万有引力常数()

万有引力常数的提出者牛顿牛顿，引力常数的提出者

1687年，牛顿出版了自然哲学的数学原理。

科学史

1687年，当牛顿骄傲地发表《自然哲学的数学原理》时，不知他是否能想到，三百多年后，他书中提出的万有引力定律会印在全世界每一本物理教科书上。

万有引力定律可以说是最熟悉的物理学定律。根据万有引力定律，两个物体之间的吸引力F与它们的质量M1和M2的乘积成正比，但与它们之间距离R的平方成反比。这个定律被称为“万有”，是因为牛顿认为，宇宙中所有的物体，从太阳系的恒星到我们身边的两个尘埃，都符合万有引力定律。

牛顿力学标志着从古代自然哲学到现代精确自然科学的转折点。牛顿本人将自己的贡献定位为“自然哲学的数学原理”。也就是说，我们不知道大自然本身是怎么回事，只是先概括了它的数学表现。所以万有引力定律并没有解决万有引力的本质是什么的问题，只是寻求在数学上精确描述万有引力的作用。牛顿之后，这种新态度是反客为主的，数学原理不再依附于自然哲学，而是取代了自然哲学。

所以这里的引力常数G具有划时代的意义。它是人类测得的第一个基本物理常数，因为“常数”这个概念是精密科学的产物。古代自然哲学家问引力的来源，但G的准确确定不利于理解引力的本质。这类工作只是在“数学原理”取代“哲学原理”的现代科学中才开始受到重视。

那么常数g是怎么算出来的呢？根据万有引力公式，计算常数g似乎是一件非常容易的事情，只需测量两个物体的质量M1和M2，两个物体之间的距离R，物体之间的引力F，将这些数据代入公式即可。但现实是，地球上一般物体的质量太小，我们无法测量它们之间的引力，宇宙中的天体又太遥远太巨大，无法测量它们的质量。

在《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿构想了一种可能的计算方法。实验的想法是把钟摆放在一座山附近。因为山会对钟摆施加重力，所以当钟摆运动时，靠近山的一侧会有一个微小的偏转角，这个偏转角是可以测量的。我们可以计算出山的体积和平均密度，进而得到山的质量，再结合山的很多位置的偏角的测量值，推导出地球的平均密度。这样就可以根据地球的平均密度计算出地球的质量，最终计算出引力常数。但当时牛顿悲观地认为山对摆的影响太小，无法测量，最终没有进行实验。牛顿只是推测地球的平均密度可能是水的五到六倍，他根据这个数据间接计算出了引力常数。这一结果与现代测量数据相比，量级相同，但仍有较大差距。

牛顿死后，他的后继者从未放弃对引力常数的追求。英国皇家学会的科学家认为牛顿设计的实验思路仍然是可行的。实验的关键是找到一座合适的山。这座山的形状应该是规则的，很容易计算体积，附近也没有其他山干扰重力。好事多磨。经过两年多的漫长寻找，皇家学会终于在苏格兰高地找到了一座名为谢鹭的山。这座山位于两个湖的中间，周围很空宽。同时，整座山的形状也很对称，近似一个标准的圆锥体。

1774年夏天，皇家天文学家内维尔·马斯基林带领一个科研小组对苍鹭山进行了细致的考察，这就是科学史上著名的苍鹭实验。经过复杂的测量和推导，马斯基林终于在1776年计算出地球的平均密度为4.5g/cm3。与现代仪器测得的数据相比，由这一密度数据计算出的重力常数G只有20%左右的误差，G的精度有了很大的进步。

谢鹭实验在1811年和1856年重复了两次，但这种实验总是耗费大量的人力物力，而且因为种种原因，每次误差都很大。有鉴于此，科学家们改进了实验思维，试图在成本相对较低、干扰较少的实验室中设计仪器，以达到测量目的。英国地理学家约翰·米歇尔于1783年首先设计并制造了扭秤。不幸的是，米歇尔在1793年去世前，她还没有用它来测量。米歇尔去世后，扭曲量表被剑桥大学的沃拉斯顿教授转给了卡文迪什。

卡文迪什出生于贵族家庭，但生活非常简朴，科研是他唯一的爱好。接手麻花秤的时候，六十多岁的卡文迪什已经在化学和电学领域取得了很多研究成果。然而，测量引力常数的诱惑还是让这个奇怪的老人陷入其中。

1798年，也就是牛顿去世71年后，卡文迪许终于通过扭秤实验测得了引力常数G的值。与现代仪器测量的结果相比，这一结果的误差小于1%。从当时的实验条件来看，这确实是一个了不起的成就。

在卡文迪许实验后的两百多年里，随着科技的发展和进步，世界上出现了许多测量G的方法和相关实验，产生了200多个G值。值得骄傲的是，中国华中科技大学重力中心研究团队自1983年以来一直从事与重力相关的基础物理科学前沿和精密重力测量的应用研究。经过30多年的不懈努力，中国的万有引力常数测量研究已走在世界前列。

万有引力定律提出300多年后，人类已经具备飞出太阳系的能力。但是熟悉并不是真正的知识。到目前为止，科学家仍然无法确定重力的来源，高精度测量G值是目前最具挑战性的实验之一。牛顿留给后人的任务远未完成。余姚