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    浙江朗通精密儀器有限公司>公司動態(tài)>蔡司三坐標(biāo)測量機(jī)XENOS:揭開萬有引力常數(shù)G難解之謎

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    蔡司三坐標(biāo)測量機(jī)XENOS:揭開萬有引力常數(shù)G難解之謎

    閱讀:47          發(fā)布時間:2023-4-29


    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雖是人類認(rèn)識的物理學(xué)基本常數(shù),但亦是至今測量難度的常數(shù),同時鑒于其應(yīng)用國家高水準(zhǔn)的材料、機(jī)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(BIPM)在實驗中使用一種精密扭秤測量G,此方法由英國科學(xué)家亨利·卡文迪許(Henry Cavendish)于1798年測量使用,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)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(BIPM)在過去15年里進(jìn)行的一組實驗。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,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)界人物齊聚一堂,決定這些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,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(jī)(CMM)"。


    鑒于此實驗的高要求,NIST引進(jìn)了德國蔡司三坐標(biāo)測量機(jī)XENOS(>點(diǎn)擊了解產(chǎn)品信息)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(diǎn)位之間的空間距離,測量不確定度僅數(shù)十至數(shù)百納米。

    于實驗開始之前需使用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,XENOS作為蔡司大空間測量范圍坐標(biāo)測量機(jī),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)件等精度量測,滿足多樣化計量校準(zhǔn)要求。


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