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蔡司坐標(biāo)測(cè)量機(jī)XENOS發(fā)布日期：2021-03-26 14:10:01
牛頓萬(wàn)有引力定律和愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論描述了萬(wàn)有引力常數(shù)(表示為G)，它是物體之間萬(wàn)有引力的實(shí)驗(yàn)物理常數(shù)。蔡司三坐標(biāo)與小寫(xiě)字母g的區(qū)別在于小寫(xiě)字母g是局部重力場(chǎng)(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(jù)萬(wàn)有引力定律，兩個(gè)物體(F)之間的吸引力與它們的質(zhì)量(m1和m2)成正比，與它們之間的距離(r)的平方成反比：
維基百科：萬(wàn)有引力常數(shù)G，在兩個(gè)物體(m1、m2)之間的相互關(guān)系。
蔡司三坐標(biāo)自牛頓三百多年前首次確定質(zhì)量與重力之間的關(guān)系以來(lái)，科學(xué)家一直致力于理解重力的作用。然而，盡管重力常數(shù)G是人類(lèi)公認(rèn)的物理學(xué)的第一個(gè)基本常數(shù)，但它也是迄今為止最難測(cè)量的常數(shù)。同時(shí)，由于它在國(guó)內(nèi)應(yīng)用了最高水平的材料，機(jī)械，測(cè)量和控制技術(shù)，因此引起了各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注。
■精密扭秤
G難以測(cè)量的部分原因是，蔡司三坐標(biāo)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(dāng)于萬(wàn)億兆兆兆的電磁力。一。
國(guó)際度量衡局(BIPM)在實(shí)驗(yàn)中使用精確的扭力平衡來(lái)測(cè)量G。此方法最早由英國(guó)科學(xué)家亨利·卡文迪許(Henry Cavendish)于1798年進(jìn)行測(cè)量和使用。蔡司三坐標(biāo)該設(shè)備用于測(cè)量較小的質(zhì)量物體。通常使用金屬球或圓柱之間的重力。在實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)量諸如金屬懸掛線或金屬棒的撓度或力矩的參數(shù)。
BIPM所使用的精密扭秤比卡文迪許原先使用的扭秤要復(fù)雜得多，其配置8個(gè)特殊合金圓柱體質(zhì)量塊，其中4個(gè)位于圓形轉(zhuǎn)盤(pán)上，蔡司三坐標(biāo)另外4個(gè)質(zhì)量稍小的圓柱體位于轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)的圓盤(pán)上，此圓盤(pán)通過(guò)一根2.5 mm寬、160 mm長(zhǎng)、厚度相當(dāng)于人類(lèi)頭發(fā)絲的銅鈹金屬絲懸掛于天平頂部。
在此過(guò)程中，質(zhì)量應(yīng)固定在轉(zhuǎn)盤(pán)的外部，以使其與轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)部的質(zhì)量保持平衡，以達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)外部的質(zhì)量轉(zhuǎn)向新的方向時(shí)，蔡司三坐標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)部的質(zhì)量將感受到較弱的外力，這將導(dǎo)致內(nèi)部質(zhì)量沿外部質(zhì)量的方向行進(jìn)，從而導(dǎo)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(huì)影響實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量值。
由于使金屬懸掛線偏轉(zhuǎn)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(xué)家們可以測(cè)量?jī)?nèi)部質(zhì)量塊到固定外部質(zhì)量塊之間的物理距離，從而計(jì)算它們之間的重力。
自20世紀(jì)下半葉以來(lái)，與科學(xué)史上的其他時(shí)期相比，人類(lèi)進(jìn)行了更多的研究工作來(lái)測(cè)量引力常數(shù)。自1969年國(guó)際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)(CODATA)成立以來(lái)，根據(jù)全球G測(cè)量組的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果，多次發(fā)布并調(diào)整了萬(wàn)有引力常數(shù)G的建議值。例如，蔡司三坐標(biāo)國(guó)際度量衡局(BIPM)在過(guò)去15年中進(jìn)行的一系列官方實(shí)驗(yàn)。盡管各個(gè)實(shí)驗(yàn)組相繼給出了以相對(duì)較高的精度測(cè)量G的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但它們之間的一致性程度仍然很差。
上圖為大G測(cè)量的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，蔡司三坐標(biāo)其中垂直黑線表征G的最近推薦值，灰色區(qū)域表征誤差區(qū)間
因此，如何進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)精度，蔡司三坐標(biāo)發(fā)現(xiàn)未知的系統(tǒng)誤差，尋找測(cè)量引力常數(shù)G的新方法是發(fā)展趨勢(shì)。兩年前，致力于測(cè)量大G的BIPM科學(xué)家和世界其他科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者齊聚一堂。 ，決定將使用相同的設(shè)備，不同的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和不同的科研團(tuán)隊(duì)再次進(jìn)行這些測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)室(PML)的研究人員接受了這一挑戰(zhàn)，蔡司三坐標(biāo)并將升級(jí)后的設(shè)備重新用于BIPM實(shí)驗(yàn)。
■實(shí)時(shí)幾何坐標(biāo)測(cè)量
其中，測(cè)量大G的研究人員需要測(cè)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(gè)孔的位置，蔡司三坐標(biāo)每個(gè)表面的形狀和每個(gè)組件。 NIST研究員Sterling表示：“所有這些都需要坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)的幫助�！�
鑒于此實(shí)驗(yàn)的高要求，蔡司三坐標(biāo)NIST推出了德國(guó)Zeiss超高精度坐標(biāo)測(cè)量機(jī)XENOS(>單擊以獲取產(chǎn)品信息)，用于幾何量的高精度坐標(biāo)測(cè)量。精密有源三維探頭可以測(cè)量被測(cè)物體上各點(diǎn)之間的空間距離，測(cè)量不確定度僅為幾十至幾百納米。