引力常数问世340周年，仍是物理学一大未解难题

IT之家 5 月 27 日消息，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。这个常数被研究者亲切地称作“大 G”。1686 年，牛顿在构建万有引力定律时，首次将引力常数纳入核心公式；次年，牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中正式发表相关内容，当时仅给出估算值，这一数值尚未经过实测。但颇具讽刺意味的是，历经数百年后，大 G 至今仍是所有基本常数中测量精度最差、数值范围最不确定的一个。

IT之家注意到，目前科学家得出了一系列不同的引力常数测算结果（常用值约为 6.674×10^-11 N·m²/kg²），这意味着我们无法确定：究竟是人类尚未完全吃透引力的本质，还是现有理论公式本身存在疏漏。美国国家标准与技术研究院的斯特凡・施拉明格，过去十年一直致力于破解这一难题。这项研究迎来结果的时刻，团队需要拆开一只密封信封才能得知最终数据，这样的场景通常出现在奥斯卡等盛大颁奖典礼上，而非物理实验室。

不过这场“悬念”并非多余。描述宇宙规律的各类公式里，引力常数无处不在，其数值的不确定性让科学家们颇为困扰，施拉明格这类计量学家对此感受尤深。

施拉明格在接受 Space.com 采访时表示：“引力常数是物理学最大的未解之谜。它的情况十分特殊：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。在我看来，这也是物理学界一大悬而未决的遗憾。”

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引力，引力大小与质点质心间距的平方成反比。公式中的质量、距离都可以灵活代入，但大 G 的理论数值恒定不变，因此这个基本常数是测算宇宙各处引力强度的关键。

1915 年，爱因斯坦提出广义相对论，以时空几何理论取代了牛顿的引力理论。该理论认为，有质量的物体会造成时空（空间与时间融合而成的四维整体）弯曲，引力本质正是时空弯曲产生的效应。即便物理学理论发生了这样颠覆性的变革，引力常数依旧被保留了下来，只是其物理意义略有调整。

“引力常数是宇宙的基本常数，它贯穿整个时空，数值永恒不变。”施拉明格说道，“在牛顿力学体系中，它代表引力的强弱；而在爱因斯坦的引力理论里，它决定了时空的‘柔韧程度’。引力常数越小，恒星、行星等大质量天体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工作。他通过测算大小铅球之间的引力作用，不仅算出了地球密度，也首次得到了较为精准的引力常数值。

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

然而在之后的 227 年里，尽管科研设备与计算能力不断进步，精准测量引力常数依旧难如登天。

“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。电场、磁场都可以用屏蔽手段隔绝，但引力无法被屏蔽。世间万物始终在相互吸引。”施拉明格解释道。

绝大多数物理实验中，科学家都能人为放大观测信号，但研究引力时，研究者只能被动接收引力本身带来的微弱信号，没有任何优化空间。

“目前全球已有 17 组引力常数测量数据，彼此之间的偏差依然超出合理范围，背后原因无人知晓。”施拉明格说，“数据离散程度之大，让我们十分沮丧。对于计量学家而言，测量结果无法趋于统一，是完全无法接受的。”

拆封揭晓答案

为精准测量引力常数，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，并将整套实验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开展。复刻实验暗藏诸多风险，研究团队也处处留心，规避各类认知误区。

“我们刻意避免陷入‘认知相位锁定’的陷阱。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数值、或是同一设备此前测出的结果，潜意识里会刻意让新数据贴近预期值。这并非人为造假，而是一种下意识的行为，很难防范。”

为此，施拉明格想出了一个巧妙办法：让一位同事在实验所用砝码中加入一个未知偏移量，并将偏移数值单独封存。在拆封信封前，整个团队都不会知晓最终算出的引力常数。

“我们请质量计量小组在所有实验砝码中加入固定偏移值，这个数值被封存在信封里。直到我们确认整套实验数据自洽无误后，才打开信封。”

测量引力常数大 G 的扭秤

原定 2022 年拆封的信封，最终推迟至 2024 年 7 月 11 日才开启。延期原因是施拉明格发现，自己最初的计算过程忽略了气压这一细微却关键的影响因素。

团队最终测得的引力常数，比国际科学理事会数据委员会现行标准数值低了 0.000064。

施拉明格打了个比方：“如果一块手表一年偏差 0.000064 秒，累计下来一年会慢 34 分钟。”

这个数值差异看似微小，却有着重要意义。若本次测量结果属实，地球的总质量将比目前公认数值多出 320 万亿亿千克，约合 360 千万亿吨。

“我必须说明，引力常数的谜团并未彻底解开。不同实验数据之间的分歧依然存在，等待后人去破解。也正因如此，这一研究领域才始终保有活力。”

对这位计量学家而言，长达十年的引力常数研究之旅暂且告一段落。

施拉明格总结道：“现阶段我打算暂时放下基本常数研究。这类测量工作动辄耗时数年甚至数十年，耗费巨大精力。接下来我会转向电学量的精密测量，主攻电阻、电容相关研究，希望也能在这个领域带来新的探索与挑战。”

该团队的研究成果已发表在《计量学》期刊上。