不夠精確:科學家們重新測量引力常數

萬有引力常數G決定了引力的強度,即拉動地球圍繞太陽運行或導致蘋果落地的力。它是艾薩克·牛頓的萬有引力定律的一個組成部分,該定律是在近300年前提出的。這個常數必須通過實驗來確定,因為它不能用數學計算。多年來,G值一直是幾個測試的主題,但科學界仍然對結果不滿意。與所有其他重要的自然常數的數值相比,如真空中的光速,它的準確性要差得多。

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引力是一種無法分離的非常微弱的力量,這使得它的測量具有不可思議的挑戰性。當你測量兩個物體之間的引力時,你還必須估計宇宙中所有其他物體的影響。

蘇黎世聯邦理工學院機械和工藝工程系教授Jürg Dual解釋說:“解決這種情況的唯一選擇是用儘可能多的不同方法測量引力常數。”他和他的同事進行了一個新的實驗來重新確定引力常數,現在他們的工作已經發表在著名的《自然-物理學》雜誌上。

Dual的團隊在前 Furggels Fortress 設置了他們的測量設備,該實驗室位於瑞士Bad Ragaz的Pfäfers附近,目的是為了儘可能地排除干擾源。掛在真空室中的兩根橫樑構成了實驗裝置。在研究人員設置一個振動后,引力耦合導致第二個光束也表現出最小的運動(在皮米範圍內)。研究人員使用激光設備來測量這兩束光的運動,通過分析這種動態效應,他們能夠估計出引力常數的大小。

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研究人員用這種方法得出的數值比科學和技術數據委員會目前給出的官方數值高2.2%。然而,Dual承認,新的數值受制於大量的不確定性:“為了獲得一個可靠的數值,我們仍然需要將這種不確定性減少相當多。我們已經在用稍加修改的實驗裝置進行測量,以便我們能夠以更大的精度確定常數G。” 初步結果已經出來了,但還沒有發表。儘管如此,Dual證實“我們在正確的軌道上”。

研究人員從蘇黎世遠程運行該實驗,這最大限度地減少了對現場人員的干擾。該團隊可以在他們選擇的任何時候實時查看測量數據。

洞察宇宙的歷史

對於Dual來說,新方法的優勢在於它通過移動光束動態地測量引力。他說:“在動態測量中,與靜態測量不同,不可能分離出其他物體的引力效應,這並不重要。”這就是他希望他和他的團隊能夠利用這個實驗來幫助破解引力難題的原因。科學界仍然沒有完全理解這種自然力或與之相關的實驗。

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例如,對引力的更好理解將使我們能夠更好地解釋引力波信號。2015年,在美國的LIGO觀測站首次探測到這種波。它們是兩個在軌道上運行的黑洞在距離地球約13億光年處合併的結果。從那時起,科學家們已經記錄了幾十個這樣的事件;如果能夠詳細追蹤這些事件,它們將揭示出對宇宙及其歷史的新見解。

Dual在1991年開始研究測量引力常數的方法,但他的工作曾一度被擱置。然而,LIGO對引力波的觀測給它帶來了新的動力,2018年他恢復了研究。2019年,項目組在Furggels Fortress 建立了實驗室,開始了新的實驗。除了Dual小組的科學家和一位統計學教授外,該項目還涉及基礎設施人員,如潔凈室專家、一名電氣工程師和一名機械師。“如果沒有多年的團隊努力,這個實驗是不可能實現的,”Dual說。他將在今年7月底成為一名名譽教授。他說:“一個成功的實驗是結束我職業生涯的一個好方法。”