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La medición precisa de la constante gravitacional G no solo es muy importante para comprender la naturaleza de la interacción gravitacional, sino que también tiene un importante significado teórico y práctico para la física teórica, la geofísica, la astronomía, la cosmología y la ciencia. medición precisa. Desafortunadamente, G es la constante física más antigua conocida y medida en la historia, pero su precisión sigue siendo la peor. Desde que Cavendish utilizó una balanza de torsión de precisión para obtener la primera medición precisa de la constante gravitacional G en la historia en 1798, la gente ha realizado arduos esfuerzos en este campo, combinando ciencia y tecnología modernas en continuo desarrollo con ingeniosos diseños experimentales que nos esforzamos por obtener. resultados precisos y confiables. Pero en los últimos doscientos años, la precisión de la medición de G ha mejorado en menos de dos órdenes de magnitud. Durante los últimos treinta años, aunque la mayoría de los experimentadores creían que sus experimentos de medición de G lograban una precisión relativa de 10-4, en realidad sus mediciones sólo coincidieron entre sí en un grado de 10-3. Por lo tanto, la medición precisa de la constante gravitacional G, como un tema candente y difícil, ha atraído la atención de científicos de todo el mundo, y se ha invertido una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales en una medición precisa.

Los métodos actuales de medición de G se pueden dividir a grandes rasgos en tres categorías: medición geofísica, medición de laboratorio y medición espacial. Los métodos geofísicos tienen efectos gravitacionales obvios, pero la precisión experimental es relativamente baja. Los métodos de medición espacial enfrentan muchos problemas técnicos nuevos y aún se están explorando. En la actualidad, la medición de laboratorio es el principal medio para obtener valores G de alta precisión, y una herramienta comúnmente utilizada es una escala de torsión de precisión. Existen varios métodos para medir la constante gravitacional g utilizando una escala de torsión: método de inclinación directa, * * método de vibración y método periódico. Entre ellos, el método del ciclo de equilibrio de torsión es uno de los métodos más utilizados y con mejores resultados de medición. Su principio básico es que después de colocar una masa atractiva alrededor de la escala de torsión, el período de movimiento de la escala de torsión cambiará en consecuencia. Medir la constante gravitacional g en el laboratorio es una tarea sistemática ardua y difícil. La mejora de la precisión experimental está limitada principalmente por los siguientes cuatro factores: la interacción gravitacional es muy débil; el efecto gravitacional no puede protegerse de la medición absoluta de la masa, la longitud y el tiempo; la independencia de la constante gravitacional g, etc.

Este artículo utiliza el método periódico de una escala de torsión para medir absolutamente la constante de gravedad g, y estudia sistemáticamente las características y errores del sistema de la escala de torsión. Al mismo tiempo, el entorno experimental se monitorea simultáneamente para garantizar la precisión del experimento. Su innovación radica en el uso de una escala de torsión de alto Q y período largo, que funciona en un entorno con temperatura constante, aislamiento de vibraciones e interferencia de gravedad externa relativamente pequeña, superando así los efectos de la histéresis y la termoelasticidad del cable de torsión en la medición de G. . Los detalles son los siguientes:

A. Investigación sobre el error del sistema de escala de torsión

Comprender las fuentes de error del sistema de escala de torsión desde aspectos teóricos y experimentales es de gran importancia. para mejorar la precisión experimental de la escala de torsión. Hemos obtenido una serie de resultados importantes en el estudio de los errores del sistema de escala de torsión: 1) Existe una configuración óptima entre la masa de inspección y la masa de atracción del sistema de escala de torsión, que puede reducir el efecto no lineal de la masa de atracción y hacer la escala de torsión Trabajar dentro de un rango amplio para mejorar la relación señal-ruido del sistema (phys. lett.a, 238, 1998:337) Utilizando el estado transitorio de la escala de torsión en lugar del estado de equilibrio de; la escala de torsión puede lograr una mayor precisión experimental (Phys.lett.a, 238, 1998:341); el análisis teórico y la investigación experimental muestran que cuando la escala de torsión funciona a 10-2 radianes, el efecto no lineal de la escala de torsión cuelga. El cable es inferior a 1 ppm y puede ignorarse. Esta conclusión elimina las preocupaciones sobre los efectos no lineales de los cables trenzados (Phys. Lett. a, 264, 1999: 112). 4) El análisis teórico y la investigación experimental muestran que el factor de calidad Q del sistema de escala de torsión disminuye a medida que aumenta su amplitud, lo que tiene un importante significado rector para reducir el impacto de la anelasticidad en la medición de G (Phys. Lett. a, 268, 2000: 255 ) (5) El análisis teórico y la investigación experimental muestran que los cambios en la temperatura ambiente tienen una gran influencia en el coeficiente de torsión K del cable colgante de la escala de torsión. Para el alambre de tungsteno comúnmente utilizado en experimentos, cuando cambia la temperatura ambiente, el error en la medición de G será de hasta 165 ppm (Rev. SCI. Instrum.71, 2000: 1524). Los resultados de la investigación de este efecto termoelástico del alambre retorcido muestran que muchos resultados de mediciones de G anteriores son cuestionables, y podemos usarlos para proporcionar una explicación razonable para los resultados actuales inconsistentes de las mediciones de G.

