引力常数为何340年仍是物理学未解之谜

今年是引力常数问世340周年，它也是物理学中最古老的基本常数之一。这个被研究者亲切地称作“大G”的数值，自1686年牛顿构建万有引力定律时首次被纳入核心公式以来，就一直是理论物理的基石。然而，一个颇具挑战的事实是：历经数百年，大G至今仍是所有基本物理常数中测量精度最差、数值最不确定的一个。

目前，全球科学家通过不同实验方法得出了一系列存在差异的引力常数测量结果（其常用值约为6.674×10^-11 N·m²/kg²）。这引发了一个深刻的疑问：究竟是人类的实验技术尚未触及引力的本质，还是现有的理论框架本身存在我们尚未察觉的细微疏漏？为了攻克这一难题，美国国家标准与技术研究院（NIST）的斯特凡・施拉明格团队在过去十年里进行了一项极为精密的测量实验。有趣的是，这项研究迎来最终结果的时刻，团队需要拆开一只密封的信封才能知晓答案——这种充满悬念的设计，通常出现在奥斯卡颁奖典礼上，而非严肃的物理实验室。

不过，这场“悬念”的设置并非多余。在描述宇宙基本规律的各类公式里，引力常数无处不在，其数值的长期不确定性一直是困扰科学家，尤其是计量学家的一个核心痛点。

施拉明格在接受采访时曾坦言：“引力常数是物理学中最大的未解之谜之一。它的处境非常特殊：作为人类已知最古老的基本常数，牛顿早在1687年就将它写入公式，可时至今日，它依旧是所有常数中测量精度最低的。这无疑是物理学界一个长期悬而未决的遗憾。”

重新审视引力常数

引力常数是牛顿万有引力定律公式中的核心参数。该定律指出，宇宙中任意两个质点之间都存在相互吸引的力，其大小与两者质量的乘积成正比，与它们质心距离的平方成反比。公式中的质量和距离都可以代入具体数值，但大G的数值被认为是恒定不变的，因此这个基本常数就成了测算宇宙各处引力强度的关键标尺。

即便在1915年爱因斯坦提出广义相对论，以时空弯曲的几何理论彻底革新了我们对引力的理解之后，引力常数依然被保留了下来，只是其物理意义发生了微妙的转变。

“引力常数是宇宙的基本常数，它贯穿整个时空，数值被认为永恒不变。”施拉明格解释道，“在牛顿力学体系中，它直接表征了引力的强度；而在爱因斯坦的引力理论里，它决定了时空的‘弯曲刚度’或者说‘柔韧程度’。简单来说，引力常数越小，恒星、行星等大质量天体想要扭曲时空的‘难度’就越大。”

人类首次尝试测量引力常数要追溯到1798年，物理学家亨利・卡文迪许完成了这项开创性工作。他通过精巧的扭秤实验测量大小铅球之间的微小引力，不仅推算出了地球的平均密度，也首次得到了一个相对精准的引力常数值。

英国自然哲学家亨利・卡文迪许（1731-1810）制造了一台扭秤来测量两个大质量物体之间的引力，借此他首次计算出了地球的质量。

然而，在随后的两百多年里，尽管科研设备与计算能力突飞猛进，实现对引力常数的高精度测量却始终是一项巨大的挑战。

“引力是四大基本作用力中强度最弱的一种，这导致它极难被单独分离并精确测量。”施拉明格指出了关键难点，“电场、磁场都可以用屏蔽手段来隔绝，但引力无法被屏蔽。世间万物始终在相互吸引，这构成了测量的本底噪声。”

绝大多数物理实验中，科学家都能通过放大电路或其他手段来增强观测信号。但在引力测量中，研究者只能被动接收引力本身带来的那极其微弱的信号，几乎没有优化的空间。

“目前全球已有至少17组公开发表的引力常数测量数据，但彼此之间的偏差依然超出了合理的误差范围，背后的系统误差来源至今无人能完全厘清。”施拉明格说，“数据离散程度之大，令人十分沮丧。对于追求精确与一致的计量学家而言，测量结果长期无法趋于统一，是完全无法接受的局面。”

拆封揭晓答案

为了向这个难题发起新的挑战，施拉明格团队复刻了法国塞夫勒国际计量局的一套精密实验装置，并将整个实验系统迁移至美国马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究院。复刻实验本身暗藏风险，研究团队必须处处留心，以规避各类潜在的认知误区。

其中最大的陷阱之一被称为“认知相位锁定”或“确认偏误”。这种情况指的是，研究者在看到实测数据后，会不自觉地对照过往文献中的权威数值，或是同一设备此前测出的结果，潜意识里会倾向于让新数据贴近预期值。这并非人为造假，而是一种难以防范的潜意识行为。

为此，施拉明格想出了一个巧妙的办法来规避这种偏误：他请一位同事在实验所用的关键砝码中加入一个未知的微小质量偏移量，并将这个偏移量的具体数值单独封存起来。在拆开这封信封之前，包括施拉明格本人在内的整个团队，都不会知道最终计算出的引力常数是多少。

“我们请质量计量小组在所有实验砝码中加入一个固定的、已知的微小偏移值，但这个数值被封存在信封里，对我们保密。直到我们确认整套实验数据完全自洽、分析流程无误后，才最终打开信封，用偏移值修正得到最终结果。”施拉明格描述了这一严谨的过程。

测量引力常数大G的扭秤。

原定于2024年初拆封的信封，最终推迟到同年7月11日才开启。延期的原因是施拉明格在复核时发现，最初的计算过程忽略了一个细微却关键的影响因素——实验环境中的气压。

团队最终测得的引力常数，比国际科学理事会数据委员会（CODATA）推荐的现行标准数值低了0.000064 × 10^-11 N·m²/kg²。

这个差异有多小？施拉明格打了个比方：“如果一块手表一年的误差是0.000064秒，那么累计下来，一年大约会慢34分钟。”然而，这个看似微小的数值差异，在物理学和宇宙学意义上却可能影响深远。如果本次测量结果被证实是更准确的，那么根据计算，地球的总质量将比目前公认的数值多出约320万亿亿千克，相当于360千万亿吨。

当然，必须指出的是，引力常数的谜团并未因此彻底解开。不同实验方法得出的数据之间的分歧依然存在，等待着后人去破解。但也正因如此，这个古老的研究领域才始终保持着惊人的活力与吸引力。

对施拉明格这位计量学家而言，长达十年的引力常数研究之旅暂且告一段落。他总结道：“现阶段我打算暂时放下基本常数的测量工作。这类研究动辄耗时数年甚至数十年，耗费的精力巨大。接下来我会转向电学量的精密测量，主攻电阻、电容基准相关的研究，希望也能在那个领域带来新的探索与挑战。”

该团队这项充满巧思与严谨的研究成果，目前已发表在《计量学》期刊上。