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扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)量出了什么扭秤實(shí)驗(yàn)

2023-08-26 10:06:08 來(lái)源：城市網(wǎng)

1、假說(shuō)的提出這是一個(gè)“老掉牙”的故事，想必大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò)。

2、16世紀(jì)末，意大利著名物理學(xué)家伽利略，在比薩斜塔上做了一次公開(kāi)實(shí)驗(yàn)：他的兩只手中，拿著兩個(gè)不同重量的鐵球，一個(gè)十磅重，一個(gè)一磅重，兩個(gè)鐵球同時(shí)脫手，而且同時(shí)著地。

3、這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推翻了亞里士多德保持了兩千多年的理論，因而在近代物理學(xué)史上傳為佳話。

【資料圖】

4、可是問(wèn)題并沒(méi)有就此完結(jié)。

5、現(xiàn)代物理學(xué)的理論可以證實(shí)，真空中兩個(gè)不同重量的鐵球，從相同的高度同時(shí)下落，一定會(huì)同時(shí)著地的。

6、但是兩個(gè)不同材料構(gòu)成的物體，比如一根羽毛和一個(gè)鐵球，是不是也具備同樣的性質(zhì)呢？我們知道，在生活中，羽毛的下落速度，明顯比鐵球慢得多。

7、據(jù)說(shuō)這也是當(dāng)初亞里士多德理論的來(lái)源之一。

8、伽利略認(rèn)為，這是由于羽毛的重量太輕，因此在下落的過(guò)程中，會(huì)受到較大的空氣阻力。

9、如果在真空中，羽毛和鐵球從相同的高度同時(shí)下落，一定也會(huì)同時(shí)著地的。

10、由于實(shí)驗(yàn)條件的局限，伽利略沒(méi)能在有生之年完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

11、隨著科技的發(fā)展，人類在自然界中制造出了高真空，伽利略的遺愿終于可以實(shí)現(xiàn)了。

12、在真空中，人們看到羽毛和鐵球從相同的高度同時(shí)下落，果然是同時(shí)著地的。

13、本來(lái)，這個(gè)懸案應(yīng)該到此為止了。

14、可是進(jìn)入20世紀(jì)以后，人們又發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題。

15、1922年，匈牙利科學(xué)家富佛斯在一次真空實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同重量、不同材料的物體，從相同的高度同時(shí)下落，并不是完全同時(shí)著地的，而是存在微小的時(shí)間差距。

16、但是富佛斯的發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有引起當(dāng)時(shí)物理界的關(guān)注。

17、富佛斯的發(fā)現(xiàn)被擱置了60多年。

18、直到1986年，世界物理學(xué)界才開(kāi)始認(rèn)真研究富佛斯的真空下落實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得到了令人更為吃驚的結(jié)論：在真空中，羽毛竟然比鐵球先著地！400年前伽利略的猜想，又被推翻了。

19、經(jīng)過(guò)大量細(xì)致的研究，現(xiàn)代的物理學(xué)家們總結(jié)出了如下結(jié)論：正在下落的物體，不僅受到重力的作用，而且還有一個(gè)較小的“排斥力”在搗亂。

20、這種“排斥力”的方向剛好與重力相反，因此影響了物體下落的速度。

21、現(xiàn)代物理學(xué)中，把這種“排斥力”稱為“超負(fù)載力”（也稱為“超電荷力”）。

22、由不同材料構(gòu)成的物體，所受到的“超負(fù)載力”也不同。

23、這就是“真空中羽毛比鐵球下落快”的原因。

24、在“超負(fù)載力”被發(fā)現(xiàn)之前，人類所知道的“力”總共可以歸結(jié)為四大類，即萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

25、而這種“超負(fù)載力”不能歸于四類中的任何一類，只能獨(dú)立成“第五種力”。

26、當(dāng)然，這“第五種力”是不是存在，物理學(xué)界尚有爭(zhēng)論，因?yàn)榇罅繉?shí)驗(yàn)的結(jié)果并不是完全一致的。

