一個難以測準的常數

引力常數（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之一。在牛頓（Issac Newton）發表萬有引力定律一個世紀后，盡管科學家已經嘗試測量這個常數超過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）對應的常數中，引力常數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，這塊小磁鐵產生的電磁力，遠遠比地球對回形針施加的引力還大。

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，實驗已經變得更加靈敏和復雜，但近年來對于引力常數的許多測量結果仍略有不同。即便這些差異僅約為萬分之一，但它們仍然是顯著的，無法用常規的實驗誤差來解釋。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？

在一項新發表于《計量學》的研究中，美國國家標準技術研究所（NIST）的研究團隊用一項持續十年、甚至將實驗設備橫跨大西洋搬運的實驗，復現了國際計量局（BIPM）2007年在法國巴黎進行的一項精確實驗：他們最終得到的數值為6.67387x10?11m3/kg/s2——既不同于先前的實驗結果，也不同于目前對引力常數的最佳估計值。

一場跨越兩個世紀的測量

測定引力常數最古老的方法，就是測量兩組質量之間的引力。這是一種通過測量一根懸掛桿的扭轉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。小質量物體和大質量物體之間的引力，會使桿旋轉，并使細絲發生扭轉；隨著細絲被擰緊，它會產生回復扭矩，直到這一扭矩與引力造成的轉動力矩相互平衡。卡文迪什再借助鏡子和光點測量桿的運動，并由此推算出引力常數的數值。

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的轉臺上，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臺的一個圓盤上，圓盤由一條大約只有頭發粗的銅鈹帶懸掛著。當外側的圓柱體吸引內側圓柱體時，這個“扭秤”就會旋轉，銅鈹帶也隨之扭轉。通過精確追蹤這種旋轉和引力扭矩，就能測量引力常數。

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側圓柱體旁的電極施加電壓。電壓產生了靜電扭矩，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。通過測量電壓的大小，就能推算出引力常數。

NIST用于測量引力強度的實驗裝置。（圖/S. Kelley/NIST）

為了確定質量的組成是否會以某種方式影響結果，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。研究小組發現了幾乎相同的結果。他們最終得到的數值為6.67387x10?11m3/kg/s2，比早先 BIPM的數值低0.0235%，也明顯低于國際公認的CODATA數值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的問題，但這項研究或許幫助科學家挖掘出了BIPM結果中隱藏的系統誤差。因為與NIST的裝置相比，BIPM使用的圓柱形銅質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的主流方法，但已經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，或分析那些表現出波動性質的原子的運動軌跡。

研究人員表示，希望這一新的結果能激發出新的實驗，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