追求万有引力常数G.

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追求万有引力常数G.



万有引力常量牛顿 的发起者

▲1687,由牛顿发表

科学史

1687年,当牛顿热情地出版时,我想知道他当时是否能想到它。今天,三百多年后,他在书中提出的万有引力法则将印在世界上每一本物理教科书上。

万有引力法则可以说是最熟悉的物理定律。根据万有引力的定律,两个物体之间的吸引力F与两者的质量M1和M2的乘积成比例,并且与它们之间的距离R的平方成反比。这个定律被称为“全部”,因为牛顿考虑宇宙中的所有物体,与太阳系中的恒星一样大,我们周围的两个尘埃符合万有引力的定律。

牛顿力学标志着从古代自然哲学到现代精密自然科学的转折点。牛顿我把自己的贡献放在了“自然哲学的数学原理”上。也就是说,自然本身并不是我们所知道的,我们只是首先总结其数学表现。因此,万有引力的定律并没有解决引力本质的问题,而只是试图在数学上准确地描述引力的影响。在牛顿之后,这种新态度主要是反顾客,而数学原理不再依附于自然哲学,而是取代了自然哲学。

因此,这里的万有引力常数G具有划时代的意义。它是人类测量的第一个基本物理常数,因为“常数”的概念是精密科学的产物。在古代,自然哲学家质疑引力的来源,而G的精确测量不利于理解引力的本质。这种工作开始只用于用“数学原理”取代“哲学原理”的现代科学中。认真对待它。

那么常数G是如何计算的呢?根据万有引力的公式,计算常数G似乎很容易。只需测量两个物体的质量M1和M2,两个物体之间的距离R,以及物体之间的重力F,并用这些数据代替进入公式。就在中间。但实际情况是地球上普通物体的质量太小。很难测量它们之间的引力。宇宙中的天体太远而且巨大,很难测量它们的质量。

在一本书中,牛顿设想了可能的计算。实验的想法是将钟摆放在山的附近。由于山将在钟摆上施加重力,当钟摆移动时,靠近山的一侧会有轻微的赤纬,并且可以测量这种赤纬。我们可以通过计算山体的体积和平均密度来计算山的质量,然后结合山中多个位置的赤纬测量结果来推导出地球的平均密度。通过这种方式,我们可以根据地球的平均密度计算地球的质量,并最终计算出引力常数。然而,当时的牛顿悲观地认为山对摆的影响太小而无法测量,最终没有进行实验。牛顿仅推测地球的平均密度可能是水密度的五到六倍。他根据这些数据间接计算了引力常数。该结果大于现代测量数据,尽管其大小相同。区别。

在牛顿死后,他的继任者并没有放弃追求引力常数。英国英国皇家学会的科学家认为,牛顿设计的实验理念仍然可行。实验的关键是找到合适的山峰。山的形状比较规则,容易计算体积,附近没有其他山可以干扰重力。努力工作得到回报,经过两年多的长期搜索,皇家学会终于在苏格兰高地找到了一座名为榭赫伦的山。这座山位于两个湖泊的中间,周围非常空旷,整个山的形状非常对称,类似于标准的锥形。

在1774年夏天,皇家天文学家内维尔·马斯基林带领一个科研团队对榭赫伦山进行了详细测量。这是科学史上着名的榭赫伦实验。经过复杂的测量和推导,在776年,马斯基林最终计算出地球的平均密度为4.5g / cm3,并且从该密度数据计算出的重力常数G与现代仪器的测量数据相比仅有约20%的误差。 G的准确性已经大大提高。

在接下来的1811年和1856年,榭赫伦实验重复了两次,但这种类型的实验总是耗费大量的人力和物力,而且每次由于各种原因误差很大。鉴于此,科学家们已经改进了他们的实验想法,并试图在实验室中设计具有相对低成本和相对低干扰的仪器以实现测量目的。英国地理学家约翰·米歇尔 1783年,设计并制作了第一个扭曲比例尺。但遗憾的是,米歇尔尚未用于测量,并于1793年死亡。在米歇尔死亡后,这个扭转量表由沃莱斯顿大学教授沃莱斯顿转移到卡文迪许。

卡文迪许出生于一个贵族家庭,但生活很简单,科学研究是他唯一的爱好。在接管电子秤时,60年代的卡文迪许已经在化学和电力领域进行了大量研究。然而,测量引力常数的诱惑仍然困扰着这个奇怪的老人。

在1798年,也就是说,在牛顿死亡71年后,卡文迪许最终使用扭转平衡测试测量了引力常数G的值。与现代仪器测量的结果相比,该结果误差小于1%。从当时的实验条件来看,这是一项了不起的成就。

在卡文迪许实验后的两百年中,随着科学技术的发展和进步,世界上出现了许多G方法和相关实验,产生了200多个G值。值得自豪的是,自1983年以来,中国科技大学重力中心研究团队从事基础物理科学前沿研究和精密重力测量应用研究。经过30多年的发展。经过不懈的努力,它已经使中国的测量结果不变为万有引力。研究已经走到了世界的前列。

经过三百多年的万有引力法则,人类已经有能力飞出太阳系。但熟悉并非如此。今天,科学家仍然无法确定重力来源,高精度测量G值是最具挑战性的实验之一。牛顿留给后代的任务远未完成。姚禹 [编辑:肖春芳]