引力恒量——一个至今仍在继续的话题

纽约大学石溪分校哲学系的教授罗伯特·克里斯和国家实验室的历史学家布鲁克海文在2002年对美国物理学家进行了一项调查，要求他们提名历史上最美丽的科学实验。9月出版的《物理世界》公布了前10名中最美丽的实验，其中大部分都是我们熟悉的经典作品。1798年，英国科学家卡文迪什的扭秤实验名列第六，因为实验中测得的常数太小，使用的仪器又太简单，至今仍值得称道，使人们不得不回忆起重力常数测量的发展过程。

一，早期工作和方法的确定

1687年，牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》中发表了万有引力定律。万有引力定律是物理学中最常见的定律之一。它不仅在天体力学方面取得了辉煌的成就，而且它的应用也远远超出了天体力学的范围。牛顿曾设想过两种测量常数的方法:一种是直接测量两个物体之间的引力，然后用公式确定常数的值；另一种方法是利用摆在山附近的偏转角来测量常数。由于当时的条件，牛顿无法将这两个想法付诸实践。后来，他错误地认为，由于重力极小，无论用哪种方法，都无法确定。没有必要测量常量。然而，这并不影响物理学家对确定这个常数的浓厚兴趣。万有引力定律在天文观测中的应用证明了它的正确性，这使许多物理学家相信用实验方法确定常数是可能的。早期测定方法如下。

铅垂线偏差法——如上所述，这种方法是由牛顿首先提出的，使用这种方法的第一人是法国数学家布格列斯。大约在1750年，他在南美洲厄瓜多尔的钦博拉索山(6253米高)的铅垂线上测量了重力的偏角，结果不是很好。应该指出的是，布格列斯的实验是在极其恶劣的气候下进行的，这种实验方法的最大缺点是它不能精确地测量山的密度分布(或山的质量)。继布格勒斯之后，英国天文学家马斯基林于1774年在哈里山、1856年在苏格兰的詹姆斯和克拉克以及1887年在夏威夷的普雷斯顿用这种方法测量了重力常数。

比较摆锤的周期法——这种方法的原理是观察放置在山顶和地面上的摆锤的振动周期(或位于矿井出口和底部的摆锤的振动周期)，并通过从周期比获得加速度比来获得常数。1824年，意大利科学家卡尔利尼将他在西尼山(位于意大利西北部，3170米高)观察到的钟摆振荡周期与法国科学家毕奥在博尔德使用同一钟摆获得的周期进行了比较，并找到了常数。后来，门登霍尔于1880年在日本东京的富士山和1892年在夏威夷岛上的普雷斯顿使用了这种方法。1856年，英国科学家伊莱也在煤矿井的出口和底部进行了这项实验，并测量了恒定值。后来，澳大利亚科学家斯坦纳改进了1882年至1883年间的常数值，以获得更精确的数值。因为这种方法的精确度不够高，后来没有人使用它。

平衡测定法——平衡测定法是由德国物理学家焦力提出的。焦毅在1878年用所谓的“焦立衡”证明了同样的质量在不同的高度有不同的重量。换句话说，重力随着高度的增加而降低。1881年，焦立用这种天平测量了地球的平均密度，从而获得了一个恒定值。这种方法有两个优点:第一，所用的工具，天平，本身就是一种非常灵敏的仪器；第二，用于比较的物体的质量可以被精确地测量，不像上面的两种方法，其中太阳的质量完全依赖于估计。因此，该方法的精度非常高。1884年，德国科学家柯尼希和理查兹也设计了一个类似的实验，由理查兹和克里加·梅切尔在1898年进行。该方法的准确度很高，理查兹和克里加·门舍尔的实验技术特别好，因此他们的结果是目前最准确的值之一。此外，英国物理学家坡印廷在1891年也改进了焦利的方法，得到了更精确的数值。

