基础定义

人类对引力的认识始于对行星运动的观测。德国天文学家开普勒(Johannes Kepler)根据丹麦天文学家第谷(Tycho Brahe)的大量翔实的观测资料总结出行星运动三大定律，完美地描述了行星绕太阳运行的运动规律，却没有指出行星沿椭圆轨道运动的原因。大约半个世纪以后，牛顿(IsaacNewton)在此基础上提出了万有引力定律。此定律不仅对开普勒三定律提供了动力学的解释，而且指出维系行星沿椭圆轨道运动的力和地球上使苹果落地的力在本质上是相同的。这种力无处不在，小到基本粒子大到宇宙天体，被称之为“万有引力”。

1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》(Mathe-matical Principles of Natural Philosophy)一书中系统地介绍了万有引力定律，其内容如下：宇宙间任何两个质点都存在相互吸引力，其大小与两质点的质量m1，m2乘积成正比，与它们之间距离r的平方成反比。

式中的比例系数G称为万有引力常数(Universal Gravitational Constant)。它是一个普适常数，不受物体的大小、形状、组成等因素的影响。引力常数G是一个与理论物理、天体物理和地球物理等密切相关的物理学基本常数。它与天体运动、天体演化和结构模型等有着密切的关系[2]。在粒子与场论、宇宙学以及引力物理的现代理论研究中，G都起着非常重要的作用。譬如描述自然界基本常数体系的Planck长度、时间以及质量就是由三个基本物理量Planck常数ħ、万有引力常数G、以及光速c的不同组合给出。

自从牛顿的《自然哲学的数学原理》发表300多年以来，万有引力的理论与实验研究一直是科学界的热点之一。理论工作者致力于研究引力的本质、起源及其在物理学中所起的作用，试图统一四种基本相互作用。实验工作者则对该定律提出一系列的问题，例如：G的精确值是多大?它是一个常数还是会随时间和地点而变化?引力是严格地与距离的平方成反比吗?它与两物体的组成相关吗?引力与物体的运动状态有关吗?等等。尽管把G引入日益增多的物理学和天体物理学讨论中得到的结果会各不相同，但对G进行深入的研究都有助于对引力相互作用性质的认识。曾任剑桥大学Cavendish实验室主任的Cook教授甚至提出G能否如同国际单位中的光速一样被当作测量系统中的基本常数的问题。他还提出若有可能将其定义为基本常数，那么对G的测量精度必须有更高的要求 。

历史沿革

万有引力常量为G=6.672x10E-11，牛顿发现了万有引力定律，但引力常量G这个数值是多少，连他本人也不知道。按说只要测出两个物体的质量，测出两个物体间距离，再测出物体间的引力，代入万有引力定律，就可以测出这个常量。但因为一般物体的质量太小了，它们间的引力无法测出，而天体的质量太大了，又无法测出质量。所以，万有引力定律发现了100多年，万有引力常量仍无准确结果，这个公式就仍不能是一个完善等式。直到100多年后，英国人卡文迪许利用扭秤，才巧妙测出这个常量。其测出引力常量的实验也被称为测量地球重量的实验。

测定

引力常量测定

应该强调的是，在牛顿得出行星对太阳的引力关系时，已经渗入了假定因素。卡文迪许（Henry Cavendish)在对一些物体间的引力进行测量并算出引力常量G后，又测量了多种物体间的引力，所得结果与利用引力常量G按万有引力定律计算所得的结果相同。所以，引力常量的普适性成为万有引力定律正确的见证。

这是一个卡文迪许扭秤的模型。这个扭秤的主要部分是这样一个T字形轻而结实的框架，把这个T形架倒挂在一根石英丝下。若在T形架的两端施加两个大小相等、方向相反的力，石英丝就会扭转一个角度。力越大，扭转的角度也越大。反过来，如果测出T形架转过的角度，也就可以测出T形架两端所受力的大小。先在T形架的两端各固定一个小球，再在每个小球的附近各放一个大球，大小两个球间的距离是可以较容易测定的。根据万有引力定律，大球会对小球产生引力，T形架会随之扭转，只要测出其扭转的角度，就可以测出引力的大小。当然由于引力很小，这个扭转的角度会很小。怎样才能把这个角度测出来呢？卡文迪许在T形架上装了一面小镜子，用一束光射向镜子，经镜子反射后的光射向远处的刻度尺，当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时，刻度尺上的光斑会发生较大的移动。这样，就起到一个化小为大的效果，通过测定光斑的移动，测定了T形架在放置大球前后扭转的角度，从而测定了此时大球对小球的引力。卡文迪许用此扭秤验证了牛顿万有引力定律，并测定出引力常量G的数值。这个数值与近代用更加科学的方法测定的数值是非常接近的。2

参考资料