揭秘宇宙基本参数——万有引力常量G的测量方法
今天给各位分享揭秘宇宙基本参数——万有引力常量G的测量方法的知识，其中也会对进行解释，如果能碰巧解决你现在面临的问题，别忘了关注本站，现在开始吧！
万有引力是牛顿提出的。
但是，万有引力定律的发现，并非完全依赖牛顿，还包括牛顿之前一大批物理学家，比如哥白尼，比如开普勒，比如伽利略；
同时，万有引力的完善，特别是引力常数的测量，也是由另外一个科学家完成的——这个科学家就是卡文迪许。
上图中，公式里的G就是万有引力常量。
那么，万有引力常量G的测量有哪些难点？
卡文迪许到底是如何测量它的呢？
下面为您具体介绍！
02
万有引力常量G测量的难点
我们先来解释一下这个很多人都会产生的疑问，即：
万有引力常量（以下简称引力常量）真的那么难测量么？
根据万有引力定律的表达式，只需要测量出m，M两个质量，测量出m和M之间的距离R，测量成它们之间的引力F，带入公式，不就计算出引力常量G了么？这是一个中学生都可以做到的呀！
的确，卡文迪许所用的方法就是如此，一个中学生都能想到的方法。
但是这个方法要实现起来可是难上加难！可以说是物理学史上最难的实验之一！
为什么呢？
因为引力太弱了！引力是宇宙中四种基本相互作用力中最小的一种，两个质子间的引力，是它们之间电磁力的1/10^36，也就是1万亿亿亿亿分之一。
m，M的质量可以用天平来测量，距离可以用尺子来测量，但是引力，拿什么来测量呢？
弹簧测力计？不行！——精度完全不够。
引力实在是太弱了，两个60千克的人，站在相距离1米的地方，他们之间的引力，只有2.4×10^-7N——还不到一粒灰尘的重力大小！
这就是万有引力发现100年过去了，引力常量还没有测量出来的原因。
03
不得不讲的库仑和库仑定律
引力常数的测量关键，就变成了测量引力，那么我们到底该如何测量引力呢？卡文迪许用的是什么方法呢？
这里，我们不得不讲讲库仑以及其发现的库仑定律。
库仑是个物理学家，主要研究电学。
在物理学中，电荷的多少叫做电荷量，用Q表示，它的单位就是「库仑」，简称库，用符号C表示。
库仑定律是描述带电物体之间（电荷之间）相互作用力的定律——这也是一种最基本的相互作用力，被称为电磁力。
库仑定律的表达式，和万有引力定律非常相似，甚至可以说是一模一样！
库仑定律
这是一种巧合么？电磁力为什么也满足平方反比关系？
当然，我们这里不去探讨电磁力和引力的内在关系，我们要关注的是库仑如何测量电磁力的——这对我们（对卡文迪许）测量引力来说，有着借鉴作用。
库仑的方法
为了测量一个微小的力，库仑设计了一种被称为扭秤的实验装置，如下图：
宇宙君把这个装置的原理图也做了出来：
图中，灰色的竖线是一根钢丝；四个小球代表四个带电体，它们所携带的电量都是q；球之间的距离是L0，连杆的长度是2L1，一半就是L1。
这个装置利用了“钢丝受到力矩会转动，转过的角度和所受的力矩成正比”这个原理制作而成。
当我们把装置如图连接，给小球带上电，钢丝就会转动一定的角度，测量出这个角度，就可以反推出钢丝受到的力矩，结合装置的长度参数，就可以计算出电荷之间的库仑力了！
所以，本质上，扭秤是一种把力放大的装置，连杆L1越大，钢丝越细，放大系数就越大。
卡文迪许，就是在此基础上，重新设计了实验，从而最终测出了引力常量。
04
卡文迪许的实验
库仑通过精巧的设计，利用扭秤测量出了电荷之间的作用力；但是这种装置直接用来测量引力还是远远不够的！——因为引力要弱的多。
所以卡文迪许在库仑扭秤的基础上做了更多的改进，引入其他方法，放大更多倍数。
卡文迪许用铅球替代原来的小球（增加质量，增大引力），并且把实验装置全部扩大（因为L1越大，放大倍数就越高）；而且在钢丝上加上一面镜子，用一束光照射到镜子上，再反射到很远的墙壁上。
这样的话，扭秤转动一点点距离，光斑就会移动很多的距离——从而又进行了一次放大（实验中是用望远镜来观察的）。
在实验中，卡文迪许用的是一根39英寸的镀银铜丝吊一根6英尺木杆，杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球，另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们，测出铅球间引力引起的摆动周期，由此计算出两个铅球的引力，从而进一步计算了引力常量G。
下面把简化的计算过程和实验示意图放在一起展示：
卡文迪许所测量的万有引力常量G的数值为 6.754×10N·m^2/kg^2，而现代值的前四位数为6.672——所以，卡文迪许的实验精度是非常高的。
英国物理学家坡印廷曾对这个实验下过这样的评语：“开创了弱力测量的新时代”。
以卡文迪许的名字命名的、位于剑桥大学内部的卡文迪许实验室，也是目前世界上最著名、最先进的实验室之一。
05
测量地球质量
测出引力场常数G，到底 有什么用呢？
