【一頁物理】G的秘密:重力常數日益精確

■ 在物理科學上至關緊要的重力常數,因測量方式不同而總是在微調,從歷史看起來忽大忽小,不過現在科學家比以前更有把握了。?

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萬有引力。

  牛頓的萬有引力常數,已知道經其十分精細的量度為G,自一七九八年英國物理學家卡文狄許(Henry Cavendish)首次測量了地球引力以來,已經走過漫漫長路。雖然卡文狄許測量的G值有約百分之一的不確定度,現代的測量已將不確定縮小到只有幾十萬分之一。

  但是,迭經粹研的G可能要碰上絆腳石。最近兩項實驗與過去的發現有著驚人的歧異,此一常數的整體不確定性可能還要增加。

  在牛頓的引力方程,G代表引力的大小。這個常數與尋求重力理論和量子力學的統一息息相關,確定G的努力也會對實驗物理的進展有所貢獻,舉例來說,最早發展來測量此常數的儀器要件,現在就用在重力波探測器上。但是,對於一些研究人員來說,測量G本身就是一個目標。科羅拉多大學博爾德分校物理學家法勒(James Falle)說,「這是無可匹敵的精密實驗。」

  傳統上測量G是用扭秤,那是吊在鋼絲的一桿。放在靠近桿子兩端的質量,它們微弱引力造成桿子的旋轉,其大小與G成正比例。二○○○年,西雅圖華盛頓大學的岡拉克(Jens Gundlach)和莫科威茲(Stephen Merkowitz)用新的扭力平衡方法,做出迄今最精確的測量: 6.674215 × 10-11立方米每公斤每平方秒,有百萬分之十四的不確定。

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  但是這個數值受到兩種不同測量方法的挑戰,這些測量方法現在也發展到可媲美岡拉克和莫科威茲的一個精確度。在《物理評論通訊》已接受的一篇論文,法勒和新墨西哥州阿伯克基桑迪亞國家實驗室的帕克(Harold Parks),用雷射干涉儀測量不同質量的擺位移。他們的結果(6.67234 × 10-11立方米每公斤每平方秒,有百萬分之二十一的不確定性)是低於岡拉克和莫科威茲測量值很大的十個標準偏差值。由中國武漢華中科技大學羅軍領導的研究人員,發表於二○○九年《物理評論通訊》的一篇論文,他們用比較扭轉擺通過不同位置質量所花費的時間,來測量G。他們獲得的數值(6.67349 × 10-11立方米每公斤每平方秒,有百萬分之二十六的不確定性),大約比岡拉克和莫科威茲值低三個標準差。量度學家預期這兩個結果的差距更小,可能不超過兩個標準偏差。

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過去四十年,重力常數的建議值有小幅增加,最近的測量也許會有下修的數值。

  華盛頓大學的施納明格(Stephan Schlamminger)在瑞士蘇黎世大學時測量了G,其結果與岡拉克和莫科威茲符合,他說無法解釋其矛盾。這可能是到系統誤差,這也就是為什麼用各種不同的方式來測量G是如此的重要。馬里蘭州國家標準與技術研究院的泰勒(Barry Taylor)說,「人們顯然忽視其影響,因此在實驗中沒有考慮到這一點。」

  最新的這些結果意味著,設在巴黎,每四年提出物理常數建議值的國際科技數據委員會,可能會修改二○一一年初完成的下一次G的設定值。擔任委員會主席的泰勒說,「這些新的數值會將數質下修,最終的不確定性將是相同的或更大。」

  法勒說,由於害怕出錯,調查人員可能要等很多年才會發表與以前的測量有所出入的結果。他和帕克在二○○四年開始他們的實驗,從那時起就投入時間探查他們可能沒注意到的影響。但他很肯定他們的測量是周詳的,「我覺得已查遍了一切,現在要洗手休息了。」

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原載於【知識通訊評論月刊九十六期】2010.10.01??

原文出處:G-whizzes disagree over gravityNature
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