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          蔡司坐標測量機XENOS
          發布日期:2021-03-26 14:10:01

             牛頓萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對論描述了萬有引力常數(表示為G),它是物體之間萬有引力的實驗物理常數。蔡司三坐標與小寫字母g的區別在于小寫字母g是局部重力場(等于局部由重力引起的加速度),尤其是地球表面上的重力加速度。

            根據萬有引力定律,兩個物體(F)之間的吸引力與它們的質量(m1和m2)成正比,與它們之間的距離(r)的平方成反比:

            

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            維基百科:萬有引力常數G,在兩個物體(m1、m2)之間的相互關系。

            蔡司三坐標自牛頓三百多年前首次確定質量與重力之間的關系以來,科學家一直致力于理解重力的作用。然而,盡管重力常數G是人類公認的物理學的第一個基本常數,但它也是迄今為止最難測量的常數。同時,由于它在國內應用了最高水平的材料,機械,測量和控制技術,因此引起了各國科學家的關注。

            ■精密扭秤

            G難以測量的部分原因是,蔡司三坐標與其他力相比,G太弱了。它的值非常小,大約為6.67×10-11 m3 kg-1s-2,相當于萬億兆兆兆的電磁力。一。

            國際度量衡局(BIPM)在實驗中使用精確的扭力平衡來測量G。此方法最早由英國科學家亨利·卡文迪許(Henry Cavendish)于1798年進行測量和使用。蔡司三坐標該設備用于測量較小的質量物體。通常使用金屬球或圓柱之間的重力。在實驗中,需要測量諸如金屬懸掛線或金屬棒的撓度或力矩的參數。

            

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            BIPM所使用的精密扭秤比卡文迪許原先使用的扭秤要復雜得多,其配置8個特殊合金圓柱體質量塊,其中4個位于圓形轉盤上,蔡司三坐標另外4個質量稍小的圓柱體位于轉盤內的圓盤上,此圓盤通過一根2.5 mm寬、160 mm長、厚度相當于人類頭發絲的銅鈹金屬絲懸掛于天平頂部。

            在此過程中,質量應固定在轉盤的外部,以使其與轉盤內部的質量保持平衡,以達到平衡狀態。當轉盤外部的質量轉向新的方向時,蔡司三坐標轉盤內部的質量將感受到較弱的外力,這將導致內部質量沿外部質量的方向行進,從而導致金屬吊線扭曲。的重力垂直于地球的重力,并且地球的重力不會影響實驗中的測量值。

            由于使金屬懸掛線偏轉一定角度所需的力的量是已知的。因此,基于金屬懸掛線頂部的激光和鏡子,科學家們可以測量內部質量塊到固定外部質量塊之間的物理距離,從而計算它們之間的重力。

            自20世紀下半葉以來,與科學史上的其他時期相比,人類進行了更多的研究工作來測量引力常數。自1969年國際科學技術數據委員會(CODATA)成立以來,根據全球G測量組的最新實驗結果,多次發布并調整了萬有引力常數G的建議值。例如,蔡司三坐標國際度量衡局(BIPM)在過去15年中進行的一系列官方實驗。盡管各個實驗組相繼給出了以相對較高的精度測量G的實驗結果,但它們之間的一致性程度仍然很差。

            

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            上圖為大G測量的各項實驗結果比對,蔡司三坐標其中垂直黑線表征G的最近推薦值,灰色區域表征誤差區間

            因此,如何進一步提高實驗精度,蔡司三坐標發現未知的系統誤差,尋找測量引力常數G的新方法是發展趨勢。兩年前,致力于測量大G的BIPM科學家和世界其他科學領導者齊聚一堂。 ,決定將使用相同的設備,不同的實驗地點和不同的科研團隊再次進行這些測試實驗。

            美國國家標準技術研究院(NIST)物理測量實驗室(PML)的研究人員接受了這一挑戰,蔡司三坐標并將升級后的設備重新用于BIPM實驗。

            ■實時幾何坐標測量

            其中,測量大G的研究人員需要測量牛頓引力方程中的其他值,以獲取其所有組件的精確尺寸和位置信息,包括每個孔的位置,蔡司三坐標每個表面的形狀和每個組件。 NIST研究員Sterling表示:“所有這些都需要坐標測量機(CMM)的幫助!

            鑒于此實驗的高要求,蔡司三坐標NIST推出了德國Zeiss超高精度坐標測量機XENOS(>單擊以獲取產品信息),用于幾何量的高精度坐標測量。精密有源三維探頭可以測量被測物體上各點之間的空間距離,測量不確定度僅為幾十至幾百納米。

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