27、因此，人類對(duì)這種“超負(fù)載力”的認(rèn)識(shí)，還處在初級(jí)階段。

28、亞里士多德和伽利略這兩位偉人留給后人的懸案，何時(shí)能夠完全了結(jié)呢？讓我們拭目以待吧。

29、在現(xiàn)實(shí)生活中，雞毛和鐵塊，哪個(gè)落得快，答案是清楚的。

30、至于雞毛為何比鐵塊下落得慢呢？人們解釋說(shuō)，這是由于地球周圍存在著大氣圈，雞毛所受的浮力大于鐵塊。

31、如果在真空管中，雞毛和鐵塊，哪個(gè)落得快，情況就不同了。

32、當(dāng)然，答案也是清楚的：雞毛和鐵塊將同時(shí)落到底部。

33、至此，不同重量的兩個(gè)物體究竟誰(shuí)先落地似乎已明白無(wú)誤了。

34、然而在1992年，匈牙利的勞倫特·馮·富佛斯等在一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：不同重量物體的下落時(shí)間略有不同。

35、可當(dāng)時(shí)這一發(fā)現(xiàn)卻未引起人們的重視。

36、近二十余年來(lái)，美國(guó)的朗格等對(duì)富佛斯的實(shí)驗(yàn)重新進(jìn)行分析，他們發(fā)現(xiàn)：雞毛和鐵塊的下落速度確實(shí)不同，而且雞毛的下落速度要略大于鐵塊。

37、請(qǐng)注意，現(xiàn)在是輕物要比重物下落得快，這又是什么原因呢？朗格根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)及1891年以來(lái)有相當(dāng)可靠程度的七組實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)室尺度上，牛頓的引力平方反比定律和實(shí)驗(yàn)相比有一系統(tǒng)的偏差。

38、這個(gè)偏差，可以表示為引力常數(shù)隨距離的變化。

39、以后，對(duì)大量地球物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析證實(shí)了它的存在，并把它歸結(jié)為存在一種不同于牛頓引力的新力，稱之為第五種力。

40、正是由于這種新力的暗中作梗，才使得雞毛捷足先登。

41、當(dāng)然，第五種力的提出，畢竟還只是一種假說(shuō)而已。

42、為了弄清這種新力的起源，以弗許貝克博士為首的一組美國(guó)物理學(xué)家，還重新分析了歷史上著名的厄缶的質(zhì)量等價(jià)實(shí)驗(yàn)。

43、我們知道，質(zhì)量有兩個(gè)定義，一個(gè)反映慣性的大小，叫慣性質(zhì)量，以符號(hào)m慣表示，根據(jù)的是牛頓第二定律：F=m慣·a式中，a為力F作用下的物體的加速度。

44、另一個(gè)反映引力的大小，叫引力質(zhì)量，以符號(hào)M引表示，根據(jù)的是萬(wàn)有引力定律：式中，G為引力常數(shù)，m與R分別為地球的質(zhì)量與半徑，F(xiàn)為物體所受地球的引力。

45、對(duì)于地面上的自由落體運(yùn)動(dòng)，應(yīng)有這兩個(gè)定義不同的質(zhì)量，是否有一定的比例關(guān)系。

46、通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，它們之間有嚴(yán)格的比例關(guān)系。

47、最早的證明就是伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)，可得：其次，牛頓提出三大運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律，也必然碰到兩種質(zhì)量的關(guān)系問(wèn)題。

48、他用不同材料充當(dāng)單擺的擺錘，進(jìn)行比較它們的擺動(dòng)周期的實(shí)驗(yàn)，亦可得：但是，從實(shí)驗(yàn)方法來(lái)說(shuō)，不論是自由落體實(shí)驗(yàn)，還是單擺實(shí)驗(yàn)，測(cè)量精度都不高。