扭转平衡测量法——当然，扭转平衡测量法是测量重力常数最常用和最精确的方法。现在我们知道这种方法首先被英国科学家卡文迪许采用。事实上，这个著名的实验是由他的朋友米克尔设计的。米克尔在1750年发表了扭转平衡原理，指出扭转平衡具有更高的灵敏度，并建议用扭转平衡来测量磁铁的吸引力和排斥力。然而，直到1777年库仑被用来测量磁和电的吸引力和排斥力，科学家们才注意到扭转平衡的重要性。当时，米哈伊尔在仪器完成后，没有任何机会使用它就去世了。后来，卡文迪许在1797年至1798年间重建了该仪器，并用它做了许多实验。毫无疑问，卡文迪许的实验结果被认为是当时最准确的。这些价值观花了100年才得以改善。

1838年，德国科学家赖克重复了卡文迪什的实验。他的实验和卡文迪什的主要区别在于，他使用镜子尺法来测量偏转角。从1841年到1842年，英国科学家贝利再次用卡文迪许的方法做了许多实验。他用2000个由不同材料(包括陨石)制成的球粒做了实验，结果只证明了重力常数与所用材料的性质无关。后来，法国科学家科尼利厄斯和贝丽在1873年首次注意到，应该改变仪器的刻度，以减少各种干扰。1894年，牛津大学教授博斯大大改进了卡文迪什的实验装置。他首先用水晶线作为扭秤的悬线，然后采用缩小扭秤横梁和改变球的放置位置等方法。这使得他的测量结果成为现在考虑的最精确的值之一。这种方法的改进并没有停止。澳大利亚科学家布劳恩不仅在1896年缩小了扭秤的规模，还把它放在真空中。匈牙利科学家爱德华兹也在1896年做了与布朗相同的实验。1902年，法国科学家勃艮第巧妙地将被吸引的球漂浮在水银池上，使水晶线能够承受更大的重量而不断裂，大大提高了实验的准确性。

二。近百年来的研究与展望

随着科学技术的发展，国际交流日益广泛和深入。常数测量的精度得到了提高，测量方法得到了进一步改进。然而，常数测量达到的数量级是现有物理常数中最差的。自1798年卡文迪什采用扭转平衡实验以来，由于重力的微弱和无屏蔽以及测量仪器加工和测量水平的限制，常数的研究已有200多年没有完成。此外，在20世纪初，一些学者怀疑万有引力常数是常数。在英国物理学家狄拉克1937年提出的“大数假说”中，e^2/GMpMe比率随着宇宙年龄的增长而增加。他假设电子电荷、质量和质子质量(e、me和Mp)是常数，这不可避免地导致常数(g)值随时间而减小。对于常数值的下降，有人从马赫原理中找到了依据，并认为下降速率与观测到的宇宙膨胀速率有关。

自20世纪70年代以来，一些物理学家对理论和实践中的常数提出了挑战。1971年，日本东京大学教授藤本耀一试图通过理论计算将基本粒子物理学与万有引力联系起来。他的研究得出了一个意想不到的结论:引力常数的大小与两个物体之间的距离有关。1976年，美国东华盛顿大学的丹尼尔声称，根据实验室实验，万有引力定律在短距离内是错误的。1981年7月，澳大利亚昆士兰大学的史黛西和塔克在实验室进行了一系列实验。他们还声称，实验结果证明万有引力定律在近距离是无效的，在物理学中引起强烈的振动。此外，常数值随着时间而减小，这与大爆炸理论相一致。它还可以解释月球运动中一些不可理解的加速度、星系和类星体的一般红移、奥尔勃斯佯谬、反常红移等。

随着空间技术的发展，人们将目光转向空间，寻找空间测量方法。1992年，美国的桑德斯和迪茨提出了卫星能量交换方法。通过在几乎相同的地球轨道上测量两颗卫星之间的重力，利用轨道摄动理论获得了常数值。他们认为，卫星能量交换方法可以将常数值的测量提高到更精确的水平。然而，这种方法仍面临许多技术困难，仍在探索中。

这些研究没有最终的结论，这反映出自然界中仍然存在一些未知的规律。它促使科学家继续完善引力理论，同时也促进了测量技术和实验条件的进步。因此，物理学仍有广阔的未知领域需要探索。随着对引力常数的深入研究，物理学可能会经历一场革命。在这个过程中，它的测量将继续在探索物质世界中发挥重要和感人的作用。