引力常量的物理意义 引力常量


引力常量的物理意义  引力常量

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根据传说,伽利略在比萨斜塔上做的之一个实验表明,不论质量如何,所有物体会以相同的速度下落 。在没有(或忽略)空气阻力的情况下,任何两个物体在引力场中下落,都会以相同的速度加速到地面 。这后来被编成了一条准则,作为牛顿对引力问题研究的一部分 。
什么是G?以及重要性当我们之一次开始制定物理定律时,我们凭借以往的经验并通过严谨的实验,就像伽利略可能做过的比萨斜塔实验一样,把球从塔上扔下去,我们可以测量球落下的距离和落地的时间 。释放一个钟摆,我们可以找到钟摆的长度和摆动时间之间的关系 。这时我们就会发现在一定距离、长度和时间上会存在一种关系:坠落物体的距离与时间的平方成正比;钟摆的周期与钟摆长度的平方成正比 。
但是要把这些关系写成完美的数学公式,我就需要十分精确的测量出一个常量 。
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太阳系内部的行星轨道并不完全是圆形的,其中以水星和火星的轨道偏离和椭圆度更大 。在19世纪中期,科学家们开始注意到水星的运动偏离了牛顿引力的预测,这一微小的偏离只有在20世纪才被广义相对论所解释 。同样的万有引力定律和常数,描述了从地球到宇宙的所有尺度上的引力效应 。
在这些例子中,月亮围绕地球转,行星围绕太阳转,光线因引力透镜而弯曲,彗星从太阳系中逃逸时会损失能量,所有这些都与引力常数G相关 。在16世纪40年代和50年代,牛顿出现之前,意大利科学家弗朗切斯科·马尔迪和乔瓦尼·里奇奥利就首次计算了引力常数,这意味着G是有史以来之一个基本常数,甚至在奥勒·罗默于1676年测定光速之前 。
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当我们把宇宙中的任意两个质量物体放在一起时,它们会相互吸引 。根据牛顿定律,除了在自然界中最极端的质量(对于大质量)和距离(对于小距离)的条件下,吸引力与两个物体的质量(之间的距离)和重力常数有关 。几个世纪以来,我们已经将许多基本常数的测量精确到了十分惊人的程度 。看下下面两个重要的常数,你就能深刻的体会到什么叫精确 。光速c是众所周知的:299792458米/秒 。普朗克常数h控制量子的相互作用,其值为1.05457180 × 10^-34 J?s,不确定度为±0.000000013×10^-34 J?s 。
但G?这完全是另一回事 。
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无论使用牛顿还是爱因斯坦的引力公式,力的强度部分取决于重力常数的值,重力常数的值必须凭经验来测量,不能从任何其他量中导出 。
Q1、看起来十分精确的G值
在20世纪30年代,由科学家保罗·海勒测量G的值为6.67×10^-11 N/kg?m2,后经1940年改进为6.673×10^-11 N/kg?m2 。随着时间的推移,数值是越来越精确,不确定性从0.1%一直下降到20世纪90年代末的0.04% 。
在一份旧的粒子数据手册上,给出了一些物理学的基本常数,我们可以在里面找到一个看起来很不错的G值:6.67259 × 10^-11 N/kg ?m2,不确定度仅为0.00085 × 10^-11 N/kg ?m2 。这似乎G的值已经十分精确了 。
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基本常数的值,发表在粒子数据1998年的小册子中 。
Q2、但后来发生了一件有趣的事 。
在1998年晚些时候,同年进行的实验显示了一个与已知值不一致的高值:6.674×10^-11·N/kg·m2 。多个团队使用不同的 ***,得到的G值在0.15%的水平上相互冲突,是以前报告中不确定性的十倍以上 。
Q3、怎么会出这种事?
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由亨利·卡文迪许设计和发表的精确测量重力的原始实验,依赖于扭转平衡的原理
独立于其他未知因素(如太阳质量或地球质量)的重力常数测量是在18世纪末亨利·卡文迪许的实验中完成的 。卡文迪许开发了一个扭转平衡的实验,在实验中,一个微型杠铃被一根金属丝悬挂着,保持着非常完美的平衡 。两端的每一个质量附近都有两个较大的质量,大球质量将吸引较小的小球质量 。只要质量和距离已知,通过微型杠铃所经过的扭转量,我们就能测量出重力常数 。
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尽管人类的科技水平和物理学水平在过去200多年里取得了巨大的进步,但是在最初的卡文迪许实验中使用的扭杆原理在今天仍然被用于G的测量 。截止到2018年,还没有任何测量技术或实验装置能够提供更好的实验结果 。这一点让我们很不理解 。

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