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扭秤實驗測量出了什么 扭秤實驗

來源：城市網

1、假說的提出 這是一個“老掉牙”的故事，想必大家都聽說過。

2、16世紀末，意大利著名物理學家伽利略，在比薩斜塔上做了一次公開實驗：他的兩只手中，拿著兩個不同重量的鐵球，一個十磅重，一個一磅重，兩個鐵球同時脫手，而且同時著地。

3、這個實驗結果，推翻了亞里士多德保持了兩千多年的理論，因而在近代物理學史上傳為佳話。


【資料圖】

4、 可是問題并沒有就此完結。

5、現代物理學的理論可以證實，真空中兩個不同重量的鐵球，從相同的高度同時下落，一定會同時著地的。

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

7、據說這也是當初亞里士多德理論的來源之一。

8、伽利略認為，這是由于羽毛的重量太輕，因此在下落的過程中，會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下落，一定也會同時著地的。

10、 由于實驗條件的局限，伽利略沒能在有生之年完成這個實驗。

11、隨著科技的發展，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現了。

12、在真空中，人們看到羽毛和鐵球從相同的高度同時下落，果然是同時著地的。

13、 本來，這個懸案應該到此為止了。

14、可是進入20世紀以后，人們又發現了新的問題。

15、1922年，匈牙利科學家富佛斯在一次真空實驗中發現，不同重量、不同材料的物體，從相同的高度同時下落，并不是完全同時著地的，而是存在微小的時間差距。

16、但是富佛斯的發現并沒有引起當時物理界的關注。

17、 富佛斯的發現被擱置了60多年。

18、直到1986年，世界物理學界才開始認真研究富佛斯的真空下落實驗，結果得到了令人更為吃驚的結論： 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、 經過大量細致的研究，現代的物理學家們總結出了如下結論：正在下落的物體，不僅受到重力的作用，而且還有一個較小的“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、現代物理學中，把這種“排斥力”稱為“超負載力”（也稱為“超電荷力”）。

22、由不同材料構成的物體，所受到的“超負載力”也不同。

23、這就是“真空中羽毛比鐵球下落快”的原因。

24、 在“超負載力”被發現之前，人類所知道的“力”總共可以歸結為四大類，即萬有引力、電磁力、強相互作用和弱相互作用。

25、而這種“超負載力”不能歸于四類中的任何一類，只能獨立成“第五種力”。

26、 當然，這“第五種力”是不是存在，物理學界尚有爭論，因為大量實驗的結果并不是完全一致的。

27、因此，人類對這種“超負載力”的認識，還處在初級階段。

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

29、 在現實生活中，雞毛和鐵塊，哪個落得快，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，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，哪個落得快，情況就不同了。

32、當然，答案也是清楚的：雞毛和鐵塊將同時落到底部。

33、 至此，不同重量的兩個物體究竟誰先落地似乎已明白無誤了。

34、 然而在1992年，匈牙利的勞倫特·馮·富佛斯等在一次實驗中發現：不同重量物體的下落時間略有不同。

35、可當時這一發現卻未引起人們的重視。

36、 近二十余年來，美國的朗格等對富佛斯的實驗重新進行分析，他們發現：雞毛和鐵塊的下落速度確實不同，而且雞毛的下落速度要略大于鐵塊。

37、請注意，現在是輕物要比重物下落得快，這又是什么原因呢？ 朗格根據自己的實驗及1891年以來有相當可靠程度的七組實驗結果認為，在實驗室尺度上，牛頓的引力平方反比定律和實驗相比有一系統的偏差。

38、這個偏差，可以表示為引力常數隨距離的變化。

39、 以后，對大量地球物理實驗結果的分析證實了它的存在，并把它歸結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、當然，第五種力的提出，畢竟還只是一種假說而已。

