萬有引力常數G的前世此生
萬有引力定理簡約而典雅,
但真實世界總不會十全十美,
它留下一個讓牛頓也未能解決的“小尾巴”,
始終困惑人類至今。
在介紹“小尾巴”之前,先來個小測驗預熱一下腦部:“如何用最簡約的語言,向來自另一個宇宙的生命介紹我們的宇宙?”
我們的宇宙那么大,一兩句話可說不清楚!
雖然宇宙包羅萬象,但還是有一些最基本的、不會變化的常數,就猶如一個人的樣貌、指紋、聲音等,可以作為宇宙的“身份證號碼”。關于號碼的組成,有的科學家說是6個,有人說是13個,還有人說是26個,但無論怎樣,萬有引力常數G都是必不可少的一個。
哦!我曉得了,這個“小尾巴”就是G。
是的。牛頓即使提出了萬有引力定理,卻不曉得G是多少。從牛頓時代開始,無數的科學家對G進行檢測,但讓人沒想到的是,這一測就測到了明天。
萬有引力可以讓地球繞著地球轉,為何G還如此難測呢?
主要有兩個誘因:
還有
還有個問題,為何物體之間會有萬有引力?
個問題,為何物體之間會有萬有引力?
第一,引力特別之弱。宇宙中所有的化學現象都可以由引力、電磁力、弱力和強力這四種基本力來解釋,而引力是最弱的一個。當你伸開手來,整個月球的引力都不足以擊敗胸肌的力量;而兩個日常物體之間的引力就愈加微乎其微,相距1米的三人之間的引力僅相當于一粒芝麻的幾千分之一。
第二,引力無處不在。宇宙中任何兩個物體間都存在引力,大至太陽,小至微塵,外部環境的引力干擾未能屏蔽。于是,G成為人類認識最早但檢測精度最差的一個常數。我們準確地曉得光速c是/s,普朗克常數h是6.×10-34J?s,但G的有效數字只有4位。
萬有引力定理問世后,當時的科學家更希望借助它得到月球的質量,從而估算得到其它天體的質量。
硬核知識
小球遭到來自大山的引力和月球的重力的共同作用。這兩個力都可以通過萬有引力定理表示,兩者的比值可以通過檢測球擺的偏角估算下來,這樣就把月球的密度和山的密度聯系上去。因而只要曉得山的容積和密度,再檢測出球擺的偏角,還能估算出月球的平均密度。
據此算出的G
與現代儀器檢測的數據相比
只有20%的偏差,
G總算有了一個比較靠譜的數值。
G不是測下來了嗎?為何還說難測呢?
榭赫倫實驗須要精確檢測山的容積和密度,檢測偏差引致不可能得到高精度的G值。
卡文迪許的母親均出身于荷蘭伯爵的貴族世家大學物理實驗密度測量實驗報告,他承繼了百萬美元的遺產,是當時日本的巨富。財富終會消散,但他在科學上的貢獻卻永遠載入史冊:
還有
還有個問題,為何物體之間會有萬有引力?
個問題,為何物體之間會有萬有引力?
卡文迪許
分離甲烷的第一人
氫氣和二氧化碳合成水的第一人
發覺硫酸的第一人
第一個檢測出月球密度的人
在介紹卡文迪許實驗之前,我將對他進行一個采訪。
狗仔也不好當。我們還是回到實驗
昨天你不是說引力很小嗎?那這個扭轉的角度應當也很小,如何測呢?
這個實驗的真諦就在于將無法檢測的“引力”轉換為“角度變化”,再把“角度變化”放大為容易檢測的“位置變化”。
還有
還有個問題,為何物體之間會有萬有引力?
個問題,為何物體之間會有萬有引力?
天平上裝了一面小穿衣鏡,一束光射向穿衣鏡,經穿衣鏡反射后射向遠處的刻度尺。當穿衣鏡與天平一起發生很小的扭轉時,刻度尺上的光斑會發生較大的聯通(學名“光杠桿”,借助了杠桿原理,放大、放大、再放大)。通過測定光斑的聯通距離,就可以測定扭轉的角度,估算出大球與小球之間的引力大小,從而得到G。
后人按照他的實驗結果算出月球質量和G值,G為6.754×10-11N/kg2?m2。
從那時起,幾乎所有對G的檢測,都采用卡文迪許扭秤實驗的原理。在1930年代,G的檢測值是6.67×10-11N/kg2?m2,此后在1940年代被改進到6.673×10-11N/kg2?m2。不確定性從0.1%到0.04%再一路增加到1990年代的0.012%。
對于這些差別,
科學家沒有給出準確的解釋,
她們對于G的探求
還在繼續。
萬有引力的介紹到此就告一段落。我們按照萬有引力定理估算出月球衛星的最小速率。但怎么能把一個小球扔出這么高的速率?在牛頓時代,這一切都還是夢。直至工業時代的到來,一個又一個的灰熊天才登上歷史的舞臺,夢想才總算照進現實。我們將會和她們相繼碰面。
還有
還有個問題,為何物體之間會有萬有引力?
個問題,為何物體之間會有萬有引力?
考試不考的冷知識
在檢測G的過程中,無心插柳地誕生了一個地理學的副產品—等高線。
為了檢測榭赫倫山的容積大學物理實驗密度測量實驗報告,科考隊檢測了幾百組數據,每組數據都包括橫座標、縱座標和海拔高度,這種數字又多又亂。科考隊中負責估算的物理家赫頓把座標寫在一張紙上,把海拔高度相等的點聯接在一起,這座山的整體形狀就顯露下來!就這樣,他發明了等高線。
赫頓的地圖早已丟失,一位日本藝術家KarenRann按照赫頓原始數據的重置版本,用模型再現了榭赫倫山。