大陸測得最精確萬有引力常數！怎樣將大課題融入到教學中？

8月30日，各新聞網站紛紛報導華中大羅俊院士團隊用兩種獨立的方法測得最精確萬有引力常數，並發表在Nature上。這個新聞對我們科技輔導員而言有什麼意義呢？

相信很多科技輔導員也看到了這個新聞，也許很多人只是簡單地看了一眼。如果細心地話，你會發現這個新聞跟科技教育工作有很多可以結合的點，你能看出來嗎？學堂君從上周我們聊到的智能設計案「用Arduino測量地球質量」談起。跟你一起分析如何將科技前沿新聞融入到教學中。

我們在「用Arduino測量地球質量」這個案例用到了牛頓的思路，但我們刻意回避了一個重要的問題：萬有引力常數G值。牛頓測量地球質量實驗失敗的關鍵就在於他無法測量出萬有引力常數G，他斷言，只有在地球之外我們才能測得地球的質量。

然而，十八世紀的卡文迪許，首次用扭秤實驗巧妙地測出萬有引力常數G，卡文迪許的扭秤將微小的萬有引力放大兩次，達到可以測量的狀態，被稱為最優雅的實驗。即使到現在，羅俊院士測量萬有引力常數G的方法也是基於扭秤改進的。

我們能否用智能設計重現卡文迪許的扭秤實驗呢？理論上講是可以的。然而，萬有引力常數的實驗設計非常困難，但我們不妨可以將測量萬有引力常數作為一個「Arduino測量地球質量」的知識引申。了解這個研究，我們能夠看到前沿科學研究是怎樣的，學生能夠更加深入體會到科學精神。

萬有引力常數是是一個包含在對有質量的物體間的萬有引力的計算中的實驗物理常數。在中學課本中萬有引力常數G的數值是6.67×10E-11N·m²/kg²，這是一個非常小的數值，但它足夠準確嗎？

目前，科學數學技術委員會推薦的G值是6.67408×10E-11N·m²/kg²，相對精度為47ppm，也就是說這個數值有百萬分之47的不確定性；而羅俊院士的最新研究用兩種不同的方法（擺的周期法和角加速度反饋法）測得萬有引力常數的數值分別為6.674184×10E−11和6.674484×10E-11，相對精度達到了11.64ppm和11.61ppm，又將這個重要的數值推進了一大步。

擺動周期法的實驗設備

你可以在Nature上的閱讀到這個研究的原文，也可以通過這篇文章了解這個成果的科學意義。這裡學堂君不打算詳細展開。對於科技輔導員而言，我們更關心的是為什麼要精確測量萬有引力常數，學生能學到什麼呢？

首先，萬有引力常數測量是眾多物理常數中最難測的一個，想一想我們在中學學到的物理常數：光速被確定為一個精確數值、阿伏伽德羅常數有9個有效數字，而萬有引力卻只有6位有效數字，數據的不確定性將成為了基礎研究的短板。

天琴計劃的三顆衛星

其次，萬有引力常數的測量對於大陸的基礎科學研究有著重要的意義。例如，羅俊院士帶頭的引力波探測「天琴計劃」就是一個很好的例子。引力波是目前一項重要的基礎研究，去年，LIGO項目的三位科學家因引力波的研究獲得了諾貝爾物理學家。「天琴計劃」將會發射三顆衛星，將干涉儀放射到太空，如果計劃成功實施，將大力推動基礎研究的進展，而更精確的萬有引力常數是這個計劃的保障。

羅俊院士在引力實驗室的山洞中

對於學生而言，萬有引力常數的精確測量的實驗更大的意義在於讓我們感受科學家刻苦專研的精神。盡管引力常數G值的測量原理早已明確，但測量過程極其繁瑣和複雜。由於引力實驗對恒溫、隔振、電磁屏蔽等要求極高，引力實驗室建設在華中師大的一個山洞中。在最初的10多年，羅俊院士幾乎每天都用10多個小時在山洞中做實驗，而這個科學研究，竟經歷了三十年。

作為科技輔導員，我們需要了解科學的前沿，在教學活動中讓學生學習科學的知識，感受科學的精神，這就是我們將科技前沿新聞融入到教學中的價值。