49、因?yàn)檫@兩種實(shí)驗(yàn)都是動(dòng)態(tài)的，涉及位置和狀態(tài)的變化，還會(huì)受其它因素，例如，空氣阻力的干擾。

50、于是，匈牙利的厄缶設(shè)計(jì)了更為精確的質(zhì)量等價(jià)實(shí)驗(yàn)。

51、他采用扭秤方法，把動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)改為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，直接比較兩個(gè)物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量，從而大大地提高了實(shí)驗(yàn)精度。

52、一根橫桿懸掛在細(xì)線下，橫桿兩端對(duì)稱地固定著材料不同、但質(zhì)量相同的重物A和B。

53、這兩種重物都會(huì)受到重力m引·g和地球自轉(zhuǎn)造成的離心力性質(zhì)量與引力質(zhì)量等價(jià)，則兩重物所受離心力相等，力矩互相抵消，扭秤維持平衡。

54、如果慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量不成正比，則扭秤失去平衡，而使懸絲扭轉(zhuǎn)。

55、那么，如何測(cè)定懸絲扭轉(zhuǎn)呢？厄缶用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)懸絲上掛著的小反射鏡，觀察望遠(yuǎn)鏡上方的短刻度標(biāo)尺，從而測(cè)量偏轉(zhuǎn)角。

56、為了避免系統(tǒng)誤差，厄缶還將橫桿轉(zhuǎn)180°，換一個(gè)方向測(cè)量。

57、如此精確系統(tǒng)的測(cè)量，1889年厄缶得到的第一次結(jié)果，實(shí)驗(yàn)精度達(dá)η≤5×10-8。

58、1980年得到第二次結(jié)果，η=3×10-9，后一結(jié)果直到厄缶死后三年才正式發(fā)表。

59、細(xì)心的弗許貝克認(rèn)為，厄缶當(dāng)年列出不同材料引力加速度的極微小差別也許不是實(shí)驗(yàn)誤差，有可能是真實(shí)效應(yīng)。

60、也就是說(shuō)，對(duì)于真空的自由落體，輕物下落快、重物下落慢，過(guò)去把它歸咎于實(shí)驗(yàn)中偶然出現(xiàn)的一種干擾，可是弗許貝克等卻不輕易放過(guò)這一反常現(xiàn)象。

61、他們認(rèn)為，在真空中，輕物（比如雞毛）之所以比重物（比如鐵塊）下落快，正是因?yàn)閷?duì)物體起作用的不僅是重力，另外還有一個(gè)較小的排斥力，弗許貝克等稱其為“超電荷力”，也就是第五種力，它與兩個(gè)物體之間的引力方向相反，并使不同結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的物體產(chǎn)生稍微不同的加速度。

62、[編輯本段]已知的四種力本質(zhì)上講，自然界所存在的多種類型的力，都可歸結(jié)為四種基本相互作用。

63、那就是引力作用、電磁作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用。

64、我們現(xiàn)在所觀察到的宇宙，其尺度約為150～200億光年。

65、宇宙中的一切物體都是由一種看不到的力量在主宰著，那就是引力作用。

66、但是它在強(qiáng)度上是四種基本相互作用中最弱的一種。

67、電磁作用是帶電粒子與電磁場(chǎng)的相互作用以及帶電粒子之間通過(guò)電磁場(chǎng)傳遞的相互作用。

68、在強(qiáng)度上它次于強(qiáng)相互作用而居于四種基本相互作用的第二位。

69、電磁力和萬(wàn)有引力一樣是宇宙中普遍存在的一種長(zhǎng)程力。

70、主宰著微觀世界的是強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

71、強(qiáng)相互作用是使核子結(jié)合成原子核的作用。

72、在強(qiáng)度上它是四種基本相互作用中最強(qiáng)的一種。

73、它不像萬(wàn)有引力和電磁力那樣是長(zhǎng)程力而是短程力。

74、但是它的力程比弱相互作用的力程長(zhǎng)，約為10-13cm。

75、大約等于原子核中核子間的距離。

76、弱相互作用是存在于原子核內(nèi)部的一種相互作用。

77、在強(qiáng)度上它次于強(qiáng)相互作用和電磁作用之后居于四種基本相互作用的第三位。

78、它也是一種短程力，力程約為10-15cm，比原子核的半徑還小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

