基于两种不同方法精确测量万有引力常数G的研究

The Newtonian gravitational constant G is one of the most important fundamental physical constants in nature. The measurement of G plays a unique role in the fields of gravitational experiments, precision measurement physics and so on. Although G was known earliest, its measurement precision is still the worst among all fundamental physical constants. The newest recommended G value by the Committee on Data for Science and Technology (CODATA-2010) had a relative uncertainty of 120 ppm (1ppm=1parts per million). Among the eight G values with claimed uncertainties within 50ppm, the largest discrepancy yields about 500 ppm, which is greatly larger than their individual uncertainties. This bad coincidence can be attributed to the unfounded or incorrectly evaluated systematic errors in these measurements. Here we plan to use two different methods: the time-of-swing method and the angular acceleration feedback method, to measure G with the expected uncertainties of less than 25ppm. We will evaluate the systematic errors in the two measurements in detail and hence improve the confidence level of the measurement result. The final combined value of G from two methods is hoped to be adopted by the future CODATA adjustment.

万有引力常数G是物理学中一个重要的基本常数，它的精确测量及相关研究在引力实验乃至精密测量物理领域占据着重要地位。虽然G是最早被认识的基本常数，但其测量精度却是所有物理学基本常数中最差的，国际基本常数委员会（CODATA）所推荐的最新G值相对精度仅仅为120ppm（1ppm即百万分之一）。即便在目前精度优于50ppm的8个测量结果中，最大最小值的差异达到了约500ppm，远大于各自宣称的精度。出现该问题的一个可能原因在于各测量方法中仍然存在未被发现或正确评估的系统误差。基于这种现状，我们拟采用两种不同方法：扭秤周期法和角加速度法在同一实验室进行G的精确测量。期望二者的相对精度分别达到25ppm，在此基础上比较两种不同方法给出的G值，寻找可能存在的系统误差，从而提高G值测量的置信水平。同时，为国际上关于不同方法测量G值不吻合的原因分析提供指导，并期望新的结果进入到后期的CODATA推荐值中。

万有引力常数G是最早被认识的基本常数，也是历年来物理学家研究的热点，但截至今日，G值测量精度在所有物理学基本常数中却是最差的。其精度提升缓慢反映G值测量充满挑战，特别是国际上各个实验小组测G结果互相之间不吻合一直是困扰着物理学家的难题。根据国际基本常数委员会最新收录的G值（CODATA-2014），尽管各个小组给出的G值精度较高，但它们的吻合程度很差，其中最大与最小值之间的差别达到了约500 ppm，远远大于各自的声称精度。这表明各个实验中可能存在尚未被发现或正确评估的系统误差。鉴于此，华中科技大学团队在同一实验室采用扭秤周期法和角加速度法两种不同的方法进行测G，以此来评估两种方法中可能存在的系统误差，从而提高G值测量的置信水平。经过三十多年的努力，测出了截至目前引力常数G的最精确值。相关研究成果于2018年8月30日在《Nature》期刊上以长文的形式发表。此项目采用两种不同方法测G，精度均达到国际最好水平，吻合程度接近10^(-5)的水平，这将为学界确定高精度的引力常数G的推荐值提供重要参考。美国国家标准与技术研究所（NIST）S. Schlamminger教授在《Nature》期刊“News and Views”栏目撰文“Gravity measured with record precision”，他认为该工作是“精密测量领域追求卓越工艺的典范”。该成果入选由两院院士评选出的2018年中国十大科技进展新闻，并入选2018年度中国科学十大进展。