引力常量的测量物理学史

科目：物理学史

题目：引力常量的测量姓名：**

年级：2012级

学号：**********

引力常量的测量

摘要：作为最基本的物理常量之一，万有引力常数G一直受到科学家们的关注。它是一个与理论物理、天体物理和地球物理等密切相关的物理学基本常数, 它的精确测量在引力实验乃至整个实验物理学中占据着特殊地位。因此，一直以来，科学家们对于更加精确测量G的研究从未停止过。但G值侧量的精度仍然是物理学常量侧量中最差的。其相对精度仅为10-4数量级。这是因为引力非常徽弱，而且G的精确测量不可避免地要用到有关质量、长度及时间等基本物理量的精确侧量。

关键词：引力常量；测量现状与困难

一、G的测量的历史和现状

德国天文学家开普勒根据丹麦天文学家第谷的大量的观测资料总结出行星运动三大定律, 描述了行星绕太阳运行的运动规律, 却没有指出行星沿椭圆轨道运动的原因。大约半个世纪以后,牛顿在此基础上提出了万有引力定律，其数

学表示为：

22

1 r m

Gm

F ，式中的比例系数

G 称为万有引力常数。但，此时的牛顿并不知道G的值是多少。为了直接测出两个物体之间的引力，牛顿精心设计了好几个实验，但一般物体之间的引力非常微小，在实验上根本测量不出来。后来牛顿不得不失望地表示，想利用引力来计算地球质量，将永远得不到结果。

牛顿去世后，有一些科学家仍然继续研究这个问题。

1750年，法国科学家布格尔千里迢迢来到了南美洲的厄瓜多尔。他爬上了陡峭的肯坡拉索山顶，沿着悬崖垂下一根长线，线的下端拴着一个铅球。他想先测量出垂线下的铅球受到山的引力而偏离的距离，再根据山的密度和体积算出山的质量，进而求出万有引力常量G来。可是，由于引力实在太小了，铅垂线偏离的距离几乎测量不出来，即使测出来也很不精确，布格尔的实验仍然没有成功。

万有引力定律发现一百多年后，英国人卡文迪许在当时的英国皇家协会会刊(哲学)上发表了题为“地球密度的实验确定”的著名文章。他在文章中介绍了如何使用Michell制作的扭秤研究实验室内两物体之间的万有引力, 并首次精确地给出地球的密度是水的密度的5.48倍这一结论, 后人由此给出该实验对应的G值为6.754×10-11。因此, 我们常说卡文迪许是历史上第一个“称量”了地球质量的人,他也因此成为历史上第一个测量万有引力常数G 的科学家。

自1798年Cavendish用扭秤做了第一个实验室引力实验以来,人们在G的精密测量领域付出了大量努力,但G的测量精度在现有物理学常量中仍然是最差的。

1998年,国际基本物理学常数委员会根据1986—1998年间国际上9个引力实验小组的实验结果推荐了新G值,G1998=(6.673±0.10)×10-11m3·k g-1·s-2。由于各小组的测量值在其误差范围内不能完全吻合,使得该委员会将G值的不确定度提高到了1.5×10-3,成为此次常数更新中唯一一个精度下降的常量。由于万有引力常量G 是所有物理学基本常量中测量精度最低的。因此, 1998年之后,各国实验物理学家都做了大量的实验,相继测出并报道了几个高精度的实验结果。

现在，公认的万有引力常量的值为

二、G的测量的方法

引力常量G的测量，大致可分为地球物理学方法测量、实验室内测量和空间测量三大类。

实验室内测量万有引力常数G的常用工具是精密扭秤和天平。常用的测量方法有:直接倾斜法、补偿法、共振法、周期法和自由落体法等。

在各种测G的实验方案中,通过测量吸引质量放置在不同位置时扭秤的周期来测量G值(即扭秤周期法)是用得较多且精度较高的方法之一。扭秤周期法是一种动态测量方法，利用了扭秤灵敏度高的优点，而且将一些较难测量的物理量(如几何量角位移 )转化为其他相对较为容易测量的物理量(如时间)，可以获得较高的测量精度。

原子干涉法测G新进展：

近年来出现的利用原子干涉测量G的方法,量精度也不高。最近美国物理学家JeffreyFixler找到了测量万有引力常量的新方法。他们是对原子干涉测量方法进行了改进，将两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540k G的铅锤,铅锤对两个重力仪中原子所受的重力影响不同。由于增加铅锤的引力,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，铅锤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量相对容易。该方法基于冷铯原子产生的电磁光谱，当原子产生的德布罗意波干涉图案在一个沉重的铅锤测试质量位移的影响下改变时，该变化能被用来确定G。

三、G的测量的困难

精确测量G 的困难在于：

1.引力及其微弱, 不可屏蔽。引力相互作用十分徽弱，它是自然界里存在的四种相互作用中最徽弱的一种。因此，为了克服电磁力、地面振动、微小气流扰动、温度变化等对实验的干扰，测量必须在一些采取特别措施、条件优越的实验室进行。

2.引力作用不可屏蔽。因此，除了实验设计的吸引质量以外，检验质量必然会受到其他质量(如实验仪器架、实验室附近一些静止的陈设等)的引力干扰。即使在十分偏僻安静的实验室，云层、雨雪等天气的变化，树木的生长等都会干扰测量结果。而且不能通过其他基本常数的精确测量间接给出。

3.机械测量是限制引力常量测量精度提高的另一个十分重要的原因。引力常量的测量只能根据牛顿万有引力定律，并不可避免地涉及到局限于一些机械装置的几何量测量。目前测G的实验精度，基本上代表着现有的机械加工与测量水平。

但是，科学家们并没有停止测量其精确值的步伐，他们仍努力克服重重困难，为了更加精确的G值而努力。相信，在无数科学家的不懈努力下，G值会越来越精确。

三、G的测量的意义

随着天体物理、地球物理以及航天技术的飞速进展，人们对各种天体(包括地球)质量的绝对数值日益感兴趣，引力常量的精确测量也就日益重要和迫切。另外，对G进行高精度的测量，有助于研究引力相互作用性质等方面的问题。近代许多不同于广义相对论的引力理论都在不同程度上预言了引力常量的非恒量性。自1937年狄拉克I71大数假说间题提出后，对引力、宇宙等大尺度结构物理等有关问题的研究。引起了广大物理学家的关注，在理论和实验方面都进行了许多有益的探讨工作。

高精度G值的测量依赖于巧妙的实验设计和先进的测试技术,同时它又促进和推动着精密测量实验技术的进步。

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2008年9月

3.方勤学，胡忠坤.引力常量的精确测量.[J]科学50卷第4期