我们仍然没有更精确的“大G”值
Source: Ars Technica
“此类实验为宇宙带来秩序，无论数值是否与预期值相符。”
致谢：R. Eskalis/NIST
引力常数，亲切地称为 “大 G”，是我们宇宙中最基本的常数之一。它的数值描述了两质量在一定距离分离时相互作用的引力强度——或者，如果你更倾向于相对论的观点，则描述了给定质量弯曲时空的程度。
物理学家对大 G 的数值已有一个相当可靠的估计，但他们已经努力测量它的精确值超过两个世纪。每一次尝试都会得到略有不同的数值；这些差异大约为 万分之一。
其他基本常数的已知精度要高得多，因此大 G 成为这个家族中的“黑羊”——给精密计量学家带来极大的困扰。引力是四种基本力中最弱的一种，而地球的背景重力场（即“小 g”）在实验室环境中会产生显著噪声。
最新的 NIST 工作
在最近一次尝试解决这一差异的过程中，美国国家标准与技术研究院 (National Institute of Standards and Technology, NIST) 的科学家们花了十年时间复现一项最为分歧的最新实验结果。他们的发现已在《Metrologia》上发表——参见文章。
这项新测量并未解决长期存在的分歧，但它为物理学家们争取更精确的万有引力常数 Big G 提供了另一数据点。
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简要历史
- Isaac Newton 在 17 世纪末发表万有引力定律时提出了引力常数的概念。符号 “Big G” 直到 1890 年代才出现。Newton 想象通过在大山附近摆动摆锤来测量重力，但他从未尝试实验，认为效应太小而难以检测。
- 到 1774 年，皇家学会成立了一个委员会，利用 Newton 摆锤想法的变体，通过测定地球密度间接测量 Big G。
是 Henry Cavendish 在 1798 年实现了首次直接实验室测量两物体之间的引力，使用扭秤。他的装置包括：
- 一个小哑铃，两个两英寸的铅球装在六英尺长的木棒上，由中心细线悬挂，可自由旋转。
- 一个大哑铃，两个 12 英寸、350 磅的铅球，当靠近小哑铃时，使悬挂的棒扭转。
Cavendish 细致记录了产生的振荡，从而推算出地球的密度。他的扭秤设计此后成为物理学家们用于更精确测定 Big G 的常用工具。
更新 Cavendish 实验
开发越来越精确的实验长期以来一直是解决这些差异的主要策略。最新论文的作者们意识到，仅仅向数据集添加更多测量并不足以解决问题，因为早期不一致的结果仍会占主导。因此，他们想到要仔细审视一个最大的离群值——具体来说，是法国国际计量局（BIPM）在 2007 年进行的实验，该实验使用了更为复杂的 Cavendish 扭秤装置。
NIST 团队复现了原始的 BIPM 实验，构建了一个包含八个金属圆柱的扭秤：四个放在旋转转盘上，四个较小的质量放在转盘内部，位于由细细的铜‑铍丝悬挂的盘子上。当外部质量吸引内部质量时，扭秤和细丝会扭转，物理学家通过追踪圆柱的旋转以及产生的引力转矩来测量 G。
他们还进行了一组第二套测量，即在内部质量旁边的电极上加电压。该电压使细丝向与引力转矩相反的方向扭转，电压大小提供了 G 的另一种估计。
NIST 科学家又加了一层“扭转”：他们运行了两个版本的实验，一个使用铜质量，另一个使用蓝宝石质量，两个版本得到的数值几乎完全相同。这排除了所用材料对测量产生影响的可能性。完成所有这些工作后，他们报告的数值为
[ G = 6.67387 \times 10^{-11}\ \text{m}^3\ \text{kg}^{-1}\ \text{s}^{-2}, ]
比原始 BIPM 结果低 0.0235 %。
为什么要继续测量 G？
有人可能会质疑，为什么物理学家仍然要以更高的精度测量引力常数。一个好处是，这推动了用于测量极小力、转矩以及其他细微效应的仪器的改进——这些进步对整个科学都有益。
“每一次测量都很重要，因为真理很关键，”合著者 Stephan Schlamminger（NIST 物理学家）说。“对我而言，进行精确测量是一种让宇宙变得有序的方式，无论这个数字是否与预期值相符。”
Metrology, 2026. DOI: 10.1088/1681-7575/ae570f
关于作者
Jennifer Ouellette 是 Ars Technica 的高级撰稿人，专注于科学与文化交汇的领域，报道内容涵盖从物理学及其跨学科话题到她最喜爱的电影和电视剧。她与配偶、物理学家 Sean M. Carroll 以及两只猫 Ariel 和 Caliban 住在巴尔的摩。