愈益精確的重力常數（Gravitational constant）

Posted on 2011/04/29 in 物理新知, 知識通訊評論, 科技報導 with 尚無留言 8,028 views

愈益精確的重力常數（Gravitational constant）
知識通訊評論第96期

在物理科學上至關緊要的重力常數，因不同測量方式而愈益精確。

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。

: 雷射干涉儀

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^一： 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。

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。

: 改變的重力常數：過去四十年，重力常數G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。」