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工程师和科学家生活在一个以许多计量标准与常数定义的世界。一开始我们先有时间、质量与长度,然后扩展到电流、温度等等。此外,还有一些基本的物理常数,如光速或亚佛加厥数。
虽然所有的常数都很重要,但有些实在离我们的日常生活太遥远。不过,重力常数G就另当别论了。从生顿(IsaacNewton)看到苹果从树上掉下来,启发他发现万有引力定律F=G后,这个G的值就一直引起广泛的兴趣。有鉴于重力无所不在,要准确地测量G值应该也很容易,对吧?
其实,答案应该只能算对了一半。事实证明,万有引力很容易衡量,但却难以精确。在最新一期的《今日物理》(PhysicsToday)期刊中,一篇主题为“寻找牛顿的重力常数”(ThesearchforNewton'sconstant)—文中讨论到测量G值的发展历程。文中探讨数百年来所使用的各种实验性建置(如扭力平衡、钟摆、波束平衡等)以及每项测试结果所取得的数据。有些严谨的研究人员以更复杂的测试产生不确定性较低的测试结果,然而却与其他也声称低度不确定性的结果明显不同。
虽然研究人员确实提高了结果的准确度与精密度,但这篇文章中解释了为什么G仍然难以衡量。这个问题不但很有趣,而且也十分发人深省,因为你很可能认为G值应该是一个已拍板定案且固定不变的数字,没什么好讨论的。
然而,如同大多数的工程师和科学家们所知,要在任何测试与量测任务中取得三、四次有效数字一致且准确的结果并不容易。每增加一次有效数字表示在测试工具或设备中有更加细微的误差来源被找到、了解、校正或进行补偿了。
如果运气好的话,经过设计的测试可以真的过滤或自动抵销掉一些错误,就像质量m的值在一些基本实体的实验中抵销了。如同在游乐园搭乘旋转椅或“狂飙幽浮”等高速旋转的设施(Gravitron,如图1),利用向心力与惯性来"固定”游客。人的质量可忽略不计,重要的是转轴的大小、旋转速度,以及衣服与墙面之间的摩擦系数。(如果你还不明白为什么游客会被“固定”在原位,以及他们的重量可忽略不计,那你该回去翻翻基础物理学了!)
游乐设施的转盘高速旋转时,就像把人“钉”在墙上一样。让航天员适应高重力环境的离心机采用的就是类似的原理,但更复杂得多。(来源:NASA)
G值为什么如此难以捉摸?
或者还有其他的原因可解释精确G值为什么如此难以捉摸??或者,G本身就不是一个真正的常数,而是会随着时间与地点发生些微改变的。
当转盘高速旋转时,游乐设施内的游客就像被“钉”在墙上,质量可忽略不计。此时,游客受到三种力量牵引:体重、正向力与摩擦力。(来源:)
随着各种测量技术进展以及持续进行微调,已经能将G值测试的不确定性缩小到几十万分之一了。但你是否曾经以为在工程学或科学领域中的某个常数是恒定的或固定假设,而后来不得不放弃错误的想法或变得较有弹性呢?你曾经好好地想过“万有引力”是什么吗?
翻译:SusanHong