牛顿发现万有引力
万有引力常量：为解牛顿未解之谜中国科学家测最精确万有引力常数
想知道万有引力常量：为解牛顿未解之谜中国科学家测最精确万有引力常数
团队成员薛超及同事在研磨球体华中科技大学供图 来源：中国科学报 1687年，牛顿发现了万有引力定律。 有人说这个发现得益于一颗砸到牛顿脑袋上的苹果，也有人说这种说法纯属虚构，但无论如何，牛顿成功地让世界各地的中学课本里多了一个描述万有引力的公式：F=G（mm）/r，其中G是万有引力常数。
万有引力定律认为，大到宇宙天体，小到看不见的粒子，任何物体之间都像苹果和地球之间一样，具有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，与它们之间距离的平方成反比。 定律虽好，要想派上实际用场，还得知道G的值。然而，这个值到底是多少，连牛顿本人都不清楚。 300多年来，不少科学家在努力测量G值并让它更精确。
就在8月30日凌晨，《自然》杂志发表了中国科学家测量万有引力常数的研究，测出了截至目前最精确的G值。卡文迪许的尝试 G值不明确，万有引力定律就算不上完美。 但是，地球上一般物体的质量太小，引力几乎为零，而宇宙里的天体又太大，难以评估其质量。 于是，在万有引力定律提出后的100多年里，G值一直是个未解之谜。
1798年，一位名叫卡文迪许的英国科学家，为了测量地球的密度，设计出一个巧妙的扭秤实验。 他制作了一个轻便而结实的T形框架，并把这个框架倒挂在一根细丝上。如果在T形架的两端施加两个大小相等、方向相反的力，细丝就会扭转一个角度。 根据T形架扭转的角度，就能测出受力的大小。 接着，卡文迪许在T形架的两端各固定一个小球，再在每个小球的附近各放一个大球。
为了测定微小的扭转角度，他还在T形架上装了一面小镜子，用一束光射向镜子，经镜子反射后的光射向远处的刻度尺，当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时，刻度尺上的光斑会发生较大的移动。 这样，万有引力的微小作用效果就被放大了。 根据这个实验，后人推算出了历史上第一个万有引力常数G值——
6.67×10-11N·m2/kg2。十年十年又十年
卡文迪许测出了常数值，但科学家们并不满足。 在他们看来，万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数，而G值的测量精度却是所有基本常数中最差的。 而G值的精度在天体物理、地球物理、计量学等领域有着重要意义。 例如，要想精确回答地球等天体有多重，就要依赖于G值；在自然单位制中，普朗克单位定义式的精度同样受G值测量精度的限制。
怎么让这个数值更精确，是卡文迪许之后的科学家们努力的方向。利用现代技术完善扭秤实验，则是他们提升测量精度的办法。 就在牛顿万有引力定律提出后的300年，中国科学家罗俊及其团队加入了这支寻找引力常数的队伍，此后他们几乎每十年会更新一次引力常数的测量精度。 上世纪八十年代，华中科技大学罗俊团队开始用扭秤技术精确测量G值。
十年后的1999年，他们得到了第一个G值，并被国际科学技术数据委员会（CODATA）录用。 又十年后，2009年，他们发表了新的结果，成为当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值，并且又一次被CODATA收录。 如今，经过又一个十年的沉淀，罗俊团队再次更新了G值。 “30多年的时间里，我们不断地对完全自制的扭秤系统进行改良和优化设计。”罗俊告诉《中国科学报》记者。
在精密测量领域，细节决定成败。光是为了得到一个实验球体，团队成员就手工研磨了近半年时间，最后让这个球的圆度好于
0.3微米。 不仅如此，论文通讯作者之
一、华中科技大学引力中心教授杨山清告诉记者，实现相关装置设计及诸多技术细节均需团队成员自己摸索、自主研制，在此过程中，他们研发出一批高精端仪器设备，其中很多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。
《自然》杂志发表评论文章称，这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。G的真值仍是未知 为了增加测量结果的可靠性，实验团队同时使用了两种独立方法——扭秤周期法、扭秤角加速度反馈法，测出了两个不同的G值，相对差别约为
0.0045%。 《自然》杂志评论称，通过两种方法测出的G值的相对误差达到了迄今最小。
目前，全世界很多实验小组都在测量G值，国际科技数据委员会2014年最新收录的14个G值中，最大值和最小值的相对差别约在
0.05%。 尽管数值的差距在缩小，但真值仍是未知。 “不同小组使用相同或者不同的方法测量的G值在误差范围内不吻合，学界对于这种现象还没有确切的结论。”罗俊说。 科学家推测，之所以测出不同的结果，一种概率较大的可能是，实验中可能存在尚未发现或未被正确评估的系统误差，导致测量结果出现较大的偏离，另一种概率较低但不能排除的可能是，存在某种新物理机制导致了目前G值的分布。
罗俊告诉记者，要解决目前G值测量的问题，需要进一步研究国际上测G实验中各种可能的影响因素，也需要国际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，人类才能给出一个万有引力常数G的明确的真值。”罗俊说。
牛顿万有引力定律
精选的牛顿万有引力定律
牛顿万有引力定律
题目： 关于牛顿万有引力定律是否有误的争论原标题t《万有g J力定律受到围攻》作者；汤姆·沃特斯来源l美《发现》月刊 日期：1989年4月号内容提要；有些研究人员说爱因斯坦修正过的牛顿引力定律应当再修正，有人认为，除了引力，电磁力，强核力和弱核力之外还有“第5种力 和“第6种力”。现在计龛Ⅱ做几十项实验来探讨各种力的关系。要有什么证据你才能相信牛顿的万有引力定律是错误的?
