一個難以測準的常數(shù)

引力常數(shù)（G）決定了引力相互作用的強弱，是定義我們宇宙的基本常數(shù)之一。在牛頓（Issac Newton）發(fā)表萬有引力定律一個世紀后，盡管科學家已經(jīng)嘗試測量這個常數(shù)超過225年，但它的值依然存在著異常大的不確定性。

在自然界四種基本力（其他三種力分別是電磁力、強力和弱力）對應(yīng)的常數(shù)中，引力常數(shù)是已知精度最差的一個。部分原因在于，引力是四種基本力中最弱的一種。例如，一塊只比大頭針大不了多少的小磁鐵，也能把地上的回形針吸起來。也就是說，這塊小磁鐵產(chǎn)生的電磁力，遠遠比地球?qū)匦吾樖┘拥囊�大。

而在實驗室條件下，引力的這種微弱會顯得更加突出。因為科學家不可能拿地球、太陽這樣的大質(zhì)量天體做實驗，只能用那些小到可以被稱量、被移動的物體來測量引力。這些物體的質(zhì)量僅為地球的5000億萬億分之一，因此它們之間的引力非常微弱，測量也就更加困難。

盡管隨著時間的推移，實驗已經(jīng)變得更加靈敏和復雜，但近年來對于引力常數(shù)的許多測量結(jié)果仍略有不同。即便這些差異僅約為萬分之一，但它們?nèi)匀皇秋@著的，無法用常規(guī)的實驗誤差來解釋。這種差異令許多物理學家疑惑：是否有一些被忽視的實驗錯誤導致了這種不相符？還是我們對引力的理解存在根本性的錯誤？

在一項新發(fā)表于《計量學》的研究中，美國國家標準技術(shù)研究所（NIST）的研究團隊用一項持續(xù)十年、甚至將實驗設(shè)備橫跨大西洋搬運的實驗，復現(xiàn)了國際計量局（BIPM）2007年在法國巴黎進行的一項精確實驗：他們最終得到的數(shù)值為6.67387x10?11m3/kg/s2——既不同于先前的實驗結(jié)果，也不同于目前對引力常數(shù)的最佳估計值。

一場跨越兩個世紀的測量

測定引力常數(shù)最古老的方法，就是測量兩組質(zhì)量之間的引力。這是一種通過測量一根懸掛桿的扭轉(zhuǎn)角度來測量引力的方法。這種方法可以追溯到1798年物理學家卡文迪什（Henry Cavendish）進行的一項具有里程碑意義的實驗——扭秤實驗。

測量引力強度的傳統(tǒng)卡文迪什實驗。（圖/S. Kelley / NIST）

在實驗中，卡文迪什把兩個小鉛球放在一根桿的兩端，并用一根細絲將桿從中心水平懸掛起來。隨后，在兩個鉛球附近，他又放置了兩個更重的物體。小質(zhì)量物體和大質(zhì)量物體之間的引力，會使桿旋轉(zhuǎn)，并使細絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)；隨著細絲被擰緊，它會產(chǎn)生回復扭矩，直到這一扭矩與引力造成的轉(zhuǎn)動力矩相互平衡�？ㄎ牡鲜苍俳柚R子和光點測量桿的運動，并由此推算出引力常數(shù)的數(shù)值。

BIPM和NIST的也采用了“扭秤實驗”的方法，只不過他們的實驗更為復雜，涉及到8個圓柱形金屬塊，其中4個圓柱體被置于一個可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺上，就像老式吊燈上的四個燭臺。另外4個較小的圓柱體被放置在轉(zhuǎn)臺的一個圓盤上，圓盤由一條大約只有頭發(fā)粗的銅鈹帶懸掛著。當外側(cè)的圓柱體吸引內(nèi)側(cè)圓柱體時，這個“扭秤”就會旋轉(zhuǎn)，銅鈹帶也隨之扭轉(zhuǎn)。通過精確追蹤這種旋轉(zhuǎn)和引力扭矩，就能測量引力常數(shù)。

相較于卡文迪什，NIST和BIPM都更進了一步——他們對放置在每個內(nèi)側(cè)圓柱體旁的電極施加電壓。電壓產(chǎn)生了靜電扭矩，使銅鈹帶扭向與引力所致扭矩相反的方向。通過仔細選擇一個正好平衡引力扭矩的電壓，研究人員就可以阻止扭秤的旋轉(zhuǎn)。通過測量電壓的大小，就能推算出引力常數(shù)。

NIST用于測量引力強度的實驗裝置。（圖/S. Kelley/NIST）

為了確定質(zhì)量的組成是否會以某種方式影響結(jié)果，NIST的研究人員首先用銅進行了實驗，再用藍寶石重復了這項研究。研究小組發(fā)現(xiàn)了幾乎相同的結(jié)果。他們最終得到的數(shù)值為6.67387x10?11m3/kg/s2，比早先 BIPM的數(shù)值低0.0235%，也明顯低于國際公認的CODATA數(shù)值6.67430x10?11m3/kg/s2。NIST團隊認為，這或許意味著真實值比當前公認值更低。

新結(jié)果與未解之謎

不過，整個局面依然遠未明朗。盡管NIST的這項長達十年的研究并沒有解決引力常數(shù)的問題，但這項研究或許幫助科學家挖掘出了BIPM結(jié)果中隱藏的系統(tǒng)誤差。因為與NIST的裝置相比，BIPM使用的圓柱形銅質(zhì)量塊在形狀加工精度上沒那么高。

另外，盡管BIPM的這套實驗裝置仍是測量引力常數(shù)的主流方法，但已經(jīng)有一些團隊開始采用一些其他的方法，例如研究自由下落的測試物體，或分析那些表現(xiàn)出波動性質(zhì)的原子的運動軌跡。

研究人員表示，希望這一新的結(jié)果能激發(fā)出新的實驗，期待更年輕一代的科學家能夠解決這一問題。

#參考來源：

https://www.nist.gov/news-events/news/2026/04/nist-weighs-mystery-gravitational-constant

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ae570f

http://nature.com/articles/d41586-026-01284-3

#圖片來源：

封面圖&首圖：原理2222