중력 상수 G 의 정확한 측정은 중력 상호 작용의 본질을 이해하는 데 매우 중요할 뿐만 아니라 이론물리학, 지구물리학, 천문학, 우주학, 정확한 측정에 중요한 이론과 실질적인 의미를 갖는다. 유감스럽게도, G 는 역사상 가장 오래된 물리적 상수를 알고 측정한 것이지만, 그 정확도는 여전히 가장 낮다. 이후 1798 년 카반디쉬가 정밀 비틀림 저울을 사용하여 역사상 최초의 정확한 중력 상수 G 의 측정치를 획득한 이후, 사람들은 이 분야에서 끊임없이 발전하는 현대 과학 기술과 교묘한 실험 설계를 결합하여 정확하고 믿을 만한 결과를 얻기 위해 노력하고 있다. 하지만 지난 200 년 동안 G 의 측정 정확도는 두 단계 미만이었다. 지난 30 년 동안 대부분의 실험자들은 그들의 측정 G 실험이 10-4 의 상대 정확도에 도달했다고 생각했지만, 실제로 그들의 측정 결과 간의 일치도는 10-3 에 불과했다. 따라서 중력 상수 G 의 정확한 측정은 핫스팟과 난점으로 세계 각국의 과학자들의 관심을 불러일으켰으며 정확한 측정을 위해 많은 인력과 물력을 투입했다. 1687 년 영국 과학자 뉴턴은 만유인력의 법칙을 정식으로 제시했는데, 그 수학식은 F = G (M1M2)/R 2 이다. G 는 중력 상수라고 하며 질량이 1kg 인 두 물체가 1m 에서 떨어져 있을 때의 중력과 같은 값을 가집니다. 하지만 뉴턴은 중력 상수의 값을 주지 않았습니다.

100 여 년 후 영국 과학자 카디 빈치가 처음으로 중력 상수의 가치를 측정했다.

이제 정확한 실험 결과는 G = 6.67390 ×10-11N e/KG 2 를 보여줍니다.

현재 G 측정 방법은 크게 지구 물리학 측정, 실험실 측정 및 공간 측정의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 지구 물리학 방법은 뚜렷한 중력 효과가 있지만 실험 정확도는 상대적으로 낮다. 공간 측정 방법은 많은 새로운 기술 문제에 직면해 여전히 탐구하고 있다. 현재 실험실 측정은 고정밀 G 값을 얻는 주요 수단이며, 일반적으로 사용되는 도구는 정밀 비틀림 저울입니다. 비틀림 저울 중력 상수 G 는 직접 기울기, * * * 진동법, 주기법 등 여러 가지 방법으로 측정할 수 있습니다. 그중 비틀림 저울 주기법은 가장 광범위하고 측정 결과가 가장 이상적인 방법 중 하나이다. 그것의 기본 원리는 비틀림 저울 주위에 유치 질량을 배치하면 비틀림 저울의 운동 주기가 그에 따라 변한다는 것이다. 실험실에서 중력 상수 G 를 측정하는 것은 어렵고 어려운 시스템 작업이다. 실험 정확도의 향상은 주로 중력 상호 작용이 약하다는 네 가지 요인에 의해 제약을 받는다. 중력은 차폐될 수 없습니다. 품질, 길이 및 시간의 절대 측정; 중력 상수 g 의 독립성 등

본 글은 비틀림 저울의 주기법으로 중력 상수 G 를 절대적으로 측정하여 비틀림 저울의 특성과 시스템 오차를 체계적으로 연구했다. 동시에 실험 환경 배경을 동시에 모니터링하여 실험의 정확성을 보장하다. 혁신은 긴 주기, 높은 Q 의 비틀림 저울을 채택하여 항온, 칸막이, 외부 중력 간섭이 비교적 작은 환경에서 작업하여 비틀림 자기와 열 탄력이 G 측정에 미치는 영향을 극복한다는 것입니다. 자세한 내용은 다음과 같습니다.

