卡文迪许实验

    卡文迪许实验由英国科学家亨利·卡文迪许于 1797 年至 1798 年进行，据称是第一个在实验室中测量质量之间的引力的实验。实验结果用于确定地球和天体的质量。卡文迪许实验经常被当作质量普遍吸引力的证据，以及引力的证据。该实验涉及两个连接到扭力天平上的球形铅球，据称该天平可以检测到质量之间微弱的引力。

    然而，当机构用涉及激光和最高精度仪器的现代方法复制这个实验时，重力的探测充满了困难，给出了不稳定的结果。奇怪的是，卡文迪许实验的现代重复告诉我们，在不同时间观察时，读数与预期的不确定性相差十倍以上。1 , 2承认实验主要受非重力效应的影响。3 , 4

    使用这个实验来证明质量的普遍吸引力在其前提下被进一步错误。这个实验是一个观察和解释的问题。在这个实验中，观察到一个相当于几个细胞重量的力的轻微吸引力5，然后得出关于整个宇宙的引力强度的结论。这些观测被用来估计天体的质量，而不是使用引力理论和地球的大小来确定应该在实验中看到的吸引力。假设_所看到的吸引力一定是源于质量的普遍吸引力，而不是任何其他可能引起近距离几个细胞重量的吸引力的原因。实验中看到的不同值会对地球和天体的质量产生不同的结论。

    内容

    1 重力不是常数

    11 测量非常微弱

    12 非常不稳定

    13 无法测量

    2 福布斯文章

    3 aip 审查

    4 未来主义

    5 物理世界

    6 特伦斯·奎因

    61 重大错误

    62 气象学

    63 新物理学

    7 重力“振荡”

    8 历史

    9 附录

    91 一个小影响

    92 一种统计方法

    10 矛盾证明

    11 也可以看看

    重力不是常数

    《科学美国人》对由著名实验室和机构进行的大量卡文迪许实验进行了评估，并解释说，与物理学中的其他基本力不同，重力无法准确测量。

    “大 g”引力常数的令人费解的测量引发争论 - 科学美国人（存档）

    “ 重力是生命的常数之一，更不用说物理学了，它在被测量时并不是常数。多年来的各种实验得出了令人困惑的不同重力强度值，而最新的计算只是增加了混乱。

    计算万有引力常数“大 g”值的 10 年艰苦实验的结果于本月公布——它们与 g 的官方值不相容，g 本身来自各种加权平均其他大多数相互不兼容且差异超过其估计不确定性 10 倍的测量值。

    引力常数“是我们应该知道的事情之一，”法国塞夫勒国际度量衡局 (bipm) 的 terry quinn 说，他领导了最新计算的团队。“有一个我们无法衡量它有多强的基本常数是令人尴尬的。”

    事实上，这种差异是一个如此大的问题，quinn 将于 2 月在伦敦皇家学会组织一次会议，以制定解决僵局的游戏计划。会议的标题——“牛顿万有引力常数，一个难以测量的常数？”——揭示了普遍的恐慌。 ”

    测量非常微弱

    在文章中，物理学家 jens gundlach ( bio ) 解释说，重力很难测量，需要测量相距 1 米的两个 1 千克质量上的几个人体细胞重量的力：

    “ 虽然重力似乎是我们日常生活中最突出的自然力量之一，但实际上它是迄今为止最弱的，试图计算它的强度是一场艰苦的战斗。华盛顿大学物理学家延斯·冈拉克 (jens gundlach) 说：“两个相距一米的一公斤重的质量相互吸引的力相当于几个人体细胞的重量。”他在 2000 年对大 g 进行了单独的测量。将公斤物体上的小力达到 10-4 或 10-5 精度并不容易。有许多效应可以压倒引力效应，所有这些都必须得到正确理解和考虑。” ”

    gundlach 解释说，有许多效应可以压倒引力效应。静态吸引力、空气粘度、空气粒子、静态阻力、其他力等等，都可以轻松克服这种引力。

    “ 这种固有的困难导致大 g 成为唯一的物理学基本常数，随着越来越多的测量，其标准值的不确定性随着时间的推移而上升。“虽然测量非常困难，因为 g 比其他实验室力弱得多，但作为一个社区，我们仍然应该做得更好，”科罗拉多大学博尔德分校的物理学家 james faller 说，他在 2010 年进行了一项实验来计算大g 使用钟摆。 ”

    非常不稳定

    文章解释说，结果非常不稳定。

    “ 通过这些双重实验，quinn 的团队得出了 667545 x 10-11 m3 kg-1 s-2 的值。这比国际科学理事会科学技术数据委员会 (codata ) (pdf) 在 2010 年通过计算所有各种实验值的加权平均值。这些值彼此之间的常数相差高达 450 ppm，尽管其中大多数估计的不确定性仅为约 40 ppm。“很明显，他们中的许多人或大多数人要么遭受严重的重大错误，要么严重低估了不确定性，”奎因说 。