这是近来许多物理学家相互提出的问题。牛顿这个定律解释了为什么行星能保持在轨道上运行和为什么树上的苹果会掉到地上。但是这个定律受到了攻击。有些研究人员说爱因斯坦修正过的牛顿引力定律还应当再修正；还有人说除了；i力 (或译重力)和我们已经知道的另外三种力以外，还
得再加上“第五种力”和“第六种力”。另外三种力是：电磁力、强核力和弱核力。不管你把这些现象叫什么，重要之点在于最近的引力测量结果已使某些物理学家相信存在着牛顿和爱因斯坦当年连做梦都没有想到过的某种现象。但是去年年底，一些研究人员做了迄今最引人注目的实验之一：他们在格陵兰冰盖上一个钻孔深部做了引力测量，结果他们不得不改变过
去所坚持的下述看法：牛顿定律即将被否定了。这些研究人员在美国地球物理学联合会的一次会议上承认，他鲁]在实验中取得的数据用牛顿的物理学是可以解释得通的。牛顿的万有引力定律规定：两个物体问的引力大小跟它们的质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比。这实际上是两个单独的定律，但是最近都受到人们的怀疑。一些实验室的实验结果似乎表明两／卜
物体问的引力既取决于它们的质量，也取决于它们的构成成分。如果真是这样，这将是夸人振奋的消息，因为举例来说，这意味着不同的物质落到地上的速度会略有不同。然而另外一些实验却未能发现物体的组成成分会产生同样的作用。世界经济科技 1989年5月36日 53但是有的实验检验了牛顿定律的另一部分，即平方反比定律，得出的结果始终是夸人伤脑筋的。所有的实验都是根据同一原理进行的。当
你离开地面向上或向下移动时，引力的大小会改变。如罘向上移动，引力会减弱，固为这样同地球质量核心的距离增加了；反过来，如果在一个矿井里向下移动，引力就会增加。在任何实验 ， l力的变化都是镀乎其微的；不过使用今天的灵钦仪器可以测量出这些微小的变化，然后再用得出的数字和根据牛顿定律预测的数字相比。迄今为止，可以认为一些实验的结果表明引力的变化和根据牛顿定
律预测的数字并不完全一样。初步的结果是来自澳大利亚的一个竖井。昆士兰大学的弗兰克·斯泰西和他的同事们从1981年起就在这个竖井里测量 【力。当他们使物体沿竖井任下移动对，他们发现引力增加的数量并不如应当增加的那样大。这可能表明增加的引力有一部分被竖井周围岩石产生的很小的推斥力抵消了。引力的作用范围是无限的，而这个第
五种力(如罘有的话)则只在很短的距离内起作用，大约为100码到数十英里。 ～最近一些研究人员爬上北卡罗来纳的一座2000英尺高的电视发射塔，发现引力减少的速度比应有的速度要快。这些研究人员认为在塔基附近有一种在很短距离内起作用的吸 ：力，即第六种力，它可能补充了引力(抵消了第五种推斥力)。如果这种只在短距离内起作用的补充力
不能延伸到塔顶那样远的距离，辨么引力随物体向塔顶移动而下降的速度看来L匕根据平方反比规律所预测的造度要快。由于取得了这些结果，^ 1成立了一个“昆士兰引力小组”，这是由誊种科学家组成的，其中书地球物理学宗、理论物理学家和钴井专家， 他们已开始对引力进行迄夸最精确的测量。他们选定的地点是另外一些研究人员在格陵兰冰盖上早巳钴好 一座竖井。这个小组把一个非常
精确的重差计(基本上是装在弹簧上的一个质量)放在这个钻井中，逐步下放到地面以下大约1英里的深度，记录在各个不同深度的引力的大小。然后把记录的结果同根握牛顿定律预测的数字进行比较。这些研究人员还得计算出钻井周围附近和远处的一切质量使引力增加的数量。格陵兰试验小组成员、洛斯阿拉莫斯匡立实验所的理论物理学家迈克尔．
尼托说： “在这项实验中我 1所耍做的是在钻井中测量引力的大小，扣54 1989年5月30日 世界经济科技除己知的牛顿定律的效应，看看是否还会剩下什么。”在进行这种计算时，最难解决的问题是说明附近可能对重差计起牵引作用的质量(就象山脉能使钟摆偏转那样)集中的程度。在这方面，．冰比竖井周围的岩石要优越：冰的密度比较均匀，因此使引力增加的数
量很容易估算出来。另一方面，这个小组对于冰盖下面的岩石类型只有粗略的了解。事实证明他们的知识的这种欠缺最后使他们无法从这些结果得出什、么轰动的结论。在预先计算时，这些研究人员认定竖井井底的地心引力．要比冰盖表面的引力大百分之0．341。但是他们用极其灵敏的仪器测量的结果表明，实际上要大百分之0．345，这个数字比根据牛顿定律应当得出
