精密扭摆——观察引力异常的一种仪器

一、引 言 1970年 3月 7日美国萨克斯耳和艾伦在哈佛塔内利用扭摆作了一次日食观察[1],他们发现扭摆的周期在初亏到食甚期间发生了显著变化──相当于在23公斤的摆盘上加了1.2公斤的重物,即增加了5%,这比按经典引力理论计算得出的数值约大十万倍.法国艾来斯在1954年6月30日用锥     

用于教学的万有引力常数测定仪—HG引力仪的研制

测Ｇ的方法主要有两种；一是扭摆法：二是扭秤法即Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ方法。作为教学目的，测量Ｇ值主要用扭秤方法，ＨＧ引力仪可用扭秤方法，但主要采取扭摆方法来测定Ｇ值，前者的精度在１０％以内，后者的精度更高，达到了５％，另外，该仪器能做检测万有引力定律实验。     

用于教学的万有引力常数测定仪——HG引力仪的研制

测Ｇ的方法主要有两种：一是扭摆法；二是扭秤法即Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ方法．作为教学目的，测量Ｇ值主要用扭秤方法．ＨＧ引力仪可用扭秤方法，但主要采取扭摆方法来测定Ｇ值，前者的精度在１０％以内，后者的精度更高，达到了５％．另外，该仪器能做检测万有引力定律实验．     

精密扭摆研究

本研究旨在提高扭摆精度。扭摆采用大理石——这取自地球的天然材料作摆盘;通过试验,挑选了Q值高、内耗小、剪切模量温度系数接近于零的恒弹性合金丝作为吊丝。特别是,我们把Saxl类型的每周期吸合一次的间断振荡摆回复到小阻尼情况下的自由振荡摆,减少对摆振动的人为干预;增加真空条件,以减少周围环境干扰,延长了阻尼时间;同时在摆盘中央安放多面反射镜环,增加测量点,变一周期仅测一次时间为同一周期测四次以上。这就提供了用计算机求阻尼振荡方程θi=Ae^-t_i/τsin(ωt_i+φ)数值解的条件,不但可直接测得周期T的变化,而且可望计算得振幅A、阻尼时间τ、初相角φ的变化。另外,在光电接收方面也作了一些改进。通过这些措施,我室的精密扭摆对周期的探测精度已比美国Saxl 1964年发表第一篇文章时的扭摆精度提高100倍;比其运转17年,经一再改进的扭摆精度提高10倍。测量有效数字6位至7位,周期相对误差一般达2×10^-6,最佳状况可达8×10^-7,基本达到预期设计要求,为将来探测引力异常,“区分长期间与短期间内频率起伏”提供了可能性。 关键词：     

光子芯片中类比引力的研究

探索和理解引力场弯曲时空的本质一直是人类孜孜不倦追求的目标。尤其最近天文学上两大事件:激光干涉引力波天文台探测到引力波信号以及事件视界望远镜拍到黑洞的影子,进一步激发人类对古老而神秘引力的兴趣。尽管人类在探测引力现象的天文实验技术上取得了巨大的进步,但是对于有些引力现象的研究仍然面临着挑战,特别是与引力有关的量子效应。另一方面,类比引力系统为人类研究引力效应提供了一个新的实验平台,它可以在实验室环境下研究目前天文观测仍面临挑战的引力现象,例如黑洞附近引力场的量子效应。文章将介绍以光子芯片作为一种类比引力的实验体系而实现的引力场弯曲时空的模拟与研究。     

扭摆的故事：简单的仪器与重要的成果

本文从扭摆内耗仪的发明和应用这一侧面来说明用简单的仪器设备也能够得到重要的成果．文中详细介绍了作者根据实验室通用的古典扭摆的启发来创制扭摆内耗仪的经过，以及作者应用这项简单仪器所获得的大量成果．作者创制扭摆内耗仪的指导思想是辩证唯物主义的认识论，即根据事物的普遍联系的法则把在一个领域里熟悉的道理有针对性地转用到另一领域．作者还谈到了由低到高不断发展的过程，举出了创制更精密的各种类型的扭摆的几个例子．     