    这些复杂的实验室实验的值彼此相差多达 450 ppm 的引力常数。用该设备测量相反质量的重力的不确定性应该只有大约 40 ppm，但观察到的值更加不稳定——超过其估计不确定性的十倍。

    无法测量

    “ 要么是实验出了问题，要么是我们对引力的理解存在缺陷，”斯坦福大学物理学家 mark kasevich 说，他在 2007 年使用原子干涉法对大 g 进行了不相关的测量。“需要进一步的工作来澄清情况。”

    如果大 g 的真实值比 codata 值更接近 quinn 团队的测量值，则必须修改依赖于 g 的计算。例如，太阳系行星（包括地球）的估计质量会略有变化。然而，这样的修订不会改变任何基本的物理定律，并且对任何人的生活几乎没有实际影响，奎因说。但对科学家来说，追查问题的根源更多的是原则问题。他补充说：“这不是一件人们喜欢留下未解决的事情。” “我们应该能够测量重力。” ”

    结尾句的理解很简单，承认他们无法测量重力。

    福布斯文章

    摘自福布斯的一篇题为《科学家承认，令人尴尬的是，我们不知道重力有多强》（存档）的文章，作者是天体物理学家 ethan siegel，博士。( bio )，我们阅读了有关该问题的以下内容：

    “ 虽然其他基本常数的已知精度在 8 到 14 位有效数字之间，但 g 的不确定性要高出数千到数十亿倍。

    宇宙的引力常数 g 是有史以来第一个被测量的常数。然而，在我们第一次确定它的价值 350 多年后，与所有其他常数相比，我们对这个常数的了解却鲜为人知，这真是令人尴尬。我们在从引力波到脉冲星计时再到宇宙膨胀的一系列测量和计算中使用这个常数。然而，我们确定它的能力植根于在地球上进行的小规模测量。最小的不确定性来源，从材料的密度到全球的地震振动，都可以融入我们确定它的尝试中。除非我们能做得更好，否则任何引力现象很重要的地方都会存在固有的、令人不安的巨大不确定性。现在是 2018 年，我们仍然没有 ”

    我们被告知，与其他基本常数相比，g 的不确定性要大数千到数十亿倍。我们还被告知，宇宙中天体的引力强度都依赖于这个不一致的实验。

    aip 审查

    aip 科学仪器

    评审特邀评审文章：牛顿万有引力常数的测量，g

    “ 根据许多说法，牛顿万有引力常数 g 是最难精确测量的基本常数。在过去的三十年里，已经对该常数进行了十多次精确测量。然而，数据点的分散远大于分配给每个单独测量的不确定性 ”

    未来主义

    来自未来主义文章万有引力常数真的是常数吗？作者：天体物理学家科林·罗布森（生物）：

    “ 据我们所知，引力常数在整个宇宙历史中一直保持不变。然而，这很难证明！在过去的 200 年中，引力常数的测量一直不稳定。尽管我们现在使用的技术比两个世纪前更先进、更灵敏，但引力常数的真正价值仍然难以捉摸。

    2013 年，一组在法国工作的研究人员使用他们两年前使用的同一台机器测量了引力常数。对机器进行了改进，以提高灵敏度并提供更准确的结果。该机器使用两种独立的方法来计算常数，对两者的结果进行平均。从理论上讲，这应该有助于减少系统错误。他们发现了什么？不一样的结果！

    起初，引力常数如此难以确定，这似乎很奇怪。宇宙中有四种基本力量：

    强大的力量

    弱力

    电磁学

    重力

    到目前为止，重力是四种力中最弱的，考虑到我们在宇宙中看到的东西，这听起来也有点奇怪。当眺望宇宙时，重力似乎是万有之王。引力是如此之强，以至于它会导致恒星将氢融合成氦，将恒星核心坍缩成中子星和黑洞，产生类星体并决定整个宇宙中物质的流动。

    在大范围内，重力获胜。但是，如前所述，重力是四种力中最弱的。这种差异的原因是，作为一种力，重力传播得更远，下降速度更慢。四种力量中最强大的力量，强大的力量，在原子核之外的距离几乎不存在。在宏观环境下，引力更强的原因在于它是累积的。物质越多，引力越大。但是，重力仍然较弱。因此，在尝试对其进行测量时，其他力可能会导致系统误差。这类似于在户外用旧秤在微风中测量羽毛的重量。 ”