其中一个非常有趣的用法就是，可以轻松计算出地球的质量了！
把你的质量m和重力（约等于你受到的引力）带入万有引力方程，并将地球半径R=6400公里也带进去，就可以计算出来地球的质量约为M=6×10^24kg。
这也是人类第一次测量出地球的质量。
06
结语
万有引力常量的测量，是一场对精确度的极致追求，是人类智慧和创造力的体现。
这个重要的宇宙参数，在我们的生活各处发挥着作用。
回顾万有引力常量G的测量过程，感受物理学实验的细致和精妙，理解其中蕴含的物理学思想，是一件非常有意思、也非常有意义的一件事情。
(完)
参考资料：
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宇宙物理学：引力质量和惯性质量相等，是惊天巧合还是暗藏玄机？
宇宙物理学：万有引力定律是如何得到的？
宇宙物理学：重力和引力一样么？
宇宙物理学：牛顿时代，人们如何验证「万有引力定律」的正确性？
用户评论
我一直很好奇关于宇宙这些基本常量的测量问题。万有引力是感觉很神秘的存在，没想到它会有具体的数值啊！作者讲得真的很详细，让我对如何测量G有了基本的了解。
有9位网友表示赞同！
这篇文章写的真好！我一直对宇宙物理学感兴趣，但有些概念难以理解。这次终于明白了G是怎样测量的，还挺激动！
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看了文章后我对测量万有引力常量这个实验的难度有了更深刻的认识。这种精确到微小的数值测量确实很不容易啊！
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我以前就觉得宇宙物理学太抽象了，没想到还有这么细腻的操作步骤。感觉作者很有专业素养，讲解也很透彻。
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文章写的很棒，让我对宇宙基本参数有更深入的了解！希望以后还能看到更多有趣的科普文章。
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其实我一直觉得万有引力是宇宙中最为神奇的力量之一，它不仅决定了星球运行轨迹，还影响着我们生活的万物。这种力量居然可以被准确测量，真让人叹服
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我觉得这个关于G的测量的文章写的比较详细，能够很清楚地解释其中的原理，但是对于一些科学知识基础较弱的人来说可能有些晦涩难懂。
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这篇文章内容挺丰富，但公式有点多，感觉有些晦涩难懂，希望能加入一些图片或动画图来辅助理解。
有8位网友表示赞同！
虽然作者解释得很清楚了，但我还是觉得测量万有引力常量这个实验过程太复杂了，很多步骤都我难以理解。
有7位网友表示赞同！
这篇文章让我对宇宙物理学有了更深入的认识，但是如果能多讲讲G在哪些领域的应用，会更加实用和有趣。
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虽然我读过一些关于宇宙物理学的书籍，但始终不明白万有引力的具体作用方式。这篇文章讲得很好，让我对这个问题有所了解了，希望能再看到更多相关内容。
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我对宇宙基本参数一直很感兴趣，但对于测量G这种方法我还是比较疑惑的。或许可以多补充一些其他的测量的方案？
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万有引力常量确实很重要，它影响着我们星球运行、日常生活等等，但是这篇文章讲的有些枯燥，缺乏趣味性。能加入一些有趣的场景举例会更好
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作者把一个非常抽象的科学概念，用通俗易懂的方式解释得很清楚，真的很棒! 这让我对宇宙物理学有了更深的兴趣！
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这篇文章写的太少了，我觉得应该再多补充一些关于万有引力常量的内容，比如它的历史发展、以及未来研究方向等等。
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文章整体来说内容丰富，但有些地方缺乏例子和应用场景的解释，这样读起来会比较抽象，建议作者在这方面加强说明。
有20位网友表示赞同！
我有一个疑问，这篇文章提到一种方法来测量G，请问这种方法现在还常用吗？还有什么其他的测量的方案吗？
有17位网友表示赞同！