根据行星轨道分析引力子质量上限

按照爱因斯坦的广义相对论,引力可与无质量的引力子相联系。一种检验引力子是否真的无质量的方法,是通过对太阳系中行星运动的详细观测来计算引力子质量的上限。如果引力子质量不为零,可能意味着需要超出广义相对论的新理论。若引力以光速传播,引力子的质量mg应为零。但是如果引力子具有微小的质量,引力将具有由引力子的康普顿波长λg标志的有限力程。     

平板电容作用力的扭摆测量方法

平板电容作用力的扭摆测量方法罗俊，范淑华（华中理工大学武汉４３００７４）平板电容两极板之间存在相互作用力是电磁学中为人们所熟悉的一个结论，从实验上直接观测电容作用力效应通常的办法是采用静电天平或电磁天平．本文提出平板电容作用力的扭摆测量方法．其实验设...     

一种引力波天线的调谐方法

目前理论上预期的天体引力波源在低频段的引力辐射比较丰富[1-4].另一方面,目前使用的引力波天线绝大多数是机械共振天线,这类天线的Q值大都很高(104以上),频带甚窄(当v～10HZ时,Δv≤ 0.01Hz),在对某一特定的窄带引力辐射进行探测时很容易失调[5].因此,为了更好地探测引力波,并做到容易对准和跟踪它,自然希望天线具有比较低的共振频率和能够在一定的频率范围内方便地调谐. 作者曾在扭摆天线[6]的基础上研究了一种可调谐的引力波天线[7],指出这种天线容易在1—10Hz频率范围内调谐,这正是预期的天体物理过程所辐射的引力波的频谱峰值范围. …     

铝一镁合金中的反常位错内耗峰

Al-0.03at％ Mg合金在倒扭摆上-65℃在原位进行拉伸,形变量为0.5％,然后在升温过程中测量内耗,于-30℃及60℃附近观测到内耗峰,随后从80℃的降温过程中仍在相同温度观测到内耗峰。研究了不同温度下的内耗-振幅曲线,在降温过程中出现内耗峰的温度范围内观测到了振幅内耗峰,并由此计算得到等效激活能分别为0.32及0.22eV。初步认为,当低温冷加产生的位错弯结在外力作用下作沿边往复运动时,“镁原子-空位”对和镁原子被拖曳运动是分别引起-30℃峰和60℃峰的可能的原因。 关键词：     

近距离牛顿反平方定律实验检验进展

为了统一描述自然界的四种基本相互作用,科学家提出了很多理论模型,其中很多理论认为牛顿反平方定律在近距离下会发生偏离,或存在其他的非牛顿引力作用,而理论的正确与否需要高精度的实验检验.国际上很多研究组在不同间距下采用不同的技术对反平方定律进行了高精度的实验检验,本文重点介绍华中科技大学引力中心采用密度调制法分别在亚毫米与微米范围进行的实验研究进展.在亚毫米范围采用精密扭秤技术,在对牛顿引力进行双补偿、抑制电磁干扰后,结合零实验与非零实验结果,在作用程为70—300μm区间对Yukawa形式的破缺给出国际上精度最高的限制.在微米范围采用悬臂梁作为弱力传感器,通过测量金球和密度调制吸引质量间水平力的变化来检验非牛顿引力是否存在,实验结果不需进行Casimir力和静电力背景扣除,是此间距下不依赖于Casimir力和静电力理论计算模型的两个结果之一.     

Achieving geodetic motion for LISA test masses: ground testing results

The low-frequency resolution of space-based gravitational wave observatories such as LISA (Laser Interferometry Space Antenna) hinges on the orbital purity of a free-falling reference test mass inside a satellite shield. We present here a torsion pendulum study of the forces that will disturb an orbiting test mass inside a LISA capacitive position sensor. The pendulum, with a measured torque noise floor below 10 fN m/square root of Hz from 0.6 to 10 mHz, has allowed placement of an upper limit on sensor force noise contributions, measurement of the sensor electrostatic stiffness at the 5% level, and detection and compensation of stray dc electrostatic biases at the millivolt level.     

