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万有引力常数的测定

引力是物理学最古老的研究对象之一，17世纪末牛顿在他的传世巨著《自然哲学的数学原理》中首次正式提出万有引力定律.作为公式的重要组成部分，引力常数G也自然应运而生，G的大小决定了引力的强弱.也许是因为引力作用太过微弱，又或许是那个年代的科学家只关注G和M的乘积，而并不关注G本身的大小，所以在18世纪之前G值的大小仍然是未解之谜.

1798年为了知道引力的大小，英国科学家卡文迪什进行了巧妙的测G实验，开启了“弱力测量的新时代”.他将两个小金属球固定在长木棒的两端，形状就像一只哑铃，再用一根纤细的丝把这只“哑铃”吊起来，这就是一个典型的扭秤.两个大铅球分别吸引小金属球，由于引力作用，扭秤会微微偏转.如此微小的变化如何测量呢？一束细光束经过扭秤反射，反射点的位置会发生较大移动，这样原本微弱的偏转便被放大了，卡文迪什最终测量出地球的密度是水密度的5.48倍.卡文迪什因此成为了历史上第一个测得引力常数G的科学家.后人测G实验中的绝大部分实验模型都离不开扭秤，可谓是影响深远.

万有引力常数G的精确测量不仅对弄清引力相互作用的性质非常关键，而且对于理论物理学、地球物理、天文学、宇宙学以及精确测量等具有重要的理论与现实意义，但它的精度至今仍不理想.在国际科技数据委员会CODATA推荐普朗克常数h等都定义为一个精确值，而引力常数G推荐值的相对精度只有10-5量级，是所有物理学常数中最差的.G的精确值究竟是多少？为什么G的测量精度如此之差？G随时间和空间是否可能发生变化？诸如此类的问题都期盼着G值测量能达到一个更高精度的水平.

自从卡文迪什首次揭开了G的神秘面纱，两个多世纪以来，各国科学家为探索更高精度的G值前仆后继，但G值之谜仍未完全解开.尽管世界风云变幻，技术不断革新，自电力时代进入了信息时代，用于测G的设备也是不断进化，比如在传统机械装置的基础上引入计算机自动控制减小误差、引入高真空环境降低空气噪声等，但无可奈何，G值测量这块“难啃的骨头”让科学家往往只能望洋兴叹.

究其原因，也有人会说是实验设备的陈旧或理论的匮乏，更大一部分原因来自G值本身.其一，引力是四大作用力中最微弱的，对于环境的噪声要求极其严苛；其二，G值测量是一个典型的绝对测量，实验中任何一个偏差都会使测量结果不可靠；其三，引力作用范围趋于无穷，地球作为一个强大引力源，对实验的引力影响无法屏蔽；其四，测G只能依赖万有引力定律，缺乏额外的方法进行相互验证.

目前测G的方法大致分三大类.地球物理学方法引力效应明显，但实验精度较低；空间测量方法面临着很多新的技术难题，目前仍在探索之中；实验室内测量是目前获得高精度G值的主要方，常用工具是精密扭秤，但其工作艰巨而又困难，实验精度的提高主要受到引力相互作用十分微弱的限制.近年来出现的利用原子干涉测量G的方法，测量精度也不高.美国研究人员为此对原子干涉测量方法进行了改进，他们将2个相同的原子干涉重力仪安装在不同的高度，在两者之间固定了重540千克的铅垂，铅垂对2个重力仪中原子所受的重力影响不同，由于增加铅垂的引力，上面的重力仪所受的重力很容易增加，下面的很容易减少，这样就可以获得仅来自于铅垂引力的差别.由于地球的引力不会影响这种差别，而与所处高度有关的地球引力作用可以通过多次重复实验消除.在这一过程中，铅垂的重量和位置的测定精度很高，因此，从该实验中计算万有引力常数相对容易.研究人员指出，虽然该实验测量G的精度达到了10万分之一，仍比要求的低20倍，但该实验证明这种方法可行.他们已经准备进行新的实验，新实验中对G精度的测量将达到百万分之一.另外，有关专家指出，利用这种方法不仅可用来测量G，还可对在实验室中研究广义相对论有重要意义.

2018年8月30日国际《自然》杂志又刊发罗俊院士团队历经30年测出截至目前引力常数G的最精确值.