历时30年研究牛顿之谜,百万分之11

2019-07-25 09:14栏目:奥门新萄京娱乐场
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历经30年,测量迄今国际上精度最高的万有引力常数G值!

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2009年,团队又发表了新的测量结果,相对精度达到26ppm,是当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值,也被随后的历届CODATA所收录命名为HUST-09。

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1687年,牛顿发现了万有引力定律:两个质点彼此之间相互吸引的作用力,是与它们的质量乘积成正比,并与它们之间的距离成平方反比。用公式表示如下:

参考:

转盘用于改变球体在“近”和“远”方位间的位置(上图显示为“近”;在“远”的摆放位置中,转盘旋转90°)。安装在摆锤和球体之间的空心镀金铝圆柱体,用于保护系统免受静电场的影响。摆锤和源质量块放置在同一真空室内,通过离子泵维持约10的负5次方Pa的压力,摆锤扭转由光学杠杆监控。

图 | 卡文迪许扭秤实验示意图(来源:维基百科)

论文地址:

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Nature同时刊发了Stephan Schlamminger的评论文章,Schlamminger在美国马里兰州盖瑟斯堡的国家标准与技术研究所基础电气测量小组工作。文章指出,控制重力相互作用强度的引力常数G很难准确测量。这也说明了罗俊院士团队以记录精度测量重力是一项了不起的成就。

杨山清教授说,“从统计学上来看我们的两个结果仅在3倍标准差范围内吻合。对于这种偏差目前我们也还不能给出明确的解释,最有可能是这两种方法中仍然存在没有被发现的系统误差,需要进一步的深入研究。”

为了确保结果的精确性,罗俊院士团队这次使用了两种独立的传统引力测量方法,分别是扭秤周期法(TOS)和扭秤角加速度反馈法(AAF),并得到了两个结果:6.674184×10-11和6.674484×10-11立方米/千克/秒,相对精度大约为11.6ppm。(之前使用AAF方法获得的G的不确定性最低记录为13.7ppm。)

进行如此艰苦的实验,就像完成一件艺术品

在AAF方法中,摆锤是镀金的熔融石英块,尺寸为91×4×50立方毫米,真空质量为40g。主光纤由钨纤维制成,长870毫米,直径25微米。磁阻尼器的设计与TOS方法相同。四个平均直径为127.0毫米、真空质量为8541克的SS316不锈钢球,用作位于具有上层和下层的ULE材料架上的源质量块。摆锤的小偏转角由自动准直仪记录。带有摆锤的腔室悬挂在一个空气轴承转盘下面,转盘与下方放置源质量块的转盘同轴安装。这套设备位于山洞实验室的被动保温室(passive thermal room)中。

著名的英国理论文理学家狄拉克曾提出大数假说,认为包括重力在内的基本作用力的比例与宇宙年龄尺度存在某种关联性。也就是说,万有引力常数或可随宇宙年龄的增长而逐渐变大。但是目前并没有实验证据显示万有引力常量存在变化。因此,若想对狄拉克的大数假说进行验证,还需更精确的测量技术对万有引力常数进行测量。

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使用两种测量万有引力常数装置,技术及细节全部自主研制

图 | 《自然》杂志刊登中国学者对万有引力常数测量成果(来源:Nature 官网截图)

万有引力常数是一个实验物理常数,用于计算两个物体间的引力大小。 通常出现在牛顿万有引力方程和爱因斯坦广义相对论中。 一般用大写G表示。

图 | 罗俊院士团队(来源:华中科技大学物理学院)

杨山清认为,“两种方法获得的万有引力常数仍有一些偏差,引力常数 G 的真值对于人类来说还是未知的,我们会朝着这个目标继续开展研究。进一步发掘国际上测 G 实验中的各种可能影响因素,另外为了实现这个目标也需要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,人类才能给出一个引力常数 G 的明确的真值。”

