引力常数会变吗?
我们知道,任何两个物体之间都会相互吸引,地球会吸引苹果,苹果也会吸引地球,地球之所以绕太阳旋转就是由于太阳对地球的引力,任何两个人之间也有相互吸引力,只是这种吸引力相当微弱而已。根据牛顿的万有引力定律,两个物体间的吸引力正比于两个物体的质量,反比于两个物体间距离的平方,其比例常数G,我们称之为万有引力常数,用公式表示,即为F=GMm/r2。
引力常数是人类在实验室中最早测量的一个物理常数。早在1798年,英国的卡文迪许就测得G值为(6.754±0.041)×10-11国际单位,然而由于引力与其它几种相互作用力相比极其微弱,因而使得测量引力常数的实验变得极其困难,直到1969年才测得引力常数为(6.672±0.006)×10-11国际单位,近200年来仅提高了一位有效数字,而且各种测量方法得出的结果并不接近,与其它常数精度至少可达10-6相比,引力常数的精度仅在10-3左右,这些结果使得物理学家大伤脑筋,不少人纷纷表示怀疑,引力常数是不是一个常数?
一种理论认为,引力常数与宇宙空间总的物质分布有关。根据流行的大爆炸理论,宇宙不断膨胀,物质密度越来越稀,因而引力常数越来越小,有人认为,地球上五大洲可能是由于引力常数变小、地球膨胀从原来的一大块物质分裂而成的,并且至今仍在漂移。
狄拉克的大数假设是一种较为引人注目的理论。狄拉克发现,物理学中的一些无量纲数都与1039这个数有关。例如一个氢原子内的静电力与万有引力之比等于如果取光穿过一个经典电子所需的时间为时间单位,则宇宙的年龄为7×1039,宇宙中所有物质的总质量与质子质量之比为1078。狄拉克认为,上述无量纲数都是相互联系的,与我们的宇宙处在现在这个特定阶段有关的,宇宙的年龄在不断增大,如果我们取原子单位(在该单位制下,e、me、mp均为1),则G将随时间变小,由此还可得出宇宙总质量不断增加,即宇宙中不断有物质创造出来。
上述两种理论给出的引力常数的相对变化值都在10-10至10-11之间,这是目前实验室中无法检验的,因而只能在天文观测中验证。目前的天文观测得出的结果是G的相对变化值不大于4×10-10,因而要检验引力常数是否变化还有待于进一步的天文观测。
还有一个认为引力常数变化的fujii理论。fujii从基本粒子理论出发,得出了G随距离变化的结论,他认为,在远大于1000米的天文尺度和1厘米至10米的实验室尺度内,引力常数G不变,但前者的G值是后者的4/3,而在1厘米以下和10米至1千米的距离内,引力常数可能会变化,究竟如何变化,fujii并未给出具体结果。
这里值得一提的是美国科学家朗1976年的工作。朗总结了前人测量G值的结果,发现测出的G值虽各式各样,但却有系统性,所用的两个测量物体相隔距离越大,测出的G值也就越大。根据朗的结果,当两球间距为4.48厘米和29.9厘米时,测得的G值相差0.37%,他由此得出了在实验室尺度内引力常数遭到破坏的结论,并给出了一经验公式朗的结论,可以看作是对fujii理论的支持,因而引起了广泛的注意。但由于G值的测量极其困难,各种影响很难消除,因而现在还不能最终肯定引力常数会变的结论。