能会觉得它是一种很强的力，因为地球和太阳之间的引力使地球无法飞出太阳系。但事实上，引力是非常微弱的。比如地球引力不足以抵消你家冰箱磁铁的电磁力。引力那么弱，又屏蔽不了，所以万有引力常数很难精确测量。

最近，中国华中科技大学和中山大学的研究团队合作，对引力常数进行了迄今为止最精确的测量。万有引力常数测量精度达到百万分之11.6左右，创下了万有引力常数实验测量精度的新纪录。

这项历时30年的研究于8月30日发表在《自然》杂志上。这篇论文也是中国精确测量引力常数研究领域第一篇发表在《自然》杂志上的论文。

图| Nature杂志发表中国学者对引力常数的测量结果(图片来源:Nature官网截图)

自20世纪80年代以来，罗俊院士的团队使用扭秤技术进行精确测量。经过10多年的努力，他们在1999年获得了第一个G值，并被历届国际科学技术数据委员会(CODATA)录用。2009年，该团队发表了新的测量结果，相对精度为26 ppm(百万分之一)，是当时用扭转平衡周期法获得的最高精度G值。它也被后来的CODATA命名为HUST-09。现在，罗俊团队给出了世界上最高精度的G值，相对不确定度优于12 ppm，已经超越国际顶尖水平。

该研究的作者，华中科技大学的杨教授告诉DT君:“它对许多领域都具有重要意义，如天体物理学、地球物理学、计量学等。”。

杨教授介绍，目前各种天体(如地球)的质量测量精度受到G值测量精度的限制。知道G值的精度越高，就能得到地球或其他天体的质量越高，这无疑对物理学的发展大有裨益；此外，其他一些物理常数如普朗克时间和普朗克长度的精度也受到G值测量精度的限制，而普朗克时间和普朗克长度对天体物理和粒子物理非常重要。最后，G的高精度值也将有助于我们找出G随时间的可能变化以及G是否为常数的相关理论问题。

“目前各国际组测得的G值符合度仅为0.05%，G值的测量精度远低于其他常数。这种情况意味着还有一些不清楚的科学问题。好奇心驱使我们研究为什么会发生这种情况，”他说。

最早发现却最不精确的万有引力常数

引力常数是一个实验物理常数，包含在有质量的物体之间引力的计算中。它出现在牛顿万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论中。引力常数是物理学中最难的常数之一。尽管数百年来全世界的科学家不断努力，他们最精确的测量仍然存在很大的误差。

图|精确测量引力常数有助于天体质量的确定(来源:维基百科)

1687年，艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》中发表了万有引力定律。牛顿万有引力定律表述如下:任意两个粒子通过连接心脏的直线方向的力相互吸引。引力与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两个物体的化学成分和它们之间的介质种类无关。

但牛顿在推出万有引力定律时，未能计算出万有引力常数G的具体值，100多年后，G的值于1789年由卡文迪什利用他设计的扭秤实验首次得到。这个实验不仅用实践证明了万有引力定律，而且使这个定律得到了更广泛的应用。卡文迪什测得的万有引力常数为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不到1%。但是这样的精度在计算大质量物体时还是会带来不可忽视的误差。所以在卡文迪许之后，G的值经历了多次测量和修正。

图|卡文迪许扭曲尺度实验示意图(来源:维基百科)

1942年，Heyl提出了扭秤周期测量法。周期法最大的优点是将弱力(引力是自然界四种基本力中最弱的)的测量转化为时间的测量。因为时间的精确测量容易实现，所以Heyl给出的G值具有很高的精度。此后，科学家们设计了许多方法来不断改善和减少实验过程中的外界干扰，包括温度、地面振动、大气压力波动、电磁场等。，力争测出最准确的G值。

根据近40年的测量结果，公认的G值为6.67408×10-11 m3/(kg·S2)。这个数字有0.0047%的不确定度，这个误差是其他基本常数的几千倍，比如电子电荷，光速。0.0047%看似很小，但却限制了研究人员根据g来确定天体质量和计算其他参数的值。