  • 黎卿 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 薛超 中山大学天琴引力物理研究中心,中山大学物理与天文学院
  • 刘建平 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 邬俊飞 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 杨山清 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 邵成刚 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 全立地 湖州大学工程学院
  • 谭文海 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 涂良成 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 刘 祺 中山大学天琴引力物理研究中心,中山大学物理与天文学院
  • Hao Xu 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 刘林霞 河南科技学院教学研究评估中心
  • 王晴岚 湖北汽车工业大学理学院
  • 胡忠坤 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 周泽兵 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 罗鹏顺 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • 吴书朝 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室
  • Vadim Milyukov 莫斯科国立大学斯科斯特恩伯格天文研究所
  • 罗俊 华中科技大学物理学院, 基本物理量测量教育部重点实验室, 引力与量子物理湖北省重点实验室,中山大学天琴引力物理研究中心,中山大学物理与天文学院

这项历时**30 年**的研究在 8 月 30 日发表在《自然》(Nature)杂志上。此篇论文也是中国精确测量万有引力常数研究领域在《自然》上发表的首篇论文

最终,纤维的扭转力平衡了重力。记录哑铃在该位置的旋转角度。然后沿相反方向施加重力并测量第二旋转角度。从这两个角度之间的差计算出G的大小。

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涂良成,黎卿,邵成刚等.万有引力常数G的精确测量.中国科学:物理学 力学 天文学,2011,41:691-705.返回搜狐,查看更多

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在未来 G 值的研究上,我们还可以有更多的期待。

1798年,科学家亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)首次在实验室中使用一种称为扭秤的装置来确定引力常数G。在卡文迪什的实验中,它由一个哑铃组成,由细纤维悬挂在其中心。重力作用于哑铃末端,方向垂直于哑铃的杆和纤维的轴线。这种力导致哑铃围绕该轴旋转,导致纤维发生扭曲。

图 | G 值的测量结果(来源:ScienceNews.org)

在TOS方法中,摆锤是Al涂层的熔融石英块,尺寸为91×11×31立方毫米,质量约为68g。摆锤由薄的熔融石英纤维悬挂,直径为40-60μm,长度为900mm。磁阻尼器通过50毫米长、80微米直径的钨纤维悬挂。使用两个平均直径为57.2mm且真空、质量为778g的SS316不锈钢球作为源质量。

研究的通讯作者、华中科技大学杨山清教授对 DT 君表示:“获得更高精度的 G 值对很多领域如天体物理、地球物理、计量学等都具有重要意义”。

多年来,科学家们已经开发了许多技术,利用扭转平衡来测量引力常数G。在这次实验中,罗俊院士团队构建了两个基于不同测量技术的薄板扭转平衡秤:分别基于摆动时间方法(TOS,下图左)和角加速度反馈方法(AAF)。

团队的这项工作也获得了业内人士的充分认可。“他们在这方面做的大量工作令人惊讶,”马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所的物理学家 Stephan Schlamminger 说,他对这项研究的评论出现在同一期《自然》杂志上,“进行如此艰苦的实验,‘就像完成一件艺术品**’**”。

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但是,牛顿在推出万有引力定律时,没能算出引力常量 G 的具体值。在 100 多年后,G 的数值首次于 1789 年由卡文迪许利用他所设计的扭秤实验得出。该实验不仅以实践证明了万有引力定律,同时也让此定律有了更广泛的使用价值。卡文迪许测出的引力常量为 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小于 1%。然而这样的精确度仍会在计算大质量物体中带来无法忽略的误差。因此,从卡文迪许以后,G 值经历了多次测量和修正。

如今,罗俊团队再次一鸣惊人,给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm,实现了对国际顶尖水平的赶超。

“后来,有记者就这段历史采访过罗俊老师,罗老师笑着说,‘人们总是问我,山洞条件那么苦,你怎么坚持下来的?可我从来没觉得苦,感受到的更多是乐趣和幸福。我是科学家,科学家追求真理的兴趣和执着足以支撑我克服一切困难。在山洞这样一个‘世外桃源’里,我能够静下心来研究自己感兴趣的东西。这是我的幸运’”,杨教授说。

