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蔡司高精度坐标测量机XENOS解决大G世纪测量难题

   蔡司高精度坐标测量机XENOS解决大G世纪测量难题

  万有引力常数(记为 G),作为质量物体间万有引力的实验物理常数,其阐述于牛顿的万有引力定律及爱因斯坦的广义相对论中,与小写g 的区别在于,后者是局部引力场(等于局部引力引起的加速度),尤指地球表面的重力加速度。

  根据万有引力定律,两物体间的吸引力( F )与二者的质量(m1与m2)的乘积成正比,而与他们之间的距离( r )的平方成反比:

  

XENOS

 

  维基百科:万有引力常数G,在两个物体(m1、m2)之间的相互关系。

  自牛顿在三百多年前首次确定了质量与引力之间的关系以来,科学家们一直致力于了解引力的力量。但是,万有引力常数G虽是人类*早认识的物理学基本常数,但亦是至今测量难度*大的常数,同时鉴于其应用国家*高水准的材料、机械、测量及控制技术,备受各国科学家的关注。

  ■ 精密扭秤

  G之所以难以测量的部分原因在于与其他力相比它太微弱了,其值极小,约为6.67 × 10-11 m3 kg-1s-2,相当于电磁力的数万亿亿亿分之一。

  国际计量局(BIPM)在实验中使用一种精密扭秤测量G,此方法*早由英国科学家亨利·卡文迪许(Henry Cavendish)于1798年首次测量使用,此装置用以测量较小质量物体之间的引力,通常采用金属球体或圆柱体,实验中需测量金属悬丝或金属条的偏转或力矩等参数。

  

蔡司三坐标测量机

 

  BIPM所使用的精密扭秤比卡文迪许原先使用的扭秤要复杂得多,其配置8个特殊合金圆柱体质量块,其中4个位于圆形转盘上,另外4个质量稍小的圆柱体位于转盘内的圆盘上,此圆盘通过一根2.5 mm宽、160 mm长、厚度相当于人类头发丝的铜铍金属丝悬挂于天平顶部。

  此过程需将质量块固定于转盘外部,使其与转盘内部的质量块保持均衡,以达到平衡状态。当转盘外部的质量块转向一个新的方向时,转盘内部的质量块将感知一个微弱外力,该引力将导致内部质量块往外部质量块方向行进,使金属悬丝发生扭转,鉴于质量块之间的引力垂直于地球的重力,实验中地球的重力不会影响测量值。

  由于将金属悬丝偏转一定角度所需力的大小为已知。因此,基于激光及金属悬丝顶部的镜子,科学家可测量内部质量块向固定的外部质量块行进的物理距离,从而计算它们之间的万有引力。

  自20世纪后半叶,与科学史上其他时期相比,人类进行了更多的测量引力常数的研究工作。自1969年国际科技数据委员会(CODATA)成立以来,根据世界各地测G小组的*新实验结果,多次发布及调整万有引力常数G的推荐值。例如国际计量局(BIPM)在过去15年里进行的一组官方实验。尽管各个实验小组相继给出相对精度较高的测G实验结果,但它们之间的吻合程度仍然较差。

  

高精度三坐标测量机

 

  上图为大G测量的各项实验结果比对,其中垂直黑线表征G的*近推荐值,灰色区域表征误差区间

  因此,如何进一步提高实验精度,寻找未知的系统误差,以及寻找新途径是测量万有引力常数G的发展趋势,两年前,BIPM科学家和世界上其他致力于测量大G的科学界领军人物齐聚一堂,决定这些测试实验重新用同一组设备、不同实验场所及不同的科研团队进行。

  美国国家标准与技术研究院(NIST)物理测量实验室(PML)科研人员接受了这项挑战,并重新使用升级的设备进行BIPM实验。

  ■ 实时几何量坐标测量

  其中,测量大G的科研人员需测量牛顿引力方程中的其他量值,获取其所有零部件的精确尺寸及位置信息,“包括每个孔位、每个面形及每个装配件,”据NIST研究人员斯特林所述,“这皆需借助于三坐标测量机(CMM)”。

  鉴于此实验的高要求,NIST引进了德国蔡司*高精度坐标测量机XENOS(>点击了解产品信息)以用于几何量的高精度坐标测量,其搭载高稳定性的固定式工作台,配备高精度主动式三维测头,可测量被测对象上点位之间的空间距离,测量不确定度仅数十至数百纳米。

  

蔡司高精度三坐标

 

  于实验开始之前需首先使用CMM触测精密扭秤的各个关键部件,然即便于实验过程中也必须借助CMM,以确保实验中精密圆柱部件间的距离几何量值的精确获取,该设备安装于地下约十二米的实验室中,每次大G的测量实验皆需于真空中进行。

  此外,XENOS作为大空间测量范围*高精度的蔡司三坐标测量机,不仅覆盖科学研究、汽车及电子等应用领域,NIST亦将其用于航空轴承、计量标准器、精密设备结构件等高精度量测,满足多样化计量校准要求。

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