你是否聽聞物理學(xué)界的大G世紀(jì)測量難題？

萬有引力常數(shù)（記為 G），作為質(zhì)量物體間萬有引力的實驗物理常數(shù)，其闡述于牛頓的萬有引力定律及愛因斯坦的廣義相對論中，與小寫g 的區(qū)別在于，后者是局部引力場（等于局部引力引起的加速度），尤指地球表面的重力加速度。

 根據(jù)萬有引力定律，兩物體間的吸引力（ F ）與二者的質(zhì)量（m1與m2）的乘積成正比，而與他們之間的距離（ r ）的平方成反比：

維基百科：萬有引力常數(shù)G，在兩個物體（m1、m2）之間的相互關(guān)系。

自牛頓在三百多年前首次確定了質(zhì)量與引力之間的關(guān)系以來，科學(xué)家們一直致力于了解引力的力量。但是，萬有引力常數(shù)G雖是人類最早認(rèn)識的物理學(xué)基本常數(shù)，但亦是至今測量難度最大的常數(shù)，同時鑒于其應(yīng)用國家最高水準(zhǔn)的材料、機械、測量及控制技術(shù)，備受各國科學(xué)家的關(guān)注。

■ 精密扭秤

G之所以難以測量的部分原因在于與其他力相比它太微弱了，其值極小，約為6.67 × 10-11 m3 kg-1s-2，相當(dāng)于電磁力的數(shù)萬億億億分之一。

國際計量局（BIPM）在實驗中使用一種精密扭秤測量G，此方法最早由英國科學(xué)家亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）于1798年首次測量使用，此裝置用以測量較小質(zhì)量物體之間的引力，通常采用金屬球體或圓柱體，實驗中需測量金屬懸絲或金屬條的偏轉(zhuǎn)或力矩等參數(shù)。

BIPM所使用的精密扭秤比卡文迪許原先使用的扭秤要復(fù)雜得多，其配置8個特殊合金圓柱體質(zhì)量塊，其中4個位于圓形轉(zhuǎn)盤上，另外4個質(zhì)量稍小的圓柱體位于轉(zhuǎn)盤內(nèi)的圓盤上，此圓盤通過一根2.5 mm寬、160 mm長、厚度相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的銅鈹金屬絲懸掛于天平頂部。

此過程需將質(zhì)量塊固定于轉(zhuǎn)盤外部，使其與轉(zhuǎn)盤內(nèi)部的質(zhì)量塊保持均衡，以達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤外部的質(zhì)量塊轉(zhuǎn)向一個新的方向時，轉(zhuǎn)盤內(nèi)部的質(zhì)量塊將感知一個微弱外力，該引力將導(dǎo)致內(nèi)部質(zhì)量塊往外部質(zhì)量塊方向行進(jìn)，使金屬懸絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，鑒于質(zhì)量塊之間的引力垂直于地球的重力，實驗中地球的重力不會影響測量值。

由于將金屬懸絲偏轉(zhuǎn)一定角度所需力的大小為已知。因此，基于激光及金屬懸絲頂部的鏡子，科學(xué)家可測量內(nèi)部質(zhì)量塊向固定的外部質(zhì)量塊行進(jìn)的物理距離，從而計算它們之間的萬有引力。

自20世紀(jì)后半葉，與科學(xué)史上其他時期相比，人類進(jìn)行了更多的測量引力常數(shù)的研究工作。自1969年國際科技數(shù)據(jù)委員會（CODATA）成立以來，根據(jù)世界各地測G小組的最新實驗結(jié)果，多次發(fā)布及調(diào)整萬有引力常數(shù)G的推薦值。例如國際計量局（BIPM）在過去15年里進(jìn)行的一組官方實驗。盡管各個實驗小組相繼給出相對精度較高的測G實驗結(jié)果，但它們之間的吻合程度仍然較差。

上圖為大G測量的各項實驗結(jié)果比對，其中垂直黑線表征G的最近推薦值，灰色區(qū)域表征誤差區(qū)間

因此，蔡司三坐標(biāo)如何進(jìn)一步提高實驗精度，尋找未知的系統(tǒng)誤差，以及尋找新途徑是測量萬有引力常數(shù)G的發(fā)展趨勢，兩年前，BIPM科學(xué)家和世界上其他致力于測量大G的科學(xué)界領(lǐng)軍人物齊聚一堂，決定這些蔡司三坐標(biāo)測試實驗重新用同一組設(shè)備、不同實驗場所及不同的科研團(tuán)隊進(jìn)行。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）物理測量實驗室（PML）科研人員接受了這項挑戰(zhàn)，并重新使用升級的設(shè)備進(jìn)行BIPM實驗。

■ 實時幾何量坐標(biāo)測量

其中，測量大G的科研人員需測量牛頓引力方程中的其他量值，蔡司三坐標(biāo)獲取其所有零部件的精確尺寸及位置信息，“包括每個孔位、每個面形及每個裝配件，”據(jù)NIST研究人員斯特林所述，“這皆需借助于三坐標(biāo)測量機（CMM）”。

鑒于此實驗的高要求，NIST引進(jìn)了德國蔡司超高精度坐標(biāo)測量機XENOS以用于幾何量的高精度坐標(biāo)測量，其搭載高穩(wěn)定性的固定式工作臺，配備高精度主動式三維測頭，可測量被測對象上點位之間的空間距離，測量不確定度僅數(shù)十至數(shù)百納米。

 蔡司

于實驗開始之前需首先使用蔡司三次元CMM觸測精密扭秤的各個關(guān)鍵部件，然即便于實驗過程中也必須借助CMM，以確保實驗中精密圓柱部件間的距離幾何量值的精確獲取，該設(shè)備安裝于地下約十二米的實驗室中，每次大G的測量實驗皆需于真空中進(jìn)行。

此外蔡司三次元，蔡司三坐標(biāo) XENOS作為蔡司大空間測量范圍最高精度的坐標(biāo)測量機，不僅覆蓋科學(xué)研究、汽車及電子等應(yīng)用領(lǐng)域，NIST亦將其用于航空軸承、計量標(biāo)準(zhǔn)器、精密設(shè)備結(jié)構(gòu)件等高精度量測，蔡司三次元滿足多樣化計量校準(zhǔn)要求。