科学世界
2014-06-21 12:02:31
牛顿与他的苹果。图/Mary Evans Picture Library/Alamy
《科学世界》第6期特别策划“引力，未解开的谜”中介绍了很多关于引力的知识。大家还记得牛顿万有引力定律的公式吗？两个物体之间的万有引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比，再乘上一个常数G，称之为“万有引力常量”。但是这个常量的数值到底等于多少，却一直颇有争议。
2014年6月18日，《自然》杂志刊登了一篇论文：科学家利用量子力学的方法，得到了一个非常精确的万有引力常量。虽然这个实验还有待改进，但科学家相信，将来这种方法的精度会超越传统的方法，有希望得出最准确的万有引力常量。研究者测量了铷原子和重达516kg的钨圆柱体阵列之间极其微小的万有引力。该结果的不确定性为0.015%——仅比传统的方法大一点点。
传统的万有引力常量测量方法，是由英国物理学家亨利·卡文迪许发明的扭秤实验。1798年，卡文迪许为了测定地球的质量，设计了著名的“卡文迪许扭秤实验”，计算出了G值：用2个大铅球固定在地面上，2个小铅球悬吊在天平上。大铅球和小铅球在引力的作用下相互靠近。但是，由于大铅球固定在地面上不能移动，因此，小铅球向大铅球靠近。于是，悬吊天平的悬丝产生一定角度的扭转。
使悬丝恢复到原来角度所需力的大小与万有引力的大小相等。
从那时起，几乎所有对G的测量，都采用卡文迪许扭秤实验。其中不乏非常精确的结果——但却得不到学界的认同。因为扭秤是个复杂的系统，很难找出所有可能存在的误差。在现代，一共进行了300多次扭秤实验，差不多也得出了300多个不同的G值。更奇怪的是，近几年来，这些差值不减反增了。
论文的共同作者、意大利佛罗伦萨大学的Guglielmo Tino说：“科学家不明白这些误差从何而来。不过，我们的实验不同于扭秤实验，所以也不存在扭矩试验中的误差。”Tino的团队采用了原子干涉仪。原子因其波动性而会产生干涉现象，正是原子干涉仪的用意所在。2007年，斯坦福大学的Mark Kasevich领导的研究团队首次证明，这种干涉仪可以用来测量万有引力常量。
Kasevich认为，Tino的团队在用干涉仪测量G值方面，“精确度进步了不止10倍”。这个新方法测出的G值，低于传统方法测出的值。
Tino的团队先将铷原子冷却到接近绝对零度（绝对零度为-273.15℃）。在这个温度下，原子几乎动弹不得。冷却的原子向上发射入一个真空管。用激光束脉冲照射冷却的铷原子云，激发原子在万有引力作用下，像喷泉一样上升和回落。
激光束脉冲将每个原子的“物质波”（即德布罗意波）分裂成两个能态，每个能态有着不同的速度，在回落前能分别上升到不同的高度——60cm和90cm。上升得更高的那个物质波，与钨圆柱体分开得更远，这样就能检测到万有引力的轻微差别。由于存在着这个差别，两个物质波重新汇合时，就会创造出一个干涉图样，反应出钨圆柱体对铷原子的万有引力。
科学家使用了两个原子干涉仪来抵消地球重力、月球和太阳潮汐力的影响。
由于铷原子和钨圆柱体的质量、距离都可以精确测量，因此研究者可以从原子云的加速度中，计算出G值。“扭矩实验中，一些未知的原因导致测量结果无法统一，也有可能是牛顿万有引力定律不能精确描述物体在实验室尺度下的相互作用。”美国国家标准与技术研究院的物理学家Peter Mohr说。“这种新方法独立于其他方法，可以让物理学家重新定义万有引力定律是如何起作用的。”
《科学世界》第6期特别策划“引力，未解开的谜”中所使用的G值=6.67384×10^-11（N·m^2/kg^2）。这是参照了CODATA（Committee on Data for Science and Technology）2010年的推荐数值。Tino的团队计算出的最新G值=（6.67191±0.00099）×10^-11（N·m^2/kg^2）。
有的科学家认为，这个发现有助于探索一些神秘的领域。一些理论认为，在我们的四维时空之外还存在着其他的维度，它们会扭曲我们四维时空内的引力场。有些人甚至把卡文迪许扭秤实验千差万别的结果，归咎于其他维度的影响。只是这种扭曲的尺度非常小，难以测量。也许在将来，这种冷原子喷泉的方法，可以用在寻找高维宇宙上。
编译自：2014年6月18日，Ron Cowen发表在《自然》的文章：Quantum method closes in on gravitational constant：Cold rubidium atoms provide fresh approach to measuring Newton's big G.
2014年6月18日，Tia Ghose发表在LiveScience的文章："Big G": Scientists Pin Down Elusive Gravitational Constant
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