测了两个多世纪，引力常数仍没有定论

一个难以测准的常数

引力常数（G）决定了引力相互作用的强弱，是定义我们宇宙的基本常数之一。在牛顿（Issac Newton）发表万有引力定律一个世纪后，尽管科学家已经尝试测量这个常数超过225年，但它的值依然存在着异常大的不确定性。

在自然界四种基本力（其他三种力分别是电磁力、强力和弱力）对应的常数中，引力常数是已知精度最差的一个。部分原因在于，引力是四种基本力中最弱的一种。例如，一块只比大头针大不了多少的小磁铁，也能把地上的回形针吸起来。也就是说，这块小磁铁产生的电磁力，远远比地球对回形针施加的引力还大。

而在实验室条件下，引力的这种微弱会显得更加突出。因为科学家不可能拿地球、太阳这样的大质量天体做实验，只能用那些小到可以被称量、被移动的物体来测量引力。这些物体的质量仅为地球的5000亿万亿分之一，因此它们之间的引力非常微弱，测量也就更加困难。

尽管随着时间的推移，实验已经变得更加灵敏和复杂，但近年来对于引力常数的许多测量结果仍略有不同。即便这些差异仅约为万分之一，但它们仍然是显著的，无法用常规的实验误差来解释。这种差异令许多物理学家疑惑：是否有一些被忽视的实验错误导致了这种不相符？还是我们对引力的理解存在根本性的错误？

在一项新发表于《计量学》的研究中，美国国家标准技术研究所（NIST）的研究团队用一项持续十年、甚至将实验设备横跨大西洋搬运的实验，复现了国际计量局（BIPM）2007年在法国巴黎进行的一项精确实验：他们最终得到的数值为6.67387x10⁻¹¹m³/kg/s²——既不同于先前的实验结果，也不同于目前对引力常数的最佳估计值。

一场跨越两个世纪的测量

测定引力常数最古老的方法，就是测量两组质量之间的引力。这是一种通过测量一根悬挂杆的扭转角度来测量引力的方法。这种方法可以追溯到1798年物理学家卡文迪什（Henry Cavendish）进行的一项具有里程碑意义的实验——扭秤实验。

测量引力强度的传统卡文迪什实验。（图/S. Kelley / NIST）

在实验中，卡文迪什把两个小铅球放在一根杆的两端，并用一根细丝将杆从中心水平悬挂起来。随后，在两个铅球附近，他又放置了两个更重的物体。小质量物体和大质量物体之间的引力，会使杆旋转，并使细丝发生扭转；随着细丝被拧紧，它会产生回复扭矩，直到这一扭矩与引力造成的转动力矩相互平衡。卡文迪什再借助镜子和光点测量杆的运动，并由此推算出引力常数的数值。

BIPM和NIST的也采用了“扭秤实验”的方法，只不过他们的实验更为复杂，涉及到8个圆柱形金属块，其中4个圆柱体被置于一个可旋转的转台上，就像老式吊灯上的四个烛台。另外4个较小的圆柱体被放置在转台的一个圆盘上，圆盘由一条大约只有头发粗的铜铍带悬挂着。当外侧的圆柱体吸引内侧圆柱体时，这个“扭秤”就会旋转，铜铍带也随之扭转。通过精确追踪这种旋转和引力扭矩，就能测量引力常数。

相较于卡文迪什，NIST和BIPM都更进了一步——他们对放置在每个内侧圆柱体旁的电极施加电压。电压产生了静电扭矩，使铜铍带扭向与引力所致扭矩相反的方向。通过仔细选择一个正好平衡引力扭矩的电压，研究人员就可以阻止扭秤的旋转。通过测量电压的大小，就能推算出引力常数。

NIST用于测量引力强度的实验装置。（图/S. Kelley/NIST）

为了确定质量的组成是否会以某种方式影响结果，NIST的研究人员首先用铜进行了实验，再用蓝宝石重复了这项研究。研究小组发现了几乎相同的结果。他们最终得到的数值为6.67387x10⁻¹¹m³/kg/s²，比早先 BIPM的数值低0.0235%，也明显低于国际公认的CODATA数值6.67430x10⁻¹¹m³/kg/s²。NIST团队认为，这或许意味着真实值比当前公认值更低。

新结果与未解之谜

不过，整个局面依然远未明朗。尽管NIST的这项长达十年的研究并没有解决引力常数的问题，但这项研究或许帮助科学家挖掘出了BIPM结果中隐藏的系统误差。因为与NIST的装置相比，BIPM使用的圆柱形铜质量块在形状加工精度上没那么高。

另外，尽管BIPM的这套实验装置仍是测量引力常数的主流方法，但已经有一些团队开始采用一些其他的方法，例如研究自由下落的测试物体，或分析那些表现出波动性质的原子的运动轨迹。

研究人员表示，希望这一新的结果能激发出新的实验，期待更年轻一代的科学家能够解决这一问题。

#参考来源：

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

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封面图&首图：原理2222