卡文迪许实验一个致命的缺陷

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卡文迪许实验曾是被用来证实万有引力定律真实存在的最著名的物理实验，1798年由英国物理学家卡文迪许在英国剑桥完成。这个实验过程和实验产生的数据被作为经典案例，写进了以后所有的物理教科书。但在当时的实验条件下有一个影响实验结果的重要因素未被排除：那就是空气分子的布朗运动对实验球体的作用。对一个单独的实验球体而言，无论是动球体还是静球体，自由的空气分子所作的布朗运动对它并无影响，都不能推动该球体的整体位移。虽然单独的实验球体周围空气分子布朗运动的个体分子对球体表面的碰撞方向是随机和杂乱无章的，但无数个空气分子汇集的整体，是一个有着一定包覆厚度的球形空气层，其总体的碰撞方向还是趋向于它们共同的球体中心质点，该实验球体表面受力均匀，处于静止状态不会发生位移。但在实验动球体之外的一定距离放置第二个实验静球体时，情况就发生了变化。本来包覆在二个球体表面各自独立作用的二个球形空气层，因一个被移动而在它们相距最近的部分形成了重叠，形成的二个球缺部分所对应的自由运动的空气分子数量减少，二个球体最相近的部分、都因此减小了由空气分子布朗运动碰撞产生的趋向于球体中心质点的作用力，此时二个球体之间就会发生动球体向静球体接近的整体位移，这种位移被人们误认为是引力作用的结果。如果没有实验扭秤中石英丝的扭阻，这两个实验球体表面最近的两点最终会相连。
    上世纪八十年代曾被广泛应用的三个地球物理实验都发现了地球引力的测量值同理论值不一致，因而怀疑自然界中存在着第五种力。它们实验地点分别是：澳大利亚昆士兰希尔顿矿1000米的矿井中，美国北卡罗林纳罗利附近600米高的电视塔上和格陵兰冰帽2000米深的钻孔中。中国的《人民日报》1989年11月13日曾报道说“……美国加利福尼亚大学的帕克和宗伯格认为，地球引力测量值同理论值不一致是因为土地密度的实际值同理论值有细微差别，即质量的实际值同理论值的细微差别造成引力的测量值同理论值的不一致”。从简单的报道中，我们无从知道这些实验的原理、方法、设备、环境等与卡文迪许实验相比有什么不同和改良，两百多年前的卡文迪许实验是在非真空实验环境中完成的，尽管空气分子的布朗运动对物体的作用微乎其微，但对一个实验数据真实性的影响却是致命的。用这样的数据来证实一种理论的存在，其本身的可靠性就很值得怀疑的。
  
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北落师门

目前物理学界公认的4种力是强力，弱力，电磁力和引力。布朗运动的确对测量会产生影响。万有引力是4大力之一。目前还没证据说其不存在，原先的定理有错。

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引力理论问世后，为该理论提供实验依据的就是卡文迪许实验，并依据该实验结果计算出了引力常数。但该实验进行的那个年代真空技术还没有出现，所以空气分子的布朗运动对实验结果是有影响的。

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其实我很希望这个实验能重新进行一次，前提条件当然是真空状态，上世纪八十年代曾进行过的三个地球物理实验发现的所谓地球引力测量值同理论值不一致，因而怀疑自然界中存在着第五种力，可能就是空气分子布朗运动在实验中作祟。

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空气分子布朗运动的影响基本上就是气压梯度力和粘性力吧。照理说如果整个系统接近静止，且忽略万有引力等其它各种因素对空气的作用，那么气压梯度是不该存在的，不然空气就会受其作用而产生流动了。当然，实际上系统不是完全静止的，空气的流动不可避免，这样测量势必会有一些系统误差，但未必会到整套引力理论完全错误的程度。

万有引力太弱，难以准确测量，因此即使存在比它还小的第五种力，也可能被引力常数本身的测量误差所掩盖而无法察觉，或者可能用暗物质之类理论更容易解释。鉴于目前对各种测量方法所具有的系统误差都还没有分析得很透彻，相比形式简单的引力理论，其实测量方法有问题的可能性更大吧。

http://www.npl.washington.edu/eotwash/experiments/bigG/bigG.html
这篇文章介绍了近年来对万有引力常数的测量工作，其中不仅有对卡文迪许实验的改进（没看过细节，不过抽真空这种事需要的话应该早就做了吧），也有许多新的方法，比如一种利用原子干涉仪的方法（http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/315/5808/74）。

当然，现在针对引力理论（广义相对论）提出的修正还是不少的，比如各种量子引力理论和MOND，不过它们只在少数环境下会给出与经典理论明显不同的结果。也正因为这样，通过实验判断这些理论正确与否并不容易。

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该实验以后的三个版本不知道有没有考虑空气分子布朗运动影响的因素？谁能帮助查一下上述实验的相关条件。

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当一个实验球体单独存在的时候，空气分子布朗运动的作用层只是包围着球体，虽然能对球体表面产生碰撞但并不能推动球体的运动。



但当在一个实验静球体旁边放置另一个实验动球体时，两个实验球体外围的空气分子布朗运动作用层有一部分会重叠，这时候重叠部分所对应的球面被碰撞的作用会减小，实验动球体会向实验静球体靠近，此时如果没有石英丝的扭阻，两个球体表面最终会连接在一起。