【摘 要】
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万有引力常数G是人类最早认知的基本物理学常数之一。1687年牛顿首次提出万有引力定律,1798年卡文迪许通过精密扭秤实验实现地球平均密度的精确测量,后人根据其测量值推算出世界上第一个相对精确的G值。在此后的200多年里,尽管世界各国的物理学家们使用多种测量手段给出200多个G值测量结果,但万有引力常数仍然是目前精度最差的基本物理学常数。根据国际科技数据委员会CODATA-2014收录的G值测量结果
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万有引力常数G是人类最早认知的基本物理学常数之一。1687年牛顿首次提出万有引力定律,1798年卡文迪许通过精密扭秤实验实现地球平均密度的精确测量,后人根据其测量值推算出世界上第一个相对精确的G值。在此后的200多年里,尽管世界各国的物理学家们使用多种测量手段给出200多个G值测量结果,但万有引力常数仍然是目前精度最差的基本物理学常数。根据国际科技数据委员会CODATA-2014收录的G值测量结果,国际上若干实验小组声称其测量精度达到10-5水平,但不同小组测量结果之间的吻合程度只有10-4水平,造成这种现象最有可能的原因是这些测量结果中仍然存在未被发现或未被正确评估的系统误差。为了试图找出隐藏的系统误差,本实验室于2009年开始布局同时使用角加速度法和扭秤周期法这两种不同的方法测量万有引力常数G。作者本人在博士期间参与了其中的角加速度法测G实验,并开展了一系列研究工作:(1)参与搭建角加速度法测G实验装置,并完成大部分参数的测量或复测工作;(2)重新设计优化磁阻尼,使其效应从455.40(1.95)ppm降低至25.74(8)ppm;(3)对磁场梯度效应进行建模分析和误差评估,并通过添加磁屏蔽层将其误差贡献从3.98 ppm降低至0.90 ppm;(4)使用精细加工的铜补偿柱和铝补偿柱对旋转背景引力梯度进行高精度补偿,使其效应从1195(9)ppm降低至2 ppm以内;(5)对双转台编码器效应进行建模分析,并评估出效应大小为0.72 ppm。完成改进工作后本人共开展了15组角加速度法测G实验,测量结果的统计误差为1.34 ppm。将这15组测量结果与之前小组其他成员完成的14组测量结果进行合成,从而给出最终的G值测量结果为G=6.674484(78)×10-11m~3kg-1s-2,相对不确定度11.61 ppm,是目前世界上精度最高的测量结果之一。
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