“万有引力”的测量方法
目前G测量的方法大致可以分为三类:地球物理测量、实验室测量和空间测量。地球物理方法有明显的引力效应，但实验精度相对较低。空间测量方法面临许多新的技术问题，仍在探索中。目前，实验室测量是获得高精度G值的主要手段，常用的工具是精密扭秤。扭秤测引力常数g有以下几种方法:直接倾斜法，* * *振动法和周期法。其中扭秤周期法是应用最广泛、测量结果最理想的方法之一。它的基本原理是在扭秤周围放置吸引质量后，扭秤的运动周期会相应改变。在实验室测量引力常数g是一项艰巨而困难的系统工作。实验精度的提高主要受到以下四个因素的制约:引力相互作用很弱；重力作用不能被屏蔽；质量、长度和时间的绝对测量；引力常数g的独立性等。
本文用扭秤的周期法绝对测量重力常数g，系统地研究了扭秤的特性和系统误差。同时同步监测实验环境背景，保证实验准确性。其创新之处在于采用了长周期、高Q的扭秤，工作在恒温、隔振、外界重力干扰相对较小的环境中，从而克服了扭丝磁滞和热弹性对G测量的影响。详情如下:
A.扭秤系统误差的研究
从理论和实验两方面了解扭秤系统的误差来源，对提高扭秤的实验精度具有重要意义。我们在扭秤系统误差的研究中得到了一系列重要的结果:1)扭秤系统的检验质量和吸引质量之间存在一个最优配置，可以从吸引质量上减小非线性效应，使扭秤在大幅度内工作，提高系统的信噪比(phys. lett.a，238，1998:337)；2)用测量扭秤的瞬态代替测量扭秤的平衡态可以获得更高的实验精度(phys.lett.a，238，1998:341)；3)理论分析和实验研究表明，当扭秤工作在10-2弧度时，扭秤挂线的非线性效应小于1 ppm，可以忽略不计。这一结论消除了人们对绞线非线性效应的担忧(Phys .列特。a，264，1999: 112)。4)理论分析和实验研究表明，扭秤系统的品质因数Q随其振幅的增大而减小，这对减小滞弹性对G测量的影响具有重要的指导意义(Phys .列特。a，268，2000: 255) (5)理论分析和实验研究表明，环境温度的变化对扭秤吊线的扭转系数K影响很大。对于实验中常用的钨丝，即环境温度变化时，给G的测量带来的误差会高达165 ppm (Rev. SCI。Instrum.71，2000: 1524)。扭绞线的这种热弹性效应的研究结果表明，以前的许多G测量结果是值得怀疑的，我们可以用它来对目前G测量结果不一致的现象作出合理的解释。
B.超长周期信号基频拟合方法研究
扭秤的周期一般从几分钟到1小时以上，因为周期越长，灵敏度越高。然而，拟合长周期扭秤的基频是非常困难的。传统的FFT(快速傅立叶变换)和全极点(极值点)方法需要n = 10-5个周期的实验测量数据才能达到相对拟合精度。如果扭秤的周期是1小时，实验数据长度是15年，显然是不现实的。目前常用的是所谓的非线性拟合，比如对正弦信号用目标函数进行最小二乘拟合。这种方法对频率的拟合精度取决于幅度和相位的拟合精度。为了得到最小的总方差，三个参数的方差必须平衡。因为我们只对频率的拟合精度感兴趣，所以可以牺牲其他参数的拟合精度来获得高精度的频率拟合。利用这一思想，我们提出了周期拟合方法。计算机仿真和实验数据的具体应用结果表明，该方法对十个以上周期(周期长达1小时)的低频信号的数据拟合精度可达10-7以上，从而解决了长周期扭秤基频的精确拟合问题。该方法可广泛应用于需要确定超低频信号基频的领域(Rev. Sci。器乐。，V70，1999: 4412)。
C.折叠摆倾斜仪的研究
为了在测G实验环境中同步探测地倾斜固体潮背景，我们将激光引力波探测实验中使用的水平隔振技术应用到地倾斜固体潮研究中，成功研制了折叠摆倾斜仪。基本思想是巧妙地将一个正摆和一个倒立摆连接起来，以降低整个摆系统的恢复系数，从而获得极低的运动频率(长周期)。我们研制的折叠摆周期大于60秒，单摆等效长度大于1 km。用折叠摆观测地倾斜固体潮的实验结果表明，折叠摆的灵敏度已达到3.5±10-9弧度(物理列特。a，256，1999: 132)。这一结果明显优于常用的水管测斜仪和水平摆测斜仪。此外，折叠摆还可以作为高精度的地震拾音器，用于监测地震的异常信号，尤其是地震前的异常信号。我们利用折叠摆探测到了许多地震及其前兆信号。折叠摆倾斜仪发明专利申请已获国家专利局批准(专利号:ZL951148222)。
D.精密温度传感系统的研究
在测G扭秤的实验中，微小的环境温度变化都会直接影响实验结果。为了同步监测实验环境中的温度场，我们研制了一套高精度的微小温度变化测量系统。其基本原理是利用两种不同材料热膨胀特性的差异来检测微小温度的变化。我们研制的温度监测系统分辨率达到0.0001 oC，解决了实验环境中温度场的监测问题。这项技术还可以应用于许多其他领域(Rev. Sci。仪器。, 68,1997: 565).
E.超低频隔振系统的研究
由于引力相互作用很弱，必须隔离外界振动对G测量实验的干扰，隔振系统的频率越低，隔振效果越好。首次提出了准静态参考系的概念，并实现了基于准静态参考系主动阻尼的隔振新方法。设计并制造了超低频垂直扭杆弹簧系统。其固有周期达到20秒，系统的隔振率在6Hz时超过3个数量级。以其为准静态参照系，成功实现了大型隔振系统的主动阻尼，其隔振性能比传统隔振方法(Rev. SCI。Instrum.69，1998:2781；物理，列特。a，253，1999:1)。
独特的实验设计(长周期、高Q值)、优越的实验环境(静音、恒温、隔振)、对扭秤仪系统误差的深入细致研究、背景环境的同步监测，保证了实验的准确性。我们最终测得G为(6.6699 0.0007)10-11 m3 kg-1s-2，其相对精度达到105 ppm。该结果发表在美国的Phys. Rev. D(物理评论D)上。这不仅是我国迄今为止第一个高精度的G值，也是目前国际上最好的测量值之一，并被国际物理基本常数委员会1998推荐的CODATA值采用。
参考资料:
/yxbslw/pxjg/2002/luojun.htm