的数字略微大一些。和在北卡罗来纳得到的结果一样，这表明有一种吸引力对地心引力起着补充作用。困、此当小组的领导人马克·安德尔(洛斯阿拉莫斯国立实验所的一位地球物理学家)在去年8月的一次会议上报告这些结果时，当时发表的新闻公报说，所报告的这些数据表明“有一种显然是新发现的自然力”。但是格陵兰实验小组继续为他们的测量数据寻找不那么根本性的
解释。去年暮秋，斯克里普斯海洋学研究所的地球物理学家罗伯特·帕克发现了一个与牛顿定律吻合的模型。这个模型要求钻井下面必须有密集的火山岩侵入，这种岩石能使重差计上出现额外的向下牵、引力。因此帕克说： “裁个人认为过去的宣布(指宣布发现第五种和第六种自然力)是不成熟的。并没-有真正的证据证明除了牛顿定律所说的力之外还
存在其他的力。”然而他的有些同事仍然认为牛顿定律可能需要修改。他们认为帕克的格陵兰实验小组找到的模型从地质学上说是不合理的。尼托说： 你告诉他任何数据，他都能用牛顿的物理学来模拟。”对帕克来说，这意味着牛顿的学说仍然完整无损；但是 托却认为这位伟人至少是被砍伤了。尼托说，解释上的不同反映了研究人员的不同背景。他说： “粒 物理学家和地球物理学家对这种现象的看法不
同。粒子物理学家的全部存在的理由就是要怀疑和提『司。他是反对崇拜偶象的。但是一／卜地球物理学家是要了解这个叫做地球的复杂物体，他需要有象牛顿定律这样的工具来解释地球。”地球物理学家帕克的说法略有不同。他说： “问题在于你最相信什么。”世界经济科技 1989年5月30日 55现在，象尼托和他在洛斯阿拉莫斯国立实验所的同事理查德·休斯
所最相信的不是牛顿在17世纪写下的一条定律。他们追求的是20世纪物理学的伟大目标：对引力和另外三种已知的力作出统一的说明。爱因斯坦的广义相对论把引力描绘成下述事实的结果：巨大的物体能使它们周围的空间弯曲。与此适成对照的是，他对另外三种自然力的描绘都是从量子力学的角度出发的，认为它们是传输力的粒子交换的结果。
弓l力是与众不同的，尼托、休斯等人都在寻找把 j力“量子化”的方法。休斯说，结果证明“在关于 l力的量子理论中，违背牛顿定律是可以允许的。事实上，这种情况也是需要的”。这些理论都预示出引力应当有一些人们还未认识到的组成成分，或者也可以说应当有第五种自然力，也许还有第六种力伴随着引力。”但是没有人会相信这些理论家的话。 ／卜问题只能通过进一步实验
解决。格陵兰实验小组的成员们现在正在太平洋里做进一步的试验。这一次他们是沿两／卜水平面测量引力，一／卜是在太平洋洋面，另一个是在洋底，而不是沿垂直线来测量。如果这次分散范围广泛的jj10量发现引力有异常情况，那么要让帕克这样每人扫兴的人拿出一／卜能解释这一切现象的地质模型，那就更要困难得多了。然而即使能做到这一点，那也解决不了这个问题。没有一个实验能
使大多数物理学家相信牛顿在300年前发现的定律是错误的；正是由于这／卜原因，现在已经开始进行另外几项实验，而且计划还要做几十项实验。安德尔说： “要让每／卜人都信服，还得进行整整一系列有控制的实验和取得大量数据。”(朱俊庭译)分类t 编号 经科参资
牛顿万有引力定律
牛顿万有引力定律
牛顿万有引力定律
牛顿万有引力：为解牛顿未解之谜中国科学家测最精确万有引力常数
想知道牛顿万有引力：为解牛顿未解之谜中国科学家测最精确万有引力常数
团队成员薛超及同事在研磨球体华中科技大学供图 来源：中国科学报 1687年，牛顿发现了万有引力定律。 有人说这个发现得益于一颗砸到牛顿脑袋上的苹果，也有人说这种说法纯属虚构，但无论如何，牛顿成功地让世界各地的中学课本里多了一个描述万有引力的公式：F=G（mm）/r，其中G是万有引力常数。
万有引力定律认为，大到宇宙天体，小到看不见的粒子，任何物体之间都像苹果和地球之间一样，具有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，与它们之间距离的平方成反比。 定律虽好，要想派上实际用场，还得知道G的值。然而，这个值到底是多少，连牛顿本人都不清楚。 300多年来，不少科学家在努力测量G值并让它更精确。