B. Investigación sobre el método de ajuste de frecuencia fundamental de señales de período ultralargo

El período de una escala de torsión generalmente varía desde unos pocos minutos hasta más de una hora, porque cuanto más largo Cuanto mayor sea el período, mayor será la sensibilidad. Sin embargo, es muy difícil ajustar la frecuencia fundamental de una escala de torsión de período largo. Los métodos tradicionales FFT (Transformada Rápida de Fourier) y de todos los polos (punto extremo) requieren n = 10-5 ciclos de datos de medición experimentales para lograr una precisión de ajuste relativa. Si el período de la escala de torsión es de 1 hora y la duración de los datos experimentales es de 15 años, obviamente no es realista. Actualmente se utiliza comúnmente el llamado ajuste no lineal, como el ajuste de mínimos cuadrados de una señal sinusoidal utilizando una función objetivo. La precisión del ajuste de frecuencia de este método depende de la precisión del ajuste de amplitud y fase. Para obtener la varianza total mínima, las varianzas de los tres parámetros deben estar equilibradas. Debido a que solo estamos interesados ​​en la precisión del ajuste de la frecuencia, podemos sacrificar la precisión del ajuste de otros parámetros para obtener un ajuste de frecuencia de alta precisión. Utilizando esta idea, proponemos un método de ajuste de períodos.

Los resultados de la aplicación específica de la simulación por computadora y los datos experimentales muestran que la precisión de ajuste de datos de este método para señales de baja frecuencia con más de diez períodos (período de hasta 1 hora) puede alcanzar más de 10-7, resolviendo así el problema de la Frecuencia fundamental de escalas de torsión de período largo. Problema de ajuste exacto. Este método puede usarse ampliamente en campos donde es necesario determinar la frecuencia fundamental de señales de frecuencia ultrabaja (Rev. Sci. Instrumental Music., V70, 1999: 4412).

C. Investigación sobre el inclinómetro de péndulo plegable

Para detectar simultáneamente el fondo de marea sólida con inclinación del suelo en el entorno experimental de medición G, utilizamos el aislamiento de vibración horizontal utilizado en el láser. Experimento de detección de ondas gravitacionales La tecnología se aplicó al estudio de las mareas sólidas inclinadas del suelo y se desarrolló con éxito un inclinómetro de péndulo plegable. La idea básica es conectar inteligentemente un péndulo delantero y un péndulo invertido para reducir el coeficiente de restitución de todo el sistema de péndulo, obteniendo así frecuencias de movimiento extremadamente bajas (períodos largos). El período del péndulo plegable que desarrollamos es superior a 60 segundos y la longitud equivalente del péndulo simple es superior a 1 km. Los resultados experimentales del uso de un péndulo plegable para observar mareas sólidas con inclinación del suelo muestran que la sensibilidad del péndulo plegable ha alcanzado 3,5 ± 10-9 radianes (Phys. Lt. a, 256, 1999: 132). Este resultado es significativamente mejor que el de los inclinómetros de tubería de agua y los inclinómetros de péndulo horizontal de uso común. Además, el péndulo plegable también se puede utilizar como captador sísmico de alta precisión para monitorear señales anormales de terremotos, especialmente antes de los terremotos. Hemos detectado muchos terremotos y sus señales precursoras utilizando péndulos plegados. La solicitud de patente de invención para el inclinómetro de péndulo plegable ha sido aprobada por la Oficina Nacional de Patentes (Patente No.: ZL951148222).

D. Investigación sobre sistemas de detección de temperatura de precisión

En el experimento de medición de la escala de torsión G, pequeños cambios en la temperatura ambiente afectarán directamente los resultados experimentales. Para monitorear simultáneamente el campo de temperatura en el entorno experimental, desarrollamos un sistema de medición de alta precisión para pequeños cambios de temperatura. El principio básico es utilizar la diferencia en las características de expansión térmica de dos materiales diferentes para detectar pequeños cambios de temperatura. El sistema de monitoreo de temperatura que desarrollamos tiene una resolución de 0,0001 oC, lo que resuelve el problema del monitoreo de temperatura en el campo en el entorno experimental. Esta tecnología también se puede aplicar a muchos otros campos (Rev. Sci. Instrument., 68,1997: 565).

Investigación sobre sistemas de aislamiento de vibraciones de frecuencia ultrabaja

Debido a la gravedad, la interacción es muy débil y es necesario aislar la interferencia de vibraciones externas en el experimento de medición G. Cuanto menor sea la frecuencia del sistema de aislamiento de vibraciones, mejor será el efecto de aislamiento de vibraciones. Se propuso por primera vez el concepto de sistema de referencia cuasiestático y se implementó un nuevo método de aislamiento de vibraciones basado en la amortiguación activa del sistema de referencia cuasiestático. Diseñado y fabricado sistemas de resortes de barra de torsión vertical de frecuencia ultrabaja. Su período natural alcanza los 20 segundos y la tasa de aislamiento de vibraciones del sistema supera los 3 órdenes de magnitud a 6 Hz. Utilizándolo como sistema de referencia cuasiestático, se ha logrado con éxito la amortiguación activa de un sistema de aislamiento de vibraciones a gran escala, y su rendimiento de aislamiento de vibraciones es mejor que el de los métodos tradicionales de aislamiento de vibraciones (Rev. SCI. Instrum. 69, 1998: 2781; Física, Lett.a, 253, 1999:1).

Diseño experimental único (período largo, valor Q alto), entorno experimental superior (temperatura silenciosa, constante, aislamiento de vibraciones), investigación profunda y detallada sobre el error del sistema del instrumento de escala de torsión y sincronización Monitoreo del entorno de fondo, la precisión del experimento está garantizada. Finalmente medimos G como (6,6699 · 0,0007)10-11 m3 kg-1s-2, y su precisión relativa alcanzó 105 ppm. Los resultados se publicaron en Phys. Rev. D (Physical Review D) en los Estados Unidos. Este no es solo el primer valor G de alta precisión en mi país hasta ahora, sino también uno de los mejores valores de medición del mundo. Fue adoptado por el valor CODATA recomendado por el Comité Internacional de Constantes Fundamentales de Física en 1998. .