北京
物理学家们研究基本引力常数已逾两个多世纪。目前公认的大G值为6.67430 × 10???立方米每千克每平方秒，不确定度为±0.00015 × 10??? m?/(kg·s?)。就宇宙基本常数而言，这一不确定度相当之大。
美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家斯蒂芬·施拉明格尔近日完成了一项历时10年的研究工作。该研究旨在复现国际计量局（BIPM，位于巴黎附近）此前得出的大G测量值——后者明显高于大多数测量结果。他就为何花费如此长时间才得出这一数值（6.67387 × 10??? m?/(kg·s?)），以及为何该数值比BIPM结果低约0.0235%等问题，接受了IEEE Spectrum的专访。
为何测量大G如此困难？
施拉明格尔：引力极其微弱。小时候你可能玩过冰箱磁铁，那是一种能真实感受到的力。但如果换成两个咖啡杯，无论怎么尝试，你都感觉不到它们之间的引力。引力确实存在，但实在太微弱了。
如何测量大G？
研究团队使用了一种扭力天平，采用四重几何结构。扭力天平的核心原理在于，它能将来自地球的竖直方向引力与水平方向引力解耦，从而对扭力天平周围的质量体（而非地球本身）产生灵敏响应。
NIST的装置采用四重几何设计：一根极细的扭转条，以及呈"加号"排列的四个圆柱体，整套装置置于真空环境中。外侧有四个较大的圆柱体，通过引力吸引内侧四个较小的质量体。当外侧质量体发生极其微小的移动时，内侧"加号"结构便会发生旋转，研究人员通过测量旋转角度来推算引力扭矩，两者之间存在正比关系。
为何要复现BIPM的测量值？
施拉明格尔：我们希望借此推动这一领域的进展。长期以来，各方测量结果存在不一致，通过重复实验，我们希望能找到问题所在。
然而，我们并未发现任何关键性的原因，无法给出一个单一的解释来说明为何我们的结果与BIPM的结果存在差异，这仍然是一个悬而未决的问题。
耗时10年是什么感受？
施拉明格尔：这有点像在放羊。我也测量过其他基本常数，比如普朗克常数，大多数实验都有某种内置的自我校准机制。但对于引力常数，你必须追踪每一个运动质量体的位置、尺寸，并逐一称重，没有任何捷径可走。
你的结果与其他测量结果相比如何？
施拉明格尔：我们的结果略低于目前标准的文献值。这让我感到有些失望，因为它既与BIPM的值不符，也与文献值不一致。如果BIPM的实验存在某些问题，那么包含该结果的文献值或许应该有所下调。但这并不是我该说的。我认为应该由其他独立的研究者来判断新的平均值应该是多少。
Q&A
Q1：大G（引力常数）的测量为什么这么难？
A：引力本身极其微弱，两个普通物体之间的引力根本无法用人体感知。正因如此，实验需要极其精密的装置来捕捉这种微弱的力，而且实验中任何质量体的位置、大小都必须被精确追踪，没有内置的自我校准机制，操作难度极高。
Q2：NIST测量大G用的是什么装置？
A：NIST使用的是扭力天平，采用四重几何结构。装置核心是一根极细的扭转条，加上四个呈"加号"排列的圆柱体，全部置于真空中。外侧四个较大圆柱体通过引力牵引内侧质量体，使"加号"结构发生微小旋转，通过测量旋转角度来反推引力常数。
Q3：NIST的测量结果和国际计量局（BIPM）的结果为什么不一样？
A：目前还没有明确答案。施拉明格尔表示，团队没有找到导致差异的单一关键原因。NIST的结果不仅低于BIPM的值，也略低于目前的标准文献值，两者相差约0.0235%。他认为应由独立研究者进一步评估，以确定新的权威平均值。
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