    物理世界

    physics world 提供了一个图表，显示测量结果通常不重叠，并且分布在超过估计不确定性十倍的范围内：

    图1：

    物理世界卡文迪什jpg

    “ 单是低精度就足以让计量学家彻夜难眠。但近年来，出现了一个更严重的问题：大 g 的测量值彼此之间存在巨大的分歧（图 1）。自本世纪之交以来，世界上一些最好的实验室记录的值已经相差超过其估计不确定性的 10 倍。有什么不对劲——但没有人完全确定是什么。“你一遍又一遍，一遍一遍，一遍一遍，”斯皮克说。“有时你会说，我就是想不出我们做错了什么。” ”

    特伦斯·奎因

    特伦斯·奎因 (terence quinn )是一位英国物理学家，他多年研究引力，曾任国际度量衡局名誉主任。

    重大错误

    在《科学美国人》的一篇文章中，奎因说这些错误很重要：

    “ 这些值彼此之间相差高达 450 ppm 的常数，尽管其中大多数估计的不确定性只有 40 ppm 左右。“很明显，他们中的许多人或大多数人要么遭受严重的重大错误，要么严重低估了不确定性，”奎因说 。

    文章中还引用了奎因的话说“我们应该能够测量重力”：

    “ 但对科学家来说，追查问题的根源更多的是原则问题。他补充说：“这不是一件人们喜欢留下未解决的事情。” “我们应该能够测量重力。 ”

    如果奎因说我们应该能够测量重力，那么这可能意味着奎因不认为他在实验室研究重力的这些年里测量过重力。

    气象学

    在一篇 nature 文章中，quinn 说已发表的范围破坏了计量科学：

    “ 谁需要更准确的 g 数值（目前推荐值 6 为 667408 ± 000031 x 1011 kg1 m3 s2）？简短的回答是，目前没有人，但显然无法收敛到 g 的值会破坏我们对小力计量学的信心。尽管行星的轨道确实取决于 g 和太阳质量的乘积，但所有天体物理物体的结构都是由重力和由气体、光子或简并性等产生的其他力的平衡决定的压力——太阳的从头算模型仍然距离预测 g 值在与实验室测定相当的水平上相差一个数量级。我们不需要 g 值来测试是否偏离平方反比定律或等效原理。到目前为止，还没有一种量子引力理论可以预测 g 的值，该值可以通过实验来检验。 ”

    在上面的引用中，我们看到一个声明，即推荐的范围破坏了他们在小力计量方面的科学，表明他当然不认可它。quinn 明确表示推荐的范围是有问题的。

    quinn 还谈到了这种测量的实际目的，在非卡文迪什情况和测量中。他是正确的，等价原则测试不需要 g。这是另一回事，表明在实验室实验中重力并没有偏离地球正在向上加速的概念。ep 测试经过高度准确的验证。

    新物理学

    在一篇文章中 牛顿万有引力常数——一个难以测量的常数？，这个标题表明 quinn 认为重力没有被令人满意地测量，他认为这可能是重力并不是真正普遍的，它主要适用于天体物理尺度：

    “ 那么重要的不是 g 本身的实际值（给或取一个百分比左右），而是它的不确定性。g 的准确性的真正重要性可以说是，在流行文化中，它可以作为衡量我们对我们最熟悉的力的理解程度的衡量标准：不一致的结果可能意味着一些新的物理学，或者它们可能表明我们没有了解测量弱力的计量学。由于缺乏对引力的理论理解，正如前面提到的，有大量受人尊敬的理论预测违反平方反比定律或违反自由落体的普遍性。事实上，越来越多的观点认为 g 并不是真正普遍的，可能取决于天体物理尺度上的物质密度， 例如。对弱力物理学计量学的误解可能反过来意味着迄今为止建立平方反比定律和自由落体普遍性的实验测试存在某种微妙的缺陷。这造成了一个潜在的令人兴奋的情况，也许可以解释我们对 g 的看似平凡而艰苦的工作表现出的普遍兴趣。 ”

    无论计量科学被误解还是重力物理学与预想的不同，结果都是一样的：卡文迪许实验不是对重力的证明。

    重力“振荡”

    由于神秘的读数和问题，现在有些人将重力称为“暗能量”的一部分。

    “ 除了我们知道的四种力——引力、电磁力和两种核力之外，振荡的 g 可能是一种特定理论的证据，该理论将暗能量与第五种假设的基本力联系起来。帕迪拉说，这种力也可能导致重力强度振荡。“这个结果确实很耐人寻味。 ”

    历史

    根据物理学家 george t gillies 的说法，测量 g 的困难一直是引力研究中反复出现的主题。

    摘要： “ 多年来，我们对牛顿引力常数 g 绝对值的认识进展缓慢。大多数其他自然常数是已知的（有些甚至是可预测的）到十亿分之几，或者最坏的百万分之几。然而，g 神秘地独立存在，它的历史是一个极难测量的量，并且几乎与物理学其余部分的理论结构隔离开来。旨在改变这种情况的几项尝试正在进行中，但最近的实验结果再次产生了相互矛盾的 g 值，尽管取得了一些进展并引起了极大的兴趣，但迄今为止仍然没有普遍接受的预测其绝对值的方法 ”