79、因此，這種力在極短距離內(nèi)起作用，盡管如此，它在自然界中卻扮演著相當(dāng)重要的角色。

80、沒(méi)有它，太陽(yáng)和許多恒星就會(huì)熄滅，無(wú)法產(chǎn)生由氫形成氦的持續(xù)聚變。

81、這樣，四種強(qiáng)度懸殊、性質(zhì)各異的基本力，完全控制了我們的宇宙。

82、不過(guò)，物理學(xué)家們?cè)缇蛻岩蛇@四種力在宇宙混沌初開(kāi)的某一階段可能原來(lái)是一種作用力，后來(lái)隨著宇宙的演化而各自成家了。

83、長(zhǎng)期以來(lái)，不少物理學(xué)家就致力于這四種基本力的統(tǒng)一工作，以還其廬山真面目。

84、1967年溫伯格和薩拉姆成功地把電磁作用和弱相互作用統(tǒng)一起來(lái)，建立弱電統(tǒng)一理論。

85、目前，物理學(xué)家們正乘勝出擊，致力于建立所謂大統(tǒng)一理論，把電磁作用、弱相互作用和強(qiáng)相互作用三種基本力統(tǒng)一在一起，以及更進(jìn)一步地建立起大統(tǒng)一理論，把所有四種基本力統(tǒng)一起來(lái)。

86、由于自然界的四種基本力是決定所有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的依據(jù)。

87、現(xiàn)在有可能存在第五種基本力，自然引起物理學(xué)界的極大興趣。

88、[編輯本段]實(shí)驗(yàn)證明然而，第五種力是否真正存在，首先是一個(gè)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。

89、所以近二十余年來(lái)，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里、礦井中、電視塔上、懸崖旁、海底下做了大量實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了許多精密儀器，以便證實(shí)或否定它的存在。

90、探測(cè)第五種力的實(shí)驗(yàn)大致可以分成下列三類。

91、第一類實(shí)驗(yàn)是把地球作為引力源，測(cè)量離地心不同距離處重力加速度的變化，以此和按牛頓平方反比定律算得的理論值相比較。

92、例如，墨西哥灣1100平方公里范圍內(nèi)海底海面的703個(gè)重力數(shù)據(jù)；澳大利亞西北昆士蘭14000個(gè)鉆孔提供的地層及重力數(shù)據(jù)等。

93、第二類實(shí)驗(yàn)是測(cè)量同一引力源（如大崖巖石）對(duì)質(zhì)量相同而成分不同的物體的引力作用差別。

94、例如美國(guó)布魯海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的新型加速度儀，實(shí)驗(yàn)中浸在水中的懸浮銅球殼（內(nèi)充滿水），在高出哈得遜河161米的崖壁的作用下，測(cè)其加速度，分析銅與水所受到的作用力大小。

95、第三類實(shí)驗(yàn)測(cè)量反物質(zhì)——目前用的是反質(zhì)子和正電子——在地球引力作用下的加速度，如果存在與重子數(shù)和輕子數(shù)相關(guān)的第五種力，則其加速度將和質(zhì)子、電子的不同。

96、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃已獲得批準(zhǔn)，但還未取得結(jié)果。

97、顯然，理論認(rèn)識(shí)是否正確，最后要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

98、盡管目前第五種力的存在的探索實(shí)驗(yàn)多種多樣，但要真正證實(shí)第五種力的存在，尚需做更多、更精密的實(shí)驗(yàn)才能做出最終結(jié)論。

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