时光荏苒,回首至1687年。那时,牛顿信心满满地推出了《自然哲学的数学原理》。你可知,在他心间,是否预料到了后世他研究的万有引力定律将渗透至每本物理教科书的核心之中?
▲ 伟大科学家牛顿——万有引力常数的提出者
万有引力定律,其深邃之处在于其普遍性。正如两个物体的吸引力F与其质量M1和M2的乘积成正比,而与两者之间的距离R的平方成反比这一规律所示,牛顿认为,从微观到宏观,无论宇宙间的星体还是我们身边的微小尘埃,都遵循这一法则。
万有引力常数G的历史性意义不言而喻。作为人类测定的首个基本物理常数,G的观念是精密科学的产物。在古代,哲学家们探索的是引力的起源,而G的精确测定则需要现代科学的支撑。
在《自然哲学的数学原理》中,牛顿巧妙地构想了一种计算方式。设想在山脚下放置一个摆动着的摆锤,山对摆锤产生的引力会导致摆动时产生微小的偏角。这个偏角是可测量的,我们可以通过山的体积、平均密度等数据来推算地球的质量,进而求得引力常数G。
牛顿当时认为山对摆的影响微乎其微,难以测量,因此没有进行实际实验。他仅凭推测地球平均密度可能是水密度的五到六倍,并以此为基础计算了引力常数G。虽然与现代测量值在数量级上相符,但具体数值仍存在较大差异。
随着时间的推移,后来的科学家们并未放弃对G的探索。英国皇家学会的学者们继续追寻着牛顿的足迹。经过漫长的寻找,他们终于在苏格兰的高地发现了一座名为榭赫伦的山脉,这里地势空旷,山形规整,成为实验的理想之地。
1774年盛夏,皇家天文学家内维尔·马斯基林领导团队在此进行了著名的榭赫伦实验。经过精密的测量和计算,他们推算出地球的平均密度为4.5g/cm³。基于这一数据计算的引力常数G与现代仪器测量结果相比,误差仅约20%,标志着G的精确性取得了显著的进步。
虽然榭赫伦实验在后续得到了多次重复,但由于种种因素的干扰,误差始终难以避免。于是科学家们开始寻求新的实验方法。英国地理学家约翰·米歇尔曾设计并制作了扭秤。但遗憾的是未及实施测量便辞世了。
米歇尔的扭秤后被传到了卡文迪许手中。这位出身贵族家庭的科学家虽生活简朴但对科学研究充满热情。接手扭秤后,年过六旬的卡文迪许已在其他领域取得众多成果。然而对G的测量却仍令他着迷。
终于在牛顿逝世71年后,卡文迪许利用扭秤成功测得G的数值。与现代仪器测量结果相比误差微乎其微。
自卡文迪许的实验之后数百年间科学技术的发展使得对G的测量方法与实验层出不穷并得出了数百个G值。值得一提的是我国华中科技大学引力中心研究团队长期致力于引力相关的基础物理科学研究与精密重力测量应用研究已使我国在万有引力常数测量研究方面达到世界前列。
如此种种探索与发现不仅丰富着人类的科学知识也诠释了科学家们对于真理的追求和坚韧不拔的精神。