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牛顿的苹果再登《自然》 精选

已有 34539 次阅读 2014-6-19 10:01 |个人分类:自然科学|系统分类:海外观察

万有引力定律的发现,是17世纪自然科学最伟大的成果之一。万有引力定律是解释物体之间相互作用的引力定律。定律内容是,任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比,与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。万有引力定律是艾萨克·牛顿在开普勒、胡克、雷恩、哈雷研究的基础上,凭借他超凡的数学能力证明了万有引力定律,获得万有引力计算公式,在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表。

 

 

万有引力常数是牛顿用来计算万有引力公式中的大G,量子力学建立后,物理学家曾经尝试用物质的量子特性计算出万有引力常数,但这个量子力学理论上的常数和实际测量值总存在误差。虽然技术上仍需要改进,但物理学家相信将来能获得非常精确的数值。今天《自然》杂志上发表了一篇研究论文,再次向这一问题发起挑战。科学家这次是测定了一种极小极小的引力,是铷原子和516公斤钨管之间的引力。将最新测量不确定性降低到150ppm或者0.015%。该数值比传统对宏观物体测量方法获得的G值大很小一点。加州大学伯克利分校物理学家Holger Müller认为这个研究具有十分重要的意义。

著名科学大家卡文迪什的重大贡献之一就是测量万有引力,他1798年建立的方法被称为测量万有引力的扭秤实验,后世称为卡文迪什实验。

卡文迪什他改进了英国机械师米歇尔设计的扭秤,在其悬线系统上附加了一个小平面镜,利用望远镜在室外远距离操纵和测量,防止了空气的扰动(当时没有真空条件)。他用一根39英寸的镀银铜丝吊一根6英尺的木杆,杆两端各固定一直径为2英寸的小铅球,用两颗直径12英寸的固定大铅球来吸引它们,利用测出铅球间引力引起的摆动周期,计算出大小铅球之间的引力,由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。他算出的地球密度为水密度的5.481倍(现代数值为5.517),由此可推算出万有引力常量G的数值为 6.754×10-11 Nm2/kg2(现代值前四位数为6.672)。这一实验的构思、设计与操作十分精巧,英国物理学家坡印廷曾对这个实验下过这样的评语:“开创了弱力测量的新时代”。一些科学家就是用这个方法,试图将测量值精确到极限,但物理学似乎真的没有精确和极限。物理学的特点是没有最好,只有更好,没有最精确,只有更精确,大概也就是物理学家永远有饭碗的基础。比较有意思的是,物理学家发现测量值总是存在不一致的问题,导致这种不一致的原因一直让物理学家十分困惑。

论文作者佛罗伦萨大学物理学家Guglielmo Tino说,他们采用的测量方法能克服传统扭秤实验的误差,其精确性的提高能帮助物理学家向更精确的G值前进了一步。Tino和同事这次测量的方法采用了原子干涉仪,这种装置利用物质波特性,可精确测量重力加速度。2007年,斯坦福大学物理学家Mark Kasevich等首先确定了这种方法能用来测定重力加速度。不过这次Tino团队将这个方法的测量精确度提高了10倍。

http://www.nature.com/news/quantum-method-closes-in-on-gravitational-constant-1.15427



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