图| 2002年和2006年CODATA收集的G-measure实验结果和推荐值。ppm指百万分之一，表示精度。(来源:中国科学杂志)

近日，华中科技大学物理学院重力中心的罗俊院士在《自然》杂志上发表了论文《用两种独立的方法测量引力常数》。本文中，罗俊院士团队通过两个实验估算了引力常数G，刷新了原有精度，其不确定度仅为0.00116%(即11.6 ppm)。此前，G值的最小不确定度为0.00137% (13.7 ppm)。两次实验的测量结果略有不同，分别为6.674184×10-11和6.674484×10-11 m3/(kg·S2)。

两种方法锁定这项世界纪录

研究小组使用了两种扭摆仪器，扭秤周期法(TOS)和扭秤角加速度反馈法(AAF)，来测量G值。每个设备都有一个带有金属涂层的二氧化硅板，它由一根细线悬挂并被金属壳包围。硅板和球体之间的吸引力使硅板向球体旋转。

图|扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法测量万有引力常数的装置示意图(来源:华中科技大学/Nature)

在扭秤循环法中，摆锤是一个规格为91×11×31立方毫米、重量为68g的镀铝应时块。通过摆动细应时线悬挂，应时线的直径为40-60微米，长度为900毫米。磁阻尼器由一根50 mm长、直径80 μ m的钨丝悬挂，以两个SS316不锈钢球为质量源，直径约57.2 mm，真空质量778 g，利用转盘可以改变球的位置，使球处于近态或远态。空的镀金铝桶安装在摆锤和球体之间，保护扭摆不改变静电。和摆质量源置于同一真空空室内，气压为10-5 Pa。摆扭转由光学杠杆监控。研究人员通过监测球体处于近态或远态时扭摆扭转周期的差异给出G值。

扭秤的角加速度反馈法中，摆是规格为91×4×50立方毫米、质量为40克的镀金应时块，吊线是长度为870毫米、直径为25微米的钨丝。磁阻尼设计与扭秤周期法相同。用4个直径约127mm、质量为8541g的SS316不锈钢球作为质量源，分别放置在超低热膨胀材料架的上下两层。质量源及其支撑架放置在机械转盘上。摆锤悬挂在空空气轴承转盘下方，该转盘与支撑质量源的转盘同轴安装。摆锤的小偏转角被自准直仪记录下来。实验过程中，两个转盘分别变速移动，相互跟踪，保证吊线不扭曲。实验者用悬挂扭摆测量转盘的角加速度，就可以给出G值。

两个新的引力常数测量值(用红色方框线图和表示不确定性的短线表示)接近或在当前可接受的G值范围内(用灰色阴影表示)。新的估计比过去40年中的其他G值测定实验(青色点和更大的误差范围)更准确。

图| G值测量结果(来源:ScienceNews.org)

进行如此艰苦的实验，就像完成一件艺术品

值得注意的是，华中科技大学重力实验中心的实验室，因为对恒温、隔振、电磁屏蔽的要求很高，设置在一个人防山洞里。

30多年来，华中科技大学罗俊教授带领他的团队在洞穴中进行了无数次实验，才有了现在的高精度G值。

“洞穴实验室为重力实验提供了一个‘完美’的实验环境。这座山是一道天然屏障，隔绝了外界的电磁干扰。比如我们实验室就没有手机信号。另外，重力很弱，这就要求测量工具有非常高的灵敏度，所以周围的各种‘风吹草动’都会影响测量数据，而且可以远离洞穴中的人类活动，大大减少了这样的干扰。而且洞内常年温度在20oC左右，有效降低了温度波动对实验的影响。许多国际同行对拥有这样一个实验基地表示羡慕，”杨教授说。

图|罗俊院士团队(图片来源:华中科技大学物理学院)

但其实洞穴实验室的条件也很艰苦。

“罗俊教授带领大家在洞穴实验室工作了30多年。作为罗老师的学弟，我也工作了15年。我曾听师兄描述过当时的一段历史:当时山洞条件比较艰苦，罗俊先生半边脸都是白化病，有白癜风，后面头发秃，条件潮湿，空口臭，大概一个月感冒发烧一次。”杨教授说。

