萬有引力定律公式中的萬有引力常數G值由誰測出?


萬有引力常數是個客觀存在,所有科學家都可以想辦法測量。中國科學家剛剛在這方面打破了世界紀錄,測量獲得了迄今最精確的萬有引力常數。

華中科技大學的羅俊等人在新一期英國《自然》雜誌上發表了相關論文,《自然》還專門就這篇論文發表了社論和新聞評論文章,稱讚這次破紀錄的測量成果。

眾所周知,萬有引力與其他幾種基本作用力比起來很微弱,萬有引力常數也是個很小的數字。兩個1千克的物體相距1米時,彼此之間的萬有引力只相當於幾個細胞的重量。因此,萬有引力通常是在巨大的天體之間發揮作用,但我們測量天體的質量又很難搞精確。所以對萬有引力常數的精確測量一直是個難題。

牛頓本人當年只是提出了萬有引力公式,後來是卡文迪許想出了一個扭稱實驗,據此第一次推算出的萬有引力常數值是6.67乘以10的負11次方,單位是 N·m2/kg2,。扭稱實驗的具體原理就不在這裡介紹了,感興趣的讀者複習一下中學物理課本就行。這次中國科學家的測量方法也是在扭稱實驗基礎上發展出來的,論文中的實驗示意圖如下:

他們通過上面兩種方法,得到了兩個萬有引力常數的值,分別是6.674184?和6.674484?乘以10的負11次方,比原來精確多了。之所以有兩個結果,是因為不同方法給出的值不一樣,目前全球科學界也沒有一個號稱是絕對準確的方法。

在全球科學家測量萬有引力常數的競賽中,中國科學家本次測量結果的不確定性是最小的。之前最小的不確定性是百萬分之13.7,而本次測量的不確定性是百萬分之11.6。所以,這被認為是目前最精確的萬有引力常數值。

這張圖是《自然》製作的一張萬有引力常數測量值示意圖,最上面的兩個方塊,就是本次測量結果。每次測量結果的橫線代表不確定性,可以看出這次測量的不確定性最小。中間那條在6.674左邊的豎線,是目前國際組織Committee on Data for Science and Technology認可的數值,但不是說它就是最準確的數值,因為陰影部分是它的不確定性,你看相當大了。

從這張圖可以看出,各國科學家測量的萬有引力常數之間有較大的差異。研究人員認為,導致這種差異的一個可能性是,也許還有某種我們未知的物理因素,從根本上影響了獲取精確的萬有引力常數值的努力。

難道說像科幻小說《三體》那樣,有外星人派來的智子在那裡搗亂?萬有引力常數是幫助人類認識宇宙的一個基本常數,希望科學家能繼續努力,早日把它徹底搞定。


萬有引力常數是牛頓先提出的,但未給出具體值。其首次測定值由卡文迪許在牛頓死後的71年(1798年)通過扭秤實驗給出,為6.754*10^-11。最新的數值由CODATA在2014年推薦,6.67408*10^-11。其精度提高不大,可見測定難度之大。


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