隱祕的萬有引力常數

引言

“與卡文迪許交談,千萬不要看他,而要把頭仰起,兩眼望著天,就像對空氣談話一樣”。

——卡文迪許的朋友,化學家武拉斯頓

馬林斯基家族的祖師爺

牛頓的著作《哲學的數學原理》取得的巨大的成功,一時間“英國紙貴”。萬有引力定律是牛頓經典物理的核心觀點也是最具變革性的觀點。萬有引力告訴人們天上的星星與地面的石頭遵守著相同的規律。萬有引力的一個預言就是:已知地面的重力加速度和地球半徑,如果在知道萬有引力常數的話就可以求出地球的質量。想象就是一個偉大的結論,當我們談到地球時只能用大,很大,重,非常重這些詞來形容,有了萬有引力定律人們居然可以憑藉智慧獲得人類家園的一些基本的參數,終於對地球有個基本認識。

人們最容易想到的通過測量兩個物體之間的吸引力來反向計算出萬有引力常數G。英國皇家學會馬林斯基想到利用一座形狀規則的山體並在周圍架設一個重物,由於兩者之間萬有引力的存在重物會稍微偏向大山一側,如果測出重物與鉛垂線之間的夾角就可以反算出出萬有引力常數。


隱秘的萬有引力常數

這裡的馬林斯基是二戰著名戰場魔術師賈斯帕·馬斯基林的爺爺的爺爺的爸爸。作為馬林斯基的創始人,他參與了金星凌日的觀測試圖計算金星的距離,發明了通過觀察月球來測定地球經度的方法,改進了計時工具將時間的精度第一次精確到0.1秒,當然還開創了馬林斯基家族。儘管馬林斯基獲得了英國皇家學會的支持也組織了龐大的測量隊伍,但是測量的結果並不理想。因為人們無法精確知道大山的密度,牛頓告訴人們可以通過體積乘上密度獲得物體的質量但卻沒有給出密度的獲得方法,因此馬林斯基們只能得到一個大致的結果:5000萬億噸,與現在公認的約59萬億億噸相差甚遠。

卡文迪許實驗室的祖師爺

卡文迪許通過扭秤實驗測量萬有引力常數可謂眾人皆知,但扭卻並不是卡文迪許發明的。科學家約翰米歇爾沒有卡文迪許的富足和年輕有為,卻創造性的設計了可以用來測量萬有引力常數的扭稱系統。不過他卻沒有能夠完成實驗,臨終前把自己精心設計的實驗裝置送給了卡文迪許。卡文迪許繼承了大筆遺產,但對金錢卻沒有概念。性格孤僻,終身未娶,喜歡獨自沉思,唯一的愛好就是日夜沉浸在實驗室。就算偶爾參加聚會,悄悄地走來,默默找個角落坐下。從來沒有人輕易他打招呼,因為他會滿臉通紅不知所措。卡文迪許本身足夠寫上好幾篇文章了,後面會慢慢寫給大家。


隱秘的萬有引力常數

卡文迪許將米歇爾的實驗儀器進行了仔細改裝,儘可能地提高實驗的精度。扭稱的主要求兩個大約635千克重的鉛球組成,旋在兩個其他球體兩側。卡文迪許為了減少干擾提高觀察精度,他躲到另外一間房子裡通過望遠鏡觀察轉軸偏轉的角度。最終卡文迪許6.754×10-11N·m/kg,與現在公認的結果相差1%左右。

卡文迪許實驗室並不是卡文迪許建立,而是由劍橋大學校長髮起電磁學之父麥克斯韋負責籌建。卡文迪許實驗室一共產生了29位諾貝爾獎獲得者。

中國的貢獻

萬有引力是四種基本力中最弱的一種,在宏觀物體之間萬有引力較大。由於測定物體重量的限制實驗室中萬有引力會太小而造成測量困難。而且引力無法屏蔽,因此引力常數是最難以確定的物理常數之一。

2018年8月30日,國際頂級學術期刊《Nature》刊發了華中科大羅俊院士團隊的最新成果,此次羅俊團隊採用兩種不同方法測萬有引力常數——扭秤週期法和扭秤角加速度反饋法進行G值的精確測量精度達到當時國際最好水平。


隱秘的萬有引力常數

中學時翻開物理書裡面各種各樣外國人的名字,外國人的公式,心中多少有些疑惑和悲傷,真的希望牛頓真的姓牛,安培真的姓安。希望我們國家的基礎科學越來越好。


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