据杨教授介绍，团队最早有十几个人，后来陆续离开，最后只剩下三个人。在那段时间里，罗俊教授每天工作十多个小时。除了吃饭睡觉，他几乎都在山洞里做实验。潮湿的环境和高强度的工作，让他的左脸出现了白斑，但他并不在意。他掉了很多头发，几乎掉了三分之二。他只是剃了个光头，戴了顶帽子。

”后来，有记者就这段历史采访了罗俊老师。罗老师笑着说:‘总有人问我，山洞条件那么苦，你是怎么坚持下来的？但是我从来没有觉得苦。我感受到的更多的是乐趣和快乐。我是一名科学家，我对追求真理的兴趣和坚持可以支持我克服一切困难。在洞穴这样的‘天堂’，我可以静下心来研究我感兴趣的东西。这是我的运气，”杨教授说。

团队的这项工作也得到了业内人士的充分认可。马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所的物理学家斯蒂芬·施拉明格说:“他们在这一领域所做的工作令人惊讶。”。他对这项研究的评论发表在同一期《自然》杂志上。"进行如此艰难的实验就像完成一件艺术品."

图|罗俊院士研发的一批高端仪器设备(图片来源:华中科技大学/Nature)

新G值仍非定论

英国伯明翰大学的物理学家Clive Speake评论说，打破精确度记录是“一项了不起的成就”。"但是G值的真实性仍然是一个谜."

G值的测量只是更精确，但不是最精确的，所以这个测量不会是最终结果。科学家反复实施旧的或设计新的实验方法，不断提高测量精度。也许这就是为什么人们对这个关键的基本常数如此挑剔。

这个新的G测量并不是G值的最终结论。两种方法得到的G值略有偏差，同时也无法解释为什么如此精确的G值测量可以相差如此之大。

杨教授说，“从统计学上讲，我们的两个结果只有在3倍标准差以内是一致的。对于这种偏差，目前还不能给出一个明确的解释。很有可能，这两种方法还存在未被发现的系统误差，需要进一步深入研究。”

然而，研究人员可以通过将这次测量的新值与G的先前测量值一起使用来估计G的值。此外，这项研究有助于回答为什么引力常数的测量如此困难或具有启发性，它也可能有助于未来真正确定G的值。

杨认为,“两种方法得到的引力常数仍有一些偏差，引力常数G的真实值至今仍为人类所未知。我们将继续朝着这个目标进行研究。进一步探索国际测G实验中各种可能的影响因素，而为了实现这一目标，需要各个团体的共同努力和合作。只有当各组实验精度提高，趋于给出相同的G值时，人类才能给出一个确定的引力常数G的真值。”

然而，引力常数是一个永恒的量吗？

对此，杨教授表示，“的确有学者提出了引力常数不是一个固定值的理论或猜想，但尚未得到实验的检验。对于国际G值不匹配的现状，主流观点极有可能来自于实验中隐藏的系统误差。虽然新的物理机制也可能导致这种情况，但可能性较低。要确定G是否为变化常数，G值的测量精度就得大大提高。”

英国著名理论文科学者狄拉克曾提出大数假说，认为包括引力在内的基本力的比例与宇宙的年龄尺度有一定的相关性。也就是说，引力常数可能会随着宇宙年龄的增长而逐渐增大。但目前没有实验证据表明引力常数发生了变化。因此，如果要验证狄拉克的大数假设，我们需要更精确的测量技术来测量引力常数。

也许你还有一个疑问，为什么人们会如此执着于这个常数的测量？

事实上，许多为测量G值而开发的仪器，如罗俊院士团队的高端精密仪器，在地球重力场测量和地质勘探中发挥了重要作用。比如我们团队研发的精密扭秤技术，已经成功应用于卫星微推力器的微推力标定，空之间惯性敏感器的地面标定等等。这些仪器将为空之间精密重力测量和引力波探测“秦天计划”的成功实施奠定良好的基础。新的测量方法对宇宙研究、地球科学或任何在某种程度上依赖重力的科学都很重要。

在未来，我们可以对G值的研究有更多的期待。