就在8月30日凌晨，《自然》杂志发表了中国科学家测量万有引力常数的研究，测出了截至目前最精确的G值。卡文迪许的尝试 G值不明确，万有引力定律就算不上完美。 但是，地球上一般物体的质量太小，引力几乎为零，而宇宙里的天体又太大，难以评估其质量。 于是，在万有引力定律提出后的100多年里，G值一直是个未解之谜。
1798年，一位名叫卡文迪许的英国科学家，为了测量地球的密度，设计出一个巧妙的扭秤实验。 他制作了一个轻便而结实的T形框架，并把这个框架倒挂在一根细丝上。如果在T形架的两端施加两个大小相等、方向相反的力，细丝就会扭转一个角度。 根据T形架扭转的角度，就能测出受力的大小。 接着，卡文迪许在T形架的两端各固定一个小球，再在每个小球的附近各放一个大球。
为了测定微小的扭转角度，他还在T形架上装了一面小镜子，用一束光射向镜子，经镜子反射后的光射向远处的刻度尺，当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时，刻度尺上的光斑会发生较大的移动。 这样，万有引力的微小作用效果就被放大了。 根据这个实验，后人推算出了历史上第一个万有引力常数G值——
6.67×10-11N·m2/kg2。十年十年又十年
卡文迪许测出了常数值，但科学家们并不满足。 在他们看来，万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数，而G值的测量精度却是所有基本常数中最差的。 而G值的精度在天体物理、地球物理、计量学等领域有着重要意义。 例如，要想精确回答地球等天体有多重，就要依赖于G值；在自然单位制中，普朗克单位定义式的精度同样受G值测量精度的限制。
怎么让这个数值更精确，是卡文迪许之后的科学家们努力的方向。利用现代技术完善扭秤实验，则是他们提升测量精度的办法。 就在牛顿万有引力定律提出后的300年，中国科学家罗俊及其团队加入了这支寻找引力常数的队伍，此后他们几乎每十年会更新一次引力常数的测量精度。 上世纪八十年代，华中科技大学罗俊团队开始用扭秤技术精确测量G值。
十年后的1999年，他们得到了第一个G值，并被国际科学技术数据委员会（CODATA）录用。 又十年后，2009年，他们发表了新的结果，成为当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值，并且又一次被CODATA收录。 如今，经过又一个十年的沉淀，罗俊团队再次更新了G值。 “30多年的时间里，我们不断地对完全自制的扭秤系统进行改良和优化设计。”罗俊告诉《中国科学报》记者。
在精密测量领域，细节决定成败。光是为了得到一个实验球体，团队成员就手工研磨了近半年时间，最后让这个球的圆度好于
0.3微米。 不仅如此，论文通讯作者之
一、华中科技大学引力中心教授杨山清告诉记者，实现相关装置设计及诸多技术细节均需团队成员自己摸索、自主研制，在此过程中，他们研发出一批高精端仪器设备，其中很多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。
《自然》杂志发表评论文章称，这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。G的真值仍是未知 为了增加测量结果的可靠性，实验团队同时使用了两种独立方法——扭秤周期法、扭秤角加速度反馈法，测出了两个不同的G值，相对差别约为
0.0045%。 《自然》杂志评论称，通过两种方法测出的G值的相对误差达到了迄今最小。
目前，全世界很多实验小组都在测量G值，国际科技数据委员会2014年最新收录的14个G值中，最大值和最小值的相对差别约在
0.05%。 尽管数值的差距在缩小，但真值仍是未知。 “不同小组使用相同或者不同的方法测量的G值在误差范围内不吻合，学界对于这种现象还没有确切的结论。”罗俊说。 科学家推测，之所以测出不同的结果，一种概率较大的可能是，实验中可能存在尚未发现或未被正确评估的系统误差，导致测量结果出现较大的偏离，另一种概率较低但不能排除的可能是，存在某种新物理机制导致了目前G值的分布。
罗俊告诉记者，要解决目前G值测量的问题，需要进一步研究国际上测G实验中各种可能的影响因素，也需要国际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，人类才能给出一个万有引力常数G的明确的真值。”罗俊说。
