一个信封,一个隐藏的数字,十年的等待。
2024年7月11日,美国国家标准与技术研究院(NIST)物理学家斯蒂芬·施拉明格站在科罗拉多州一场精密测量学术会议的讲台上,颤抖地打开了那个信封。里面藏着一个秘密数字,是他请同事单独保管的,目的只有一个:不让自己在实验还没结束时就知道结果,从而避免无意识地把数据往期望值上引导。
这是科学史上少见的自我屏蔽实验设计,背后是一个困扰物理学界超过225年的老问题,万有引力常数G,也就是物理学家口中的"大G",到底精确等于多少?
这项耗时十年、2026年4月正式发表于《计量学》期刊的研究,给出了一个新的测量值。但它带来的,不是答案,而是更深的困惑。
大G是牛顿万有引力定律的核心参数,它决定了宇宙中任意两个有质量的物体之间引力的强度。无论是地球拉住月球,还是星系间的引力拉扯,都由这个常数参与计算。理论上,它是宇宙中处处相同的普适常数,比光速、普朗克常数等基本物理常数毫不逊色。
但在测量精度上,大G是所有基本物理常数里最拿不准的那一个。
原因在于引力太弱了。一块指甲盖大小的磁铁吸起一枚回形针,产生的电磁力已经超过了地球对这枚回形针的全部引力。在实验室里,研究者必须测量几十千克重的金属块之间那极其微弱的引力拉扯,这种力量小到令人绝望。
更麻烦的是,各个顶尖实验室独立测出的大G值,彼此之间并不完全一致。不同测量结果之间的偏差大约在万分之一量级,乍看微不足道,但在精密物理学里,这个差距远超正常实验误差的范围,无法用仪器抖动或环境扰动来解释。
这个差异的来源至今不明。有人怀疑是各实验室存在尚未发现的系统性误差,也有人提出了更大胆的猜测:也许引力的理论框架本身,还有什么我们没有理解透的东西。
施拉明格团队此次实验的思路是复刻:选取2007年法国国际度量衡局(BIPM)在塞夫尔完成的一项高精度大G测量实验,原样搬到马里兰州的NIST实验室里重新做一遍。
逻辑很清晰:如果两个独立的实验室用同一套仪器设计得出相同的结果,就能对那个结果的可靠性建立更强的信心,进而帮助收窄不同测量值之间的差距。
当外层质量块的引力牵动内层质量块,细丝开始扭转,研究者通过测量扭转角度计算出引力大小,进而推算出大G的数值。团队还引入了第二种独立方法:对内层质量块施加电压,产生可以精确测量的静电力来抵消引力,从电平衡点反推G值。两种方法互相印证。
此外,团队还额外用铜和蓝宝石这两种成分完全不同的材料重复了实验,以排除材料本身对结果的影响。测量结果几乎完全一致,材料因素被排除。
打开信封的那一刻,施拉明格的轻松随即变成新的忧虑。
NIST的最终测量值为6.67387×10⁻¹¹ 立方米每千克平方秒,比2007年BIPM的测量结果低了0.0235%。
两个精心设计、互相验证的高精度实验,用的是同一套仪器原型,在不同大陆上独立完成,结果还是对不上。差距很小,但清晰存在,无法被误差吸收。
"每一个测量值都很重要,因为真相很重要,"他说。"对我来说,准确测量是一种给宇宙带来秩序的方式,无论数字是否与期望值一致。"
完成这项研究后,施拉明格宣布将这道难题留给下一代物理学家。
那个信封里的数字,最终没有带来终点,而是打开了一扇新的门,门后的问题还在等待回答。
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