測(cè)了兩個(gè)多世紀(jì)，引力常數(shù)仍沒(méi)有定論

一個(gè)難以測(cè)準(zhǔn)的常數(shù)

引力常數(shù)（G）決定了引力相互作用的強(qiáng)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(wàn)有引力定律一個(gè)世紀(jì)后，盡管科學(xué)家已經(jīng)嘗試測(cè)量這個(gè)常數(shù)超過(guò)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(qiáng)力和弱力）對(duì)應(yīng)的常數(shù)中，引力常數(shù)是已知精度最差的一個(gè)。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(lái)。也就是說(shuō)，這塊小磁鐵產(chǎn)生的電磁力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比地球?qū)匦吾樖┘拥囊€大。

而在實(shí)驗(yàn)室條件下，引力的這種微弱會(huì)顯得更加突出。因?yàn)榭茖W(xué)家不可能拿地球、太陽(yáng)這樣的大質(zhì)量天體做實(shí)驗(yàn)，只能用那些小到可以被稱(chēng)量、被移動(dòng)的物體來(lái)測(cè)量引力。這些物體的質(zhì)量?jī)H為地球的5000億萬(wàn)億分之一，因此它們之間的引力非常微弱，測(cè)量也就更加困難。

盡管隨著時(shí)間的推移，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)變得更加靈敏和復(fù)雜，但近年來(lái)對(duì)于引力常數(shù)的許多測(cè)量結(jié)果仍略有不同。即便這些差異僅約為萬(wàn)分之一，但它們?nèi)匀皇秋@著的，無(wú)法用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)解釋。這種差異令許多物理學(xué)家疑惑：是否有一些被忽視的實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致了這種不相符？還是我們對(duì)引力的理解存在根本性的錯(cuò)誤？

在一項(xiàng)新發(fā)表于《計(jì)量學(xué)》的研究中，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的研究團(tuán)隊(duì)用一項(xiàng)持續(xù)十年、甚至將實(shí)驗(yàn)設(shè)備橫跨大西洋搬運(yùn)的實(shí)驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)了國(guó)際計(jì)量局（BIPM）2007年在法國(guó)巴黎進(jìn)行的一項(xiàng)精確實(shí)驗(yàn)：他們最終得到的數(shù)值為6.67387x10?11m3/kg/s2——既不同于先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也不同于目前對(duì)引力常數(shù)的最佳估計(jì)值。

一場(chǎng)跨越兩個(gè)世紀(jì)的測(cè)量

測(cè)定引力常數(shù)最古老的方法，就是測(cè)量?jī)山M質(zhì)量之間的引力。這是一種通過(guò)測(cè)量一根懸掛桿的扭轉(zhuǎn)角度來(lái)測(cè)量引力的方法。這種方法可以追溯到1798年物理學(xué)家卡文迪什（Henry Cavendish）進(jìn)行的一項(xiàng)具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn)——扭秤實(shí)驗(yàn)。

測(cè)量引力強(qiáng)度的傳統(tǒng)卡文迪什實(shí)驗(yàn)。（圖/S. Kelley / NIST）

在實(shí)驗(yàn)中，卡文迪什把兩個(gè)小鉛球放在一根桿的兩端，并用一根細(xì)絲將桿從中心水平懸掛起來(lái)。隨后，在兩個(gè)鉛球附近，他又放置了兩個(gè)更重的物體。小質(zhì)量物體和大質(zhì)量物體之間的引力，會(huì)使桿旋轉(zhuǎn)，并使細(xì)絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)；隨著細(xì)絲被擰緊，它會(huì)產(chǎn)生回復(fù)扭矩，直到這一扭矩與引力造成的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相互平衡。卡文迪什再借助鏡子和光點(diǎn)測(cè)量桿的運(yùn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)”的方法，只不過(guò)他們的實(shí)驗(yàn)更為復(fù)雜，涉及到8個(gè)圓柱形金屬塊，其中4個(gè)圓柱體被置于一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，就像老式吊燈上的四個(gè)燭臺(tái)。另外4個(gè)較小的圓柱體被放置在轉(zhuǎn)臺(tái)的一個(gè)圓盤(pán)上，圓盤(pán)由一條大約只有頭發(fā)粗的銅鈹帶懸掛著。當(dāng)外側(cè)的圓柱體吸引內(nèi)側(cè)圓柱體時(shí)，這個(gè)“扭秤”就會(huì)旋轉(zhuǎn)，銅鈹帶也隨之扭轉(zhuǎn)。通過(guò)精確追蹤這種旋轉(zhuǎn)和引力扭矩，就能測(cè)量引力常數(shù)。

相較于卡文迪什，NIST和BIPM都更進(jìn)了一步——他們對(duì)放置在每個(gè)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(guò)仔細(xì)選擇一個(gè)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(guò)測(cè)量電壓的大小，就能推算出引力常數(shù)。

NIST用于測(cè)量引力強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置。（圖/S. Kelley/NIST）

為了確定質(zhì)量的組成是否會(huì)以某種方式影響結(jié)果，NIST的研究人員首先用銅進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，再用藍(lán)寶石重復(fù)了這項(xiàng)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(guó)際公認(rèn)的CODATA數(shù)值6.67430x10?11m3/kg/s2。NIST團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這或許意味著真實(shí)值比當(dāng)前公認(rèn)值更低。

新結(jié)果與未解之謎

不過(guò)，整個(gè)局面依然遠(yuǎn)未明朗。盡管NIST的這項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)十年的研究并沒(méi)有解決引力常數(shù)的問(wèn)題，但這項(xiàng)研究或許幫助科學(xué)家挖掘出了BIPM結(jié)果中隱藏的系統(tǒng)誤差。因?yàn)榕cNIST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(méi)那么高。

另外，盡管BIPM的這套實(shí)驗(yàn)裝置仍是測(cè)量引力常數(shù)的主流方法，但已經(jīng)有一些團(tuán)隊(duì)開(kāi)始采用一些其他的方法，例如研究自由下落的測(cè)試物體，或分析那些表現(xiàn)出波動(dòng)性質(zhì)的原子的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)，期待更年輕一代的科學(xué)家能夠解決這一問(wèn)題。

#參考來(lái)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(lái)源：

封面圖&首圖：原理2222