A. 토션 스케일 시스템의 오차에 관한 연구

이론과 실험 두 방면에서 비틀림 저울 시스템의 오차 출처를 이해하는 것은 비틀림 저울의 실험 정확도를 높이는 데 중요한 의의가 있다. 우리는 비틀림 저울 시스템 오차 연구에서 일련의 중요한 결과를 얻었다: 1) 비틀림 저울 시스템의 검사 품질과 유치 품질 사이에 최적의 구성이 있어, 유치 품질에서 비선형 효과를 줄이고, 비틀림 저울을 크게 작동시켜 시스템의 신호 대 잡음비 (phys. lett.a, 238) 를 높일 수 있다. 2) 측정 토션 스케일의 평형 상태 대신 측정 토션 스케일의 과도 상태를 사용하면 더 높은 실험 정확도를 얻을 수 있습니다 (phys.lett.a, 238,1998: 341); 3) 이론 분석과 실험 연구에 따르면 비틀림 저울이 10-2 라디안에서 작동할 때 비틀림 저울의 비선형 효과는 1 ppm 보다 작으며 무시할 수 있습니다. 이 결론은 교수선의 비선형 효과에 대한 우려를 해소했다. A, 264, 1999: 1 12). 4) 이론 분석 및 실험 연구에 따르면 비틀림 저울 시스템의 품질 계수 Q 는 진폭이 커짐에 따라 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 G 측정에 대한 지연 탄성의 영향을 줄이는 데 중요한 지도적 의의가 있다 (Phys. 레트). A, 268, 2000: 255) (5) 이론 분석과 실험 연구에 따르면 주변 온도의 변화는 비틀림 저울의 비틀림 계수 K 에 큰 영향을 미친다. 실험에서 일반적으로 사용되는 텅스텐 와이어의 경우, 즉 주변 온도가 변경되면 G 측정에 가져온 오차는 165 ppm (Rev. SCI) 까지 올라갑니다. Instrum.7 1, 2000: 1524). 꼬임선의 이런 열탄성 효과에 대한 연구결과에 따르면 이전의 많은 G 측정 결과는 의심할 만하며, 현재 G 측정 결과가 일치하지 않는 현상에 대해 합리적인 해석을 할 수 있는 것으로 나타났다. (윌리엄 셰익스피어, G, G, G, G, G, G, G, G, G)

B. 초장주기 신호의 기본 주파수 피팅 방법에 관한 연구

비틀림 저울의 주기는 보통 몇 분에서 1 시간 이상이다. 주기가 길수록 감도가 높기 때문이다. 그러나, 장기 비틀림 저울의 기본 주파수를 맞추는 것은 매우 어렵다. 기존의 FFT (고속 푸리에 변환) 및 전체 극 (극점) 방법에는 n = 10-5 주기의 실험 측정 데이터가 있어야 상대 맞춤 정확도를 얻을 수 있습니다. 비틀림 저울의 주기가 1 시간이면 실험 데이터의 길이는 15 년이며, 분명히 비현실적이다. 현재 일반적으로 사용되는 것은 정현파 신호에 대상 함수를 사용하는 최소 평방 맞춤과 같은 비선형 맞춤입니다. 이 방법의 주파수에 대한 맞춤 정밀도는 진폭과 위상의 맞춤 정밀도에 따라 달라집니다. 최소 총 분산을 얻으려면 세 매개변수의 분산이 균형을 이루어야 합니다. 주파수의 맞춤 정밀도에만 관심이 있기 때문에 다른 매개변수의 맞춤 정밀도를 희생하여 높은 정밀도의 주파수 맞춤을 얻을 수 있습니다. 이 사상을 이용하여 우리는 주기 맞춤 방법을 제시했다. 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험 데이터의 구체적인 적용 결과에 따르면 이 방법은 10 개 이상의 주기 (주기 1 시간) 의 저주파 신호에 대한 데이터 맞춤 정확도가 10-7 이상인 것으로 나타났습니다. 이를 통해 장기 비틀림 저울 베이스 주파수의 정확한 맞춤 문제를 해결할 수 있습니다. 이 방법은 초 저주파 신호의 기본 주파수를 결정해야 하는 영역 (Rev. Sci) 에 광범위하게 적용될 수 있습니다. 기악. , V70, 1999: 44 12).

