最難測(cè)量的一個(gè)基本常量 _測(cè)量

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眾所周知，無(wú)論是蘋果下落，還是地球繞著太陽(yáng)運(yùn)行，都是由引力所支配的。引力常量G決定了引力的強(qiáng)度，它是艾薩克·牛頓300多年前首次提出的萬(wàn)有引力定律的一部分。
這個(gè)常量無(wú)法從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出來(lái)，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)來(lái)確定G的數(shù)值，但是科學(xué)界對(duì)目前的數(shù)字并不“滿意” 。因?yàn)榕c所有其他基本常量的數(shù)值（比如真空中的光速）相比，它仍然不夠精確。
引力極難量化的一個(gè)原因是，它實(shí)際上是一種非常弱的力，也不能被單獨(dú)分離：當(dāng)你測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體之間的引力時(shí)，一定也會(huì)測(cè)量世界上所有其他物體的影響。解決這種情況的唯一選擇是用盡可能多的不同方法測(cè)量引力常量。
在一項(xiàng)新研究中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院尤格·迪阿爾（Jürg Dual）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，使用一種新的測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)重新確定引力常量G，盡管這個(gè)數(shù)值仍有很大程度的不確定性，但這種新方法為測(cè)試自然界最基本的定律之一提供了巨大的潛力。論文已于近日發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上。

古堡中的新實(shí)驗(yàn)
迪阿爾從1991年起便開始研究測(cè)量引力常量的方法，但他的研究曾一度被擱置。直到2015年，LIGO首次成功捕捉到了引力波，這一里程碑式的科學(xué)進(jìn)展給他帶來(lái)了新的研究動(dòng)力。于是迪阿爾教授在2018年規(guī)劃重啟關(guān)于引力常量的研究。
2019年，他組建團(tuán)隊(duì)開始新的實(shí)驗(yàn) 。為了盡可能地排除干擾源，他們選擇在位于瑞士普費(fèi)弗斯附近曾是弗格斯堡壘（Festung Furggels）的地方設(shè)置了他們的測(cè)量裝置。
研究人員從蘇黎世遠(yuǎn)程運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，這最大限度地減少了現(xiàn)場(chǎng)人員的干擾，同時(shí)團(tuán)隊(duì)也可以隨時(shí)查看實(shí)時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù) 。

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實(shí)驗(yàn)裝置照片。（圖／Jürg Dual, IMES, ETH Zurich）

實(shí)驗(yàn)的核心裝置主要由懸掛在真空室中的兩根橫梁組成。在研究人員設(shè)置振動(dòng)后，引力耦合會(huì)導(dǎo)致第二根橫梁也表現(xiàn)出極微小的運(yùn)動(dòng)，大約在皮米范圍內(nèi)，也就是一萬(wàn)億分之一米。
使用激光設(shè)備，團(tuán)隊(duì)測(cè)量了這兩根橫梁的運(yùn)動(dòng)，對(duì)這種動(dòng)態(tài)效應(yīng)的測(cè)量就讓研究人員能夠推斷出引力常量的大小。

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實(shí)驗(yàn)示意圖。（圖／Brack, T. et al.）

這種新方法的優(yōu)勢(shì)在于，它通過(guò)移動(dòng)的橫梁動(dòng)態(tài)地測(cè)量引力。動(dòng)態(tài)測(cè)量與靜態(tài)測(cè)量不同，因?yàn)闊o(wú)法分離出其他物體的引力效應(yīng)這一點(diǎn)并不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。這就是為什么團(tuán)隊(duì)希望能夠利用這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助破解引力難題。
用這種方法得出的G值約為6.82×10?11m3kg?1s?2，比目前給出的官方數(shù)值高出了2.2% 。但研究人員同時(shí)承認(rèn)，新的數(shù)值受制于很大的不確定性。想要獲得一個(gè)更可靠的值，仍然需要極大地降低這種不確定性。
團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在用稍加改進(jìn)的裝置進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量，以便能以更大的精度確定G，目前也已經(jīng)取得了初步結(jié)果，但尚未發(fā)表。

洞悉宇宙的歷史
盡管如此，迪阿爾相信，新的實(shí)驗(yàn)方法絕對(duì)是一條“正確的路” 。
目前，引力仍然是最讓科學(xué)界“頭疼”的一種基本力。對(duì)引力的研究和理解不僅可以讓我們更好地解釋比如引力波這樣的信號(hào)，也將揭示出對(duì)宇宙及其歷史的大量新的見解。
迪阿爾將在今年7月底退休成為榮譽(yù)教授。他說(shuō)：“一項(xiàng)成功的實(shí)驗(yàn)是一種結(jié)束職業(yè)生涯的絕佳方式。”

【最難測(cè)量的一個(gè)基本常量】https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2022/07/eth-researchers-remeasure-gravitational-constant.html