    结束语- p212

    “ 最近对它的高精度测定所获得的 g 值的分布证明了实验的难度。有趣的是，已发表结果的差异复制了近 140 年前出现的类似情况（jacobs 1857），此后似乎每隔几十年就会重复一次。正如第 4 节中详细讨论的那样，由于引力的普遍性、与其他基本相互作用相比的弱点以及用于进行测量的仪器的敏感性，g 的确定充满了困难。 ”

    简介- p1

    “ 如果要对精密测量工具进行分类，那么数量异常多的列表将声称其起源是牛顿引力常数的精密测量，这里简称为“g”。这些工具包括扭力天平、光学杠杆、石英光纤、同步检测技术、超高精度旋转等等。然而，g 是唯一一个目前已知的基本常数，其精度略高于千分之一，尽管有三个测量值声称其精度为万分之一。在这些测量 g 绝对值的努力的同时，也有各种各样的实验旨在将万有引力与其他自然力联系起来。

    经典引力物理学一直是这样，并且可以预见地会继续这样。原因是，迄今为止，没有人成功地将实验室质量之间的引力相互作用隔离到其他干扰力或实验不确定性不主导测量的程度，至少在高于其他现象的水平上可能会发生。 ”

    附录

    正如上述参考文献所建议的那样；直到物理学能够将实验室质量之间的引力相互作用隔离到其他干扰力不主导测量的程度，卡文迪许实验应该被视为它是什么：一个不一致的实验，公认的受到未知或未缓解的影响的干扰和支配，并且在看到的结果中可能包括也可能不包括“重力”。

    人们普遍认为，在相当于几个细胞重量的力附近某处发现的吸引力是重力和质量普遍吸引力的无可辩驳的证据。因此，任何似乎支持它的东西都支持它，无论多么不精确，无论有多少其他影响可能主导实验的结果，以及将检测到这种轻微影响的一个原因比任何其他原因模棱两可是荒谬的自然界中的可能性被抛在脑后，完全被忽略了。正是通过这种固有的谬误，一个假设建立在另一个假设之上。给出了推论和结论，但基础基本上没有得到证明。观察和解释而不是证明和证明被认为是足够的。

    一个小影响

    卡文迪许实验问题的一个尝试理由是指出实验中的偏差是“小”的。具体来说，上面的福布斯文章提到了 015 水平的差异。

    “ 正如您所料，随着时间的推移，这些值变得越来越好，不确定性从 01 下降到 004，一直下降到 1990 年代后期的仅 0012，这主要归功于 nist 的 barry taylor

    这就是为什么在 1998 年如此震惊的原因，当一个非常谨慎的团队得到的结果与之前的结果相差 015这种差异多个团队使用不同的方法，得到的 g 值在 015 的水平上相互冲突，是先前报告的不确定性的十倍以上。 ”

    有人认为，这 015 的偏差很小，因此在此基础上应该忽略卡文迪许实验的问题。

    然而，这个论点是不够的。偏差的范围决定了结果。由于这些“小”效应主导了设备应测量的更小的重力效应，导致偏差超过预期不确定性的 10 倍，因此该实验是否测量重力仍然值得怀疑。在未来主义文章中，天体物理学家科林·罗布森将卡文迪许实验与一个类比进行了比较[1]试图在微风中用一对粗糙的秤来测量羽毛的重量。微风带来的这种“小”影响主导了羽毛重量的较小影响。在这种情况下，如果观察者无法看到羽毛，只能看到刻度上的读数，因微风而变化，那么质疑羽毛是否存在是合理的。同样，任何主导重力效应的情况都必然会质疑重力的存在。

    主导噪声使较小效应的检测无效。结果范围是设备确定不确定性的十倍以上。人们不能仅仅假设该实验正在检测一些公认的更强的影响导致不一致的结果，而是坚持“重力就在某个地方”。

    一种统计方法

    另一种证明卡文迪许实验结果合理的常用方法是断言我们只需要找到结果的最接近的均值、中位数或众数，并声明这是“重力”的值。然而，对这种方法的最小内省将表明，找到主导实验的效应的统计平均值只会告诉我们主导效应的平均值是多少，而不是关于“重力”。

    矛盾证明

    作为矛盾的证明，试图在比卡文迪许实验的较短范围内测量更大范围内的重力的类似实验无法检测到重力影响。卡文迪许实验被认为是极少数的引力证明之一，这是有原因的。在课堂上通常被忽视的是，人们在寻找来自地球或外部物体的引力变化方面付出了巨大的努力，但结果却是负面的。参见：重力变化