物理學(xué)最尷尬的常數(shù)-重力強(qiáng)度：測(cè)了225年，還是沒(méi)搞準(zhǔn)

引力是宇宙中最無(wú)處不在的力，也是四種基本力中被測(cè)量得最糟糕的一種。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）物理學(xué)家斯蒂芬·施拉明格，為這件事花了整整十年。2024年7月11日下午三點(diǎn)，他站在科羅拉多州奧羅拉市的一場(chǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議講臺(tái)上，打開(kāi)了一個(gè)他自己都不敢看的信封。信封里裝著一個(gè)數(shù)字，一個(gè)被他同事刻意加密隱藏了多年的數(shù)字，只有它才能解開(kāi)十年數(shù)據(jù)背后的最終答案。

結(jié)果揭曉了。答案讓他先是松了口氣，隨后又陷入了一種更深的困惑。

一個(gè)小到感受不到、卻牽動(dòng)整個(gè)宇宙的常數(shù)

想象你把兩個(gè)咖啡杯分別握在兩只手里。它們之間存在引力，牛頓告訴我們這是千真萬(wàn)確的，但你永遠(yuǎn)感受不到，因?yàn)槟莻€(gè)力實(shí)在太微弱了。這種微弱性，正是"大G"難以測(cè)量的根本原因。

大G，即萬(wàn)有引力常數(shù)，是牛頓引力定律的核心參數(shù)，決定了宇宙中任意兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間的吸引強(qiáng)度。從地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，到星系之間的相互牽引，一切都要用到這個(gè)數(shù)。但偏偏就是這個(gè)數(shù)，在所有基本物理常數(shù)里，精度最差、爭(zhēng)議最多。

電磁力、強(qiáng)核力、弱核力，對(duì)應(yīng)的常數(shù)都已經(jīng)被測(cè)定到六位有效數(shù)字以上。大G呢？科學(xué)家折騰了225年，精度仍然只停留在萬(wàn)分之五左右。更尷尬的是，不同實(shí)驗(yàn)室、不同團(tuán)隊(duì)做出來(lái)的結(jié)果，彼此之間相差約萬(wàn)分之一，超出了實(shí)驗(yàn)誤差所能解釋的范圍。

這個(gè)系統(tǒng)性的不一致，讓物理學(xué)界陷入了一種說(shuō)大不大、說(shuō)小不小的困境：要么是某個(gè)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)存在沒(méi)找到的系統(tǒng)誤差，要么是我們對(duì)引力本身的理解有根本性的缺漏。沒(méi)有人知道是哪個(gè)。

施拉明格決心弄清楚。他的策略是復(fù)現(xiàn)一個(gè)迄今最精確的大G測(cè)量實(shí)驗(yàn)——2007年由法國(guó)國(guó)際計(jì)量局（BIPM）完成的扭秤實(shí)驗(yàn)，在NIST的實(shí)驗(yàn)室里從頭再做一遍，看結(jié)果是否能對(duì)上。

扭秤這種裝置，最早要追溯到1798年英國(guó)物理學(xué)家亨利·卡文迪什的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。卡文迪什在一根細(xì)線兩端懸掛小鉛球，附近放置大質(zhì)量鉛球，引力使細(xì)線發(fā)生微小扭轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度來(lái)推算G值。時(shí)至今日，這個(gè)原理沒(méi)有變，但實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)精密得多：施拉明格團(tuán)隊(duì)使用了厚度相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的銅鈹合金薄帶作為懸絲，配合精密的靜電補(bǔ)償系統(tǒng)，用兩種獨(dú)立方法交叉驗(yàn)證同一個(gè)結(jié)果，并且額外用銅質(zhì)量體和藍(lán)寶石質(zhì)量體分別重做了一遍，確認(rèn)材料本身不會(huì)影響測(cè)量。

為了保證測(cè)量的獨(dú)立性，施拉明格讓同事帕特里克·阿博特把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中某幾組質(zhì)量的讀數(shù)悄悄加上一個(gè)只有阿博特自己知道的隨機(jī)偏移量，然后封進(jìn)信封。這樣一來(lái)，施拉明格在分析數(shù)據(jù)的全程，根本不知道自己在趨向哪個(gè)答案，也就無(wú)從在潛意識(shí)里讓結(jié)果"靠近"預(yù)期值。

這個(gè)設(shè)計(jì)，是為了對(duì)抗實(shí)驗(yàn)物理學(xué)里最難察覺(jué)的敵人：實(shí)驗(yàn)者偏見(jiàn)。

謎題更深了，但科學(xué)前進(jìn)了

2022年，施拉明格第一次準(zhǔn)備打開(kāi)信封，最后關(guān)頭放棄了，因?yàn)樗庾R(shí)到忽略了一個(gè)與氣壓有關(guān)的微小因素。又過(guò)了兩年，他才真正站上那個(gè)講臺(tái)。

信封里的數(shù)字讓他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有了明確的物理意義，但結(jié)果并不如他希望的那樣令人安慰。NIST團(tuán)隊(duì)測(cè)得的大G值為6.67387×10?11 立方米每千克平方秒，比2007年法國(guó)BIPM的結(jié)果低了0.0235%。

0.0235%，聽(tīng)起來(lái)微不足道，但在基本常數(shù)測(cè)量里，這是一個(gè)不可忽視的差距。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)用的是同一套實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、同一套測(cè)量原理，歷時(shí)多年精心操作，結(jié)果還是對(duì)不上，而且超出了雙方誤差范圍可以解釋的邊界。

這意味著什么？NIST的新結(jié)果，并沒(méi)有終結(jié)大G之謎。施拉明格在發(fā)表于《計(jì)量學(xué)》期刊的論文中坦然承認(rèn)，這個(gè)測(cè)量的精度仍停滯在五千分之一的量級(jí)，與領(lǐng)域內(nèi)最先進(jìn)的結(jié)果相比并無(wú)突破性改善。

但它的價(jià)值在于另一個(gè)維度：獨(dú)立性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

這是對(duì)2007年法國(guó)實(shí)驗(yàn)最嚴(yán)格的一次獨(dú)立重復(fù)驗(yàn)證，證明兩個(gè)高度精密的實(shí)驗(yàn)可以在方法完全一致的情況下仍然給出不同結(jié)果，這本身就是一條極有價(jià)值的信息。它告訴科學(xué)家：?jiǎn)栴}很可能不在于實(shí)驗(yàn)操作，而在于某個(gè)更基本的、尚未被識(shí)別的系統(tǒng)性因素。換言之，大G之謎比我們以為的更深。

施拉明格本人已經(jīng)宣告，他打算就此放下這個(gè)問(wèn)題，把接力棒交給年輕一代。"每一次測(cè)量都是重要的，因?yàn)檎嫦啾旧砭褪侵匾模?他說(shuō)，"為我而言，做一次精準(zhǔn)的測(cè)量，是給宇宙帶來(lái)一種秩序感，無(wú)論結(jié)果是否符合預(yù)期。"

這話說(shuō)得平靜，背后藏著的，是整整十年與一根比頭發(fā)絲還細(xì)的合金絲較勁的漫長(zhǎng)歲月。