Covariant anomaly and Hawking radiation from the modified black hole in the rainbow gravity theory

Recently, Banerjee and Kulkarni (R. Banerjee, S. Kulkarni, arXiv: 0707. 2449 [hep-th]) suggested that it is conceptually clean and economical to use only the covariant anomaly to derive Hawking radiation from a black hole. Based upon this simplified formalism, we apply the covariant anomaly cancellation method to investigate Hawking radiation from a modified Schwarzschild black hole in the theory of rainbow gravity. Hawking temperature of the gravity’s rainbow black hole is derived from the energy-momentum flux by requiring it to cancel the covariant gravitational anomaly at the horizon. We stress that this temperature is exactly the same as that calculated by the method of cancelling the consistent anomaly.     

惯性质量与引力质量相等的实验验证

设计了一套实验装置,以此研究了物质惯性质量与引力质量的等价性.与以往伽利略自由落体实验和牛顿单摆实验等动态验证法相比,本实验以静态的方式进行,大大减少了机械摩擦和空气阻力,又通过扭秤的光学系统将微弱作用力放大,因而实验的精度可高达,精确地验证了物质惯性质量与引力质量的等价性,填补了国内相关方面研究的空白.     

Characterization of mechanical dissipation spectral behavior using a gravitomagnetic pendulum

We have developed an experimental method based on the reaction of a magnetic mass with respect to a dc biased coil to change the frequency of a pendulum. In a preliminary experiment this method has allowed us to investigate the mechanical dissipation of nylon pendulum wires over the 0.1-1.4 Hz frequency range. According to the procedure shown in this paper, it is possible to deduce from the measurements whether the dissipation process is viscous or not. The method is generally applicable and adaptable to be used to characterise the behaviour of the suspension systems developed for gravitational waves detectors.     

DETERMINATION OF THE PERIOD OF A TORSION PENDULUM BY THE FITTING METHOD IN REAL TIME

A phenomenological study on the fitting method in real time has been done, and the method was applied to process and analyze the extensive data of a long period torsion pendulum used to determine Newtonian gravitational constant G. The result shows that the fitting method in real time is effective to determine the period of a torsion pendulum with a relative precision of 10^-5 orders.     

扭摆——探测低频引力波的一种可能的天线

本文研究了扭摆对引力波的响应和吸收截面,并对有关的问题进行了讨论,指出它可以作为探测低频引力波的机械共振天线。 关键词：     

Null test of Newtonian inverse-square law at submillimeter range with a dual-modulation torsion pendulum

A null experimental test of the Newtonian inverse-square law at submillimeter range using a torsion pendulum was presented. Under the dual modulations of both the expected signal and the gravitational torque for calibration, our data concluded with 95% confidence that no new forces were observed and any gravitational-strength Yukawa forces (|alpha|>or=1) must have a length scale lambda<66 microm, agreeing well with the latest result of the E?t-wash group. Our result sets a unification energy scale of M*>or=2.8 TeV/c2 for the two compactified extra space dimensions with the same size R*<47 microm.     

Gravitational anomaly and Hawking radiation of apparent horizon in FRW universe

Motivated by the successful applications of the anomaly cancellation method to derive Hawking radiation from various types of black hole spacetimes, we further extend the gravitational anomaly method to investigate the Hawking radiation from the apparent horizon of a FRW universe by assuming that the gravitational anomaly also exists near the apparent horizon of the FRW universe. The result shows that the radiation flux from the apparent horizon of the FRW universe measured by a Kodama observer is just the pure thermal flux. The result presented here will further confirm the thermal properties of the apparent horizon in a FRW universe.     

Hawking Radiation from the Cylindrical Symmetric Black Hole via Covariant Anomaly

Hawking radiation from the cylindrical symmetric black hole, which is asymptotically anti-de Sitter not only in the transverse direction but also in the string or membrane direction, is discussed from the anomaly point of view. We implement the covariant anomaly cancellation method, the more refined formalism that was proposed by Banerjee and Kulkarni recently than the initial work of Robinson et al., to discuss the near-horizon gauge and gravitational anomalies. Our result shows that Hawking radiation from the cylindrical configurations with horizons also can be reproduced by the anomaly cancellation method.