C. 접이식 진자 경사계 연구

G 실험 환경에서 동시에 고체 조석 배경을 탐지하기 위해 레이저 중력파 탐지 실험에 사용된 수평 방진 기술을 지반 경사 고체 조석 연구에 적용해 접이식 경사계를 개발하는 데 성공했다. 기본 아이디어는 양수와 거꾸로 된 진자를 교묘하게 연결하여 전체 진자 시스템의 복구 계수를 줄여 매우 낮은 동작 빈도 (긴 주기) 를 얻는 것입니다. 우리가 개발한 접기 사이클은 60 초 이상이고, 진자 등가 길이는 1 km 보다 큽니다. 접는 진자로 고체 조류를 비스듬히 기울이는 실험 결과 접는 진자의 감도가 3.510-9 라디안 (물리적 레트) 에 달한 것으로 나타났다. A, 256, 1999: 132). 이 결과는 일반적으로 사용되는 수도관 경사계와 수평 스윙 경사계보다 현저히 우수하다. 또한 접이식 진자는 지진의 이상 신호, 특히 지진 전 이상 신호를 모니터링하는 고정밀 지진 픽업 장치로도 사용할 수 있습니다. 우리는 접는 진자를 이용하여 많은 지진과 그 전조 신호를 탐지했다. 접이식 진자 경사계 발명 특허 신청은 이미 국가 특허국의 승인을 받았다 (특허 번호: ZL95 1 148222).

D. 정밀 온도 감지 시스템 연구

G 비틀림 저울을 측정하는 실험에서 미세한 주변 온도 변화는 모두 실험 결과에 직접적인 영향을 미친다. 실험 환경에서 온도 필드를 동시에 모니터링하기 위해 고정밀 마이크로 온도 변화 측정 시스템을 개발했습니다. 그 기본 원리는 두 가지 다른 재질의 열팽창 특성의 차이를 이용하여 작은 온도의 변화를 감지하는 것이다. 우리가 개발한 온도 모니터링 시스템의 해상도는 0.000 1 oC 에 달하여 실험 환경에서 온도 필드의 모니터링 문제를 해결했다. 이 기술은 다른 많은 분야 (Rev. Sci) 에도 적용될 수 있습니다. 기기. , 68, 1997: 565).

E. 초 저주파 방진 시스템 연구

중력 상호 작용이 약하기 때문에 외부 진동이 G 측정 실험에 미치는 간섭을 격리해야 하며, 방진 시스템의 주파수가 낮을수록 방진 효과가 좋아진다. 처음으로 준 정적 참조 시스템의 개념이 제시되었으며 준 정적 참조 시스템의 능동 댐핑을 기반으로 한 새로운 방진 방법이 구현되었습니다. 초 저주파 수직 토션 바 스프링 시스템을 설계하고 제조했습니다. 고유 주기는 20 초에 달하고, 시스템의 칸막이율은 6Hz 에서 3 단계 이상이다. 이를 준 정적 참조 시스템으로 사용하여 기존 방진 방법 (Rev. SCI) 보다 방진 성능이 뛰어난 대형 방진 시스템의 능동 제동을 성공적으로 실현했습니다. Instrum.69,1998: 2781; 물리학, 레트 A, 253, 1999: 1).

독특한 실험 설계 (장기, 높은 Q 값), 우수한 실험 환경 (음소거, 항온, 칸막이), 비틀림 저울의 시스템 오차에 대한 심도 있는 연구, 배경 환경의 동시 모니터링을 통해 실험의 정확성을 보장합니다. 우리는 결국 g 를 (6.6699 0.0007)10-11m3kg-1s-2 로 측정했습니다 이 결과는 미국의 Phys. Rev. D (physical review d) 에 발표되었습니다. 이는 우리나라 최초의 고정밀 G 값일 뿐만 아니라 현재 국제 최고의 측정치 중 하나이며 국제물리기본상수위원회 1998 이 추천한 CODATA 값에 채택됐다.