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物理學家，還重新分析了歷史上著名的厄缶的質量等價實驗。

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

44、 另一個反映引力的大小，叫引力質量，以符號M引表示，根據的是萬有引力定律： 式中，G為引力常數，m與R分別為地球的質量與半徑，F為物體所受地球的引力。

45、 對于地面上的自由落體運動，應有 這兩個定義不同的質量，是否有一定的比例關系。

46、通過實驗證明，它們之間有嚴格的比例關系。

47、 最早的證明就是伽利略的自由落體實驗，可得： 其次，牛頓提出三大運動定律和萬有引力定律，也必然碰到兩種質量的關系問題。

48、他用不同材料充當單擺的擺錘，進行比較它們的擺動周期的實驗，亦可得： 但是，從實驗方法來說，不論是自由落體實驗，還是單擺實驗，測量精度都不高。

49、因為這兩種實驗都是動態的，涉及位置和狀態的變化，還會受其它因素，例如，空氣阻力的干擾。

50、 于是，匈牙利的厄缶設計了更為精確的質量等價實驗。

51、他采用扭秤方法，把動態實驗改為靜態實驗，直接比較兩個物體的慣性質量和引力質量，從而大大地提高了實驗精度。

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

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

54、如果慣性質量與引力質量不成正比，則扭秤失去平衡，而使懸絲扭轉。

55、 那么，如何測定懸絲扭轉呢？厄缶用望遠鏡對準懸絲上掛著的小反射鏡，觀察望遠鏡上方的短刻度標尺，從而測量偏轉角。

56、為了避免系統誤差，厄缶還將橫桿轉180°，換一個方向測量。

57、 如此精確系統的測量，1889年厄缶得到的第一次結果，實驗精度達η≤5×10-8。

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

59、 細心的弗許貝克認為，厄缶當年列出不同材料引力加速度的極微小差別也許不是實驗誤差，有可能是真實效應。

60、也就是說，對于真空的自由落體，輕物下落快、重物下落慢，過去把它歸咎于實驗中偶然出現的一種干擾，可是弗許貝克等卻不輕易放過這一反常現象。

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

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

63、那就是引力作用、電磁作用、強相互作用、弱相互作用。

64、 我們現在所觀察到的宇宙，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的相互作用以及帶電粒子之間通過電磁場傳遞的相互作用。

68、在強度上它次于強相互作用而居于四種基本相互作用的第二位。

69、電磁力和萬有引力一樣是宇宙中普遍存在的一種長程力。

70、 主宰著微觀世界的是強相互作用和弱相互作用。

71、強相互作用是使核子結合成原子核的作用。

72、在強度上它是四種基本相互作用中最強的一種。

73、它不像萬有引力和電磁力那樣是長程力而是短程力。

74、但是它的力程比弱相互作用的力程長，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部的一種相互作用。

77、在強度上它次于強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數量級。

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

80、沒有它，太陽和許多恒星就會熄滅，無法產生由氫形成氦的持續聚變。

81、 這樣，四種強度懸殊、性質各異的基本力，完全控制了我們的宇宙。

82、不過，物理學家們早就懷疑這四種力在宇宙混沌初開的某一階段可能原來是一種作用力，后來隨著宇宙的演化而各自成家了。

83、 長期以來，不少物理學家就致力于這四種基本力的統一工作，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一起來，建立弱電統一理論。

85、 目前，物理學家們正乘勝出擊，致力于建立所謂大統一理論，把電磁作用、弱相互作用和強相互作用三種基本力統一在一起，以及更進一步地建立起大統一理論，把所有四種基本力統一起來。

86、 由于自然界的四種基本力是決定所有物質運動及其運動狀態的依據。

87、現在有可能存在第五種基本力，自然引起物理學界的極大興趣。

88、[編輯本段]實驗證明 然而，第五種力是否真正存在，首先是一個實驗問題。

89、所以近二十余年來，人們在實驗室里、礦井中、電視塔上、懸崖旁、海底下做了大量實驗，設計了許多精密儀器，以便證實或否定它的存在。

90、探測第五種力的實驗大致可以分成下列三類。

91、第一類實驗是把地球作為引力源，測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平方公里范圍內海底海面的703個重力數據；澳大利亞西北昆士蘭14000個鉆孔提供的地層及重力數據等。

93、 第二類實驗是測量同一引力源（如大崖巖石）對質量相同而成分不同的物體的引力作用差別。

94、例如美國布魯海文國家實驗室的新型加速度儀，實驗中浸在水中的懸浮銅球殼（內充滿水），在高出哈得遜河161米的崖壁的作用下，測其加速度，分析銅與水所受到的作用力大小。

95、 第三類實驗測量反物質——目前用的是反質子和正電子——在地球引力作用下的加速度，如果存在與重子數和輕子數相關的第五種力，則其加速度將和質子、電子的不同。

96、實驗計劃已獲得批準，但還未取得結果。

97、 顯然，理論認識是否正確，最后要經過實驗的檢驗。

98、盡管目前第五種力的存在的探索實驗多種多樣，但要真正證實第五種力的存在，尚需做更多、更精密的實驗才能做出最終結論。

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