在TOS方法中,板的旋转是振荡的。当外部质量配置不同时,由振荡速度的变化计算出G。而在AAF方法中,使用两个转盘分别旋转扭转平衡秤和外部质量。当光纤的扭曲减小到零时,G由与扭转平衡秤相连的转盘的角加速度来确定。

这一新的 G 测量值并不是 G 值的最终结论。两种方法获得的 G 值有轻微偏差,同时也无法解释为什么如此精确的 G 值测量可以彼此之间存在这么大的差异。

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原标题:百万分之11.6!中国科学家历时30年在山洞中测出最为精准的万有引力常量

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在扭转平衡实验中,重力由精确质量的外部组件提供。这些质量组件在两个或更多个不同位置之间移动,以改变力的方向和大小。因为哑铃在水平面上旋转,所以地球引力对实验的影响可以忽略不计。

杨教授介绍道,目前各种天体(如地球)的质量测量精度就受限于 G 值的测量精度,知道 G 值精度越高,就可以得到更高精度的地球质量或其它天体的质量,这毫无疑问会对物理学的发展大有裨益;另外,一些其他物理常数如普朗克时间和普朗克长度等的精度同样受到G值测量精度的限制,而普朗克时间和普朗克长度对于天体物理和粒子物理领域均非常重要。最后,高精度的 G 值也会帮助我们弄清关于 G 可能随时间变化以及 G 是否是常数等相关的理论问题。

根据《科技日报》报道,论文的通讯作者之一、团队核心成员、华中科技大学引力中心杨山清教授感慨:“从上世纪80年代罗俊院士开始进行万有引力常数G的精确测量实验研究至今,他已将其看作是毕生的事业,几十年如一日地在华中科技大学山洞实验室工作。罗院士不仅给我们提供了方向的指引,同时以身作则,对实验过程中的每个重要阶段他都主动带领团队成员一起分析、讨论并指导大家做实验。一批兼具理论与实践能力的优秀人才在此过程中得以成长。”

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原标题:历时30年探索牛顿之谜,中国科学家测出迄今最高精度万有引力常数值!

据杨教授介绍,团队最早的时候有十多个人,到后来陆陆续续地离开,最后只剩下三个人。那段时间,罗俊教授每天工作十几个小时,除了吃饭和睡觉,几乎都在山洞中做实验。潮湿阴冷的环境、高强度的工作,让他左半边脸上出现了一块块白斑,他却毫不在意,大把大把地脱发,头发几乎掉了 2/3,他索性剃成光头,戴上帽子。

编辑:闻菲、大明、肖琴

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来源:Nature、科技日报

图 | 国际科技数据委员会(CODATA)收录的测 G 实验结果和 2002、2006 年的推荐值,ppm 指百万分之一,表示精确度。(来源:《中国科学》杂志)

新智元尝试着将论文的图说翻译如下:

两个新的引力常数测量值(用红色箱线图表示,短线代表不确定性)接近或在目前可接受的 G 值范围内(灰色阴影部分)。新的估计值比过去 40 年的其他 G 值测定实验(青色圆点和更大的误差范围)更精确。

万有引力是四种基本力中最弱的一种。在太空星球间测量,比如地球和月球,这个力可能相当大。但如果是在实验室里,万有引力可能太小而无法准确测量。例如,两个相隔1米的1千克物体之间的引力仅相当于一些生物细胞的重量。由于这个原因,对这一引力的强度进行量化的引力常数G是最难以确定的物理常数之一

从上世纪 80 年代就已开始,罗俊院士团队就采用扭秤技术精确测量,历经 10 多年的努力,在 1999 年得到了第一个 G 值,被随后历届的国际科学技术数据委员会(CODATA)录用。2009 年,团队又发表了新的测量结果,相对精度达到 26 ppm(百万分之一),是当时采用扭秤周期法得到的最高精度的 G 值,也被随后的历届 CODATA 所收录命名为 HUST-09。如今,罗俊团队给出了目前国际上最高精度的 G 值,相对不确定度优于 12 ppm,实现了对国际顶尖水平的赶超。

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图 | 精确测量引力常数有助于天体质量的测定(来源:维基百科)

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