抓住万有引力的G点

《科学世界》第六期特别策划的“重力，未解之谜”介绍了许多关于重力的知识。你还记得牛顿万有引力定律吗？两个物体之间的重力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比，然后乘以常数g，称为“重力常数”。然而，这个常数的值一直有争议。《科学世界》第六期特别策划的“重力，未解之谜”介绍了许多关于重力的知识。你还记得牛顿万有引力定律吗？两个物体之间的重力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比，然后乘以常数g，称为“重力常数”。然而，这个常数的值一直有争议。

牛顿万有引力定律公式。

最新的突破

2014年6月18日，《自然》杂志发表了一篇论文，称科学家利用量子力学获得了非常精确的万有引力常数。虽然这个实验还需要改进，但是科学家们相信这个方法的精确度将来会超过传统的方法，并且有希望获得最精确的万有引力常数。

研究人员测量了铷原子和516千克钨圆柱阵列之间的极小重力。结果的不确定度为0.015%，仅比传统方法稍大一点。

传统方法:卡文迪什扭转平衡实验

测量万有引力常数的传统方法是英国物理学家亨利·卡文迪什发明的扭转平衡实验。

1798年，为了测量地球的质量，卡文迪许设计了著名的“卡文迪许扭转天平实验”，并计算了重力值:两个大铅球固定在地面上，两个小铅球悬挂在天平上。大人物和小人物在重力的作用下靠得很近。然而，因为大人物被固定在地上不能移动，小人物接近大人物。结果，悬挂天平的悬挂金属丝以一定的角度扭曲。将悬索恢复到其原始角度所需的力等于万有引力的大小。(摘自《科学世界》第6期“特别计划”:重力，未解之谜)

卡文迪什扭转平衡实验。照片/牛顿-科学世界

从那以后，几乎所有的重力测量都是用卡文迪什扭转平衡实验完成的。其中有许多非常准确的结果——但它们没有得到学术界的认可。因为扭力天平是一个复杂的系统，很难找出所有可能的误差。

在现代，共进行了300多次扭转平衡实验，获得了300多个不同的G值。更奇怪的是，近年来，这些差异不但没有减少，反而增加了。

该论文的合著者、意大利佛罗伦萨大学的古列尔莫·蒂诺说:“科学家不明白这些错误是从哪里来的。但是，我们的实验不同于扭转平衡实验，所以扭转实验没有误差。”

蒂诺的团队使用了原子干涉仪。原子会因其挥发性而干涉，这正是原子干涉仪的用途。2007年，斯坦福大学的马克·卡塞维奇领导的一个研究小组首次证明了这种干涉仪可以用来测量万有引力常数。Kasevich认为Tino的团队用干涉仪测量g值的准确度“提高了10倍以上”。

这种新方法测得的G值低于传统方法测得的G值。

冷却法

这是什么样的方法？

蒂诺的团队首先将铷原子冷却到接近绝对零度(绝对零度是-273.15℃)。在这种温度下，原子几乎不能移动。冷却的原子被向上发射到真空管中。冷却的铷原子云受到激光束脉冲的照射，激发原子在万有引力的作用下像喷泉一样起伏。激光束脉冲将每个原子的“物质波”(即德布罗意波)分成两种能态，每种能态都有不同的速度，在回落之前可以分别上升到不同的高度——60厘米和90厘米。上升得更高的物质波离钨圆柱体更远，因此可以检测到重力的微小差异。由于这种差异，当两个物质波复合时，会产生一个干涉图样，反映出钨圆柱体对铷原子的万有引力。

科学家使用两个原子干涉仪来抵消地球引力、月球和太阳潮汐力的影响。由于铷原子和钨圆柱体的质量和距离可以精确测量，研究人员可以根据原子云的加速度计算出G值。

“在扭矩实验中，一些未知的原因导致测量结果不一致。牛顿万有引力定律也可能无法在实验室尺度上准确描述物体之间的相互作用。”国家标准和技术研究所的物理学家彼得·莫尔说。"这种新方法独立于其他方法，允许物理学家重新定义万有引力定律的工作原理。"

最新的G值是多少？

第六期《科学世界》特别策划的“重力，未解之谜”中g值为6.67384× 10-11 (n m 2/kg 2)。这是基于2010年科学和技术数据委员会的建议值。

最新的G值是多少？

Tino团队计算的最新重力值=(6.67191 0.00099)×10-11(n . m 2/kg 2)。

一些科学家认为这一发现有助于探索一些神秘的领域。一些理论认为除了四维时空之外还有其他维度，这将扭曲四维时空中的引力场。有些人甚至将卡文迪什扭转平衡实验的不同结果归因于其他维度的影响。只有这种扭曲的程度非常小，难以测量。也许在未来，这种冷原子喷泉的方法可以用来寻找高维宇宙。

关于万有引力的更多信息，请阅读《科学世界第六号:引力，一个未解之谜》中的“特别计划”。

编译自:

2014年6月18日，荣恩·考文在《自然》杂志上发表了一篇文章:量子方法接近引力常数:冷铷原子

2014年6月18日，蒂亚·戈塞在《生活科学》上发表了一篇文章:“大G”:科学家们确定了难以捉摸的引力常数