物理学最难测的引力常数：耗时十年美国顶级实验室仍未能给出定论

引力是宇宙中最无处不在的力，也是物理学家最难以精确测量的力。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究团队刚刚公布了一项历时整整十年的实验结果：他们测得牛顿万有引力常数G的值为6.67387 × 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻²，相对不确定度为5.7 × 10⁻⁵。听起来相当精确，但这个数值与目前国际公认的推荐值之间仍存在约0.0235%的偏差，在物理学的精度标准下，这是一个不容忽视的差距。结果发表在精密测量领域权威期刊《计量学》上，再次揭示了一个让科学界头疼了两个多世纪的难题：G，依然没有一个让所有人都信服的确定答案。

为什么引力常数如此难以捉摸

G是描述两个物体之间引力大小的基本物理常数，由牛顿在17世纪引入，卡文迪许在1798年首次通过实验测定。200多年过去，它仍然是所有基本物理常数中已知精度最差的一个，目前仅能精确到约3位有效数字，而相比之下，精细结构常数等其他基本常数的测量精度已高达小数点后10位以上。

问题的根源在于引力本身的特性：它极度微弱。与电磁力相比，两个质子之间的引力只有它们之间电磁排斥力的约10⁻³⁶倍。要在实验室中精确测量如此微弱的力，任何微小的干扰，振动、温度变化、气流、仪器材料的磁性，都可能对结果产生显著影响。NIST物理学家施拉明格直言，过去几十年间全球各地已有16个高精度测量数据点，但这些结果分布散乱，误差范围高达百万分之十，不同团队的测量值之间的差异，远超各自声称的实验误差范围。这意味着，要么某些实验存在尚未识别的系统误差，要么我们对引力本身的理解还存在盲区。

这项NIST实验的设计思路正是为了追查这个问题。研究团队没有另起炉灶设计新实验，而是选择重复一项特定的历史实验：2014年在法国国际计量局（BIPM）完成的那次测量，那次实验给出了迄今为止所有G测量值中偏差最大的结果之一。团队将同一台实验仪器从法国整体运到马里兰州的NIST实验室，在不同地点、不同环境下重复运行，看看结果是否会因此改变。

十年实验，发现了一个此前被忽视的细节

实验从2016年启动，到完成全部数据分析，前后耗费了十年时间。

在这个过程中，研究团队有一个重要发现，在此前的同类实验中从未被认真对待过：真空残余气压对测量结果的影响。

G的测量实验必须在高度真空的环境中进行，以排除空气分子对测量装置造成的干扰力。但NIST团队发现，无论多么精密的真空泵，都无法将容器内的空气完全抽尽，总会有极少量气体分子残留。施拉明格解释说，这些残余气体会对实验装置施加一个此前从未被单独描述和量化的微小力，而这个力，可能正是导致不同实验室测量结果出现系统性偏差的原因之一。

这是一个微小但重要的线索。它提示科学界，在过去的G测量史中，可能有多项实验都受到了这种效应的影响，只是无人注意。然而施拉明格也保持了应有的谨慎："我们需要逐个分析每个实验，了解他们具体做了什么，才能判断这个因素在多大程度上解释了测量值的分散。"

此次NIST测量值比CODATA 2018推荐值略低，但究竟是这次实验更接近真实值，还是2014年的法国实验存在特定的系统误差，目前仍无法下结论。引力常数的谜题，还没有解开。

对基础物理学来说，G的精确值不只是一个数字的问题。它关系到广义相对论的精确检验、宇宙学模型的参数标定，乃至对引力是否存在超出标准模型的新物理的探索。一个连基本常数都无法精确锁定的物理体系，意味着我们对宇宙最基本规律的理解，可能依然存在某个尚未察觉的漏洞。

施拉明格表示，他打算暂时放下G的测量工作，但他相信这个问题终将有答案。宇宙的引力从未停止运作，人类也从未停止追问它的精确面目。