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蔡司三坐标的各种测量实验
发布日期:2021-09-17 16:07:42

   自牛顿在三百多年前首次确定了质量与引力之间的关系以来,科学家们一直致力于了解引力的力量。但是,万有引力常数G虽是人类最早认识的物理学基本常数,但亦是至今测量难度最大的常数,同时鉴于其应用国家最高水准的材料、机械、测量及控制技术,备受各国科学家的关注。

  ■ 精密扭秤

  国际计量局(BIPM)在实验中使用一种精密扭秤测量G,此方法最早由英国科学家亨利·卡文迪许(Henry Cavendish)于1798年首次测量使用。

  此装置用以测量较小质量物体之间的引力,通常采用金属球体或圆柱体,实验中需测量金属悬丝或金属条的偏转或力矩等参数。

  BIPM所使用的精密扭秤比卡文迪许原先使用的扭秤要复杂得多,其配置8个特殊合金圆柱体质量块,其中4个位于圆形转盘上,另外4个质量稍小的圆柱体位于转盘内的圆盘上,此圆盘通过一根2.5 mm宽、160 mm长、厚度相当于人类头发丝的铜铍金属丝悬挂于天平顶部。

  此过程需将质量块固定于转盘外部,使其与转盘内部的质量块保持均衡,以达到平衡状态。当转盘外部的质量块转向一个新的方向时,转盘内部的质量块将感知一个微弱外力。

  该引力将导致内部质量块往外部质量块方向行进,使金属悬丝发生扭转,鉴于质量块之间的引力垂直于地球的重力,实验中地球的重力不会影响测量值。

  由于将金属悬丝偏转一定角度所需力的大小为已知。因此,基于激光及金属悬丝顶部的镜子,科学家可测量内部质量块向固定的外部质量块行进的物理距离,从而计算它们之间的万有引力。

  上图为大G测量的各项实验结果比对,其中垂直黑线表征G的最近推荐值,灰色区域表征误差区间

  因此,如何进一步提高实验精度,寻找未知的系统误差,以及寻找新途径是测量万有引力常数G的发展趋势,两年前,BIPM科学家和世界上其他致力于测量大G的科学界领军人物齐聚一堂,决定这些测试实验重新用同一组设备、不同实验场所及不同的科研团队进行。