最难测量的一个基本常量 _测量

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众所周知，无论是苹果下落，还是地球绕着太阳运行，都是由引力所支配的。引力常量G决定了引力的强度，它是艾萨克·牛顿300多年前首次提出的万有引力定律的一部分。
这个常量无法从数学上推导出来，必须通过实验来确定。几个世纪以来，科学家进行了许多实验来确定G的数值，但是科学界对目前的数字并不“满意” 。因为与所有其他基本常量的数值（比如真空中的光速）相比，它仍然不够精确。
引力极难量化的一个原因是，它实际上是一种非常弱的力，也不能被单独分离：当你测量两个物体之间的引力时，一定也会测量世界上所有其他物体的影响。解决这种情况的唯一选择是用尽可能多的不同方法测量引力常量。
在一项新研究中，苏黎世联邦理工学院尤格·迪阿尔（Jürg Dual）教授领导的研究团队，使用一种新的测量技术，进行实验重新确定引力常量G，尽管这个数值仍有很大程度的不确定性，但这种新方法为测试自然界最基本的定律之一提供了巨大的潜力。论文已于近日发表在《自然·物理学》上。

古堡中的新实验
迪阿尔从1991年起便开始研究测量引力常量的方法，但他的研究曾一度被搁置。直到2015年，LIGO首次成功捕捉到了引力波，这一里程碑式的科学进展给他带来了新的研究动力。于是迪阿尔教授在2018年规划重启关于引力常量的研究。
2019年，他组建团队开始新的实验。为了尽可能地排除干扰源，他们选择在位于瑞士普费弗斯附近曾是弗格斯堡垒（Festung Furggels）的地方设置了他们的测量装置。
研究人员从苏黎世远程运行实验，这最大限度地减少了现场人员的干扰，同时团队也可以随时查看实时的测量数据。

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实验装置照片。（图／Jürg Dual, IMES, ETH Zurich）

实验的核心装置主要由悬挂在真空室中的两根横梁组成。在研究人员设置振动后，引力耦合会导致第二根横梁也表现出极微小的运动，大约在皮米范围内，也就是一万亿分之一米。
使用激光设备，团队测量了这两根横梁的运动，对这种动态效应的测量就让研究人员能够推断出引力常量的大小。

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实验示意图。（图／Brack, T. et al.）

这种新方法的优势在于，它通过移动的横梁动态地测量引力。动态测量与静态测量不同，因为无法分离出其他物体的引力效应这一点并不会对结果产生影响。这就是为什么团队希望能够利用这项实验来帮助破解引力难题。
用这种方法得出的G值约为6.82×10?11m3kg?1s?2，比目前给出的官方数值高出了2.2% 。但研究人员同时承认，新的数值受制于很大的不确定性。想要获得一个更可靠的值，仍然需要极大地降低这种不确定性。
团队已经在用稍加改进的装置进行进一步测量，以便能以更大的精度确定G，目前也已经取得了初步结果，但尚未发表。

洞悉宇宙的历史
尽管如此，迪阿尔相信，新的实验方法绝对是一条“正确的路” 。
目前，引力仍然是最让科学界“头疼”的一种基本力。对引力的研究和理解不仅可以让我们更好地解释比如引力波这样的信号，也将揭示出对宇宙及其历史的大量新的见解。
迪阿尔将在今年7月底退休成为荣誉教授。他说：“一项成功的实验是一种结束职业生涯的绝佳方式。”

【最难测量的一个基本常量】https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2022/07/eth-researchers-remeasure-gravitational-constant.html