角加速度法测量万有引力常数G

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万有引力常数G是自然界最重要的基本物理常数之一,它的精确测量在物理学中占据着特殊地位。从1798年Cavendish的扭秤实验得出历史上第一个相对精度约1%的G值测量结果以来,200多年间科学家们在这一领域内付出了诸多努力,但G值的测量精度仍然是物理学基本常数中最差的。国际科技数据委员会(CODATA)最新公布的2014推荐值为G=6.67408(31)×10-11m3kg-1s-2,相对精度仅为47ppm,其中收录的14个测量结果中最小值和最大值相差达到500ppm。造成这种现象的一个可能原因是各种不同方法之间存在着某些尚未被发现和正确评估的系统误差。  本人作者于2009年开始利用角加速度法进行万有引力常数的精确测量实验,经过四年时间完成了原理性实验,测量结果重复性达到124ppm的水平,成功实现了实验探索,验证了装置的关键技术。自2012年开始,针对原理性实验中遇到的问题开展新一轮的改进实验,又经过三年的努力,实验结果重复性达到了15.8ppm,与原理性实验相比提高了进一个数量级。为了得到高精度的G值测量结果,在2015年至2017年博士后科研阶段,继续深入研究角加速度法测G实验,对各项前期实验中遇到的具体问题进行攻关。主要包括:1、详细测量了石英玻璃秤杆表面铜金镀层厚度分布对实验的影响,测量结果表明镀层效应为9.154ppm,对G值误差贡献0.324ppm;2、为了验证吸引质量球体的间距的稳定性,在测G实验现场,利用旋转量块法测量水平方向球心间距,利用塞入量块法测量竖直方向球心间距,测量结果与三坐标测量结果在2μm误差范围内吻合;3、由于球体支架质量分布不对称,在信号频率处会产生1195(9)ppm的背景引力梯度效应。实验中利用扭秤自由周期进行测量并用经过特殊设计的质量块进行补偿,使效应降低到1.345ppm,不再是实验中的主要系统误差来源;4、温度会影响所有实验参量,实验中详细研究了环境温度变化对实验的影响,进行了0.9℃的温度调制实验,最后给出实验环境0.1℃温度波动对G值的误差贡献为0.904ppm;5、球体本身具有微弱的剩磁,会产生额外的力矩影响扭秤运动。实验中建模分析了球体磁场梯度对实验的影响,通过线圈调制实验,给出其对G值的误差贡献为3.981ppm。最后,进行了18组重复测量实验,给出G值测量精度为10.327ppm。
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