斯蒂芬·施拉明格拆开那只信封的时候,手大概并没有发抖——作为一名在美国国家标准与技术研究院(NIST)待了十年以上的计量学家,他太熟悉实验数据最终凝聚成单张纸片继而封入信封的那套仪式了。可那一刻仍然不像寻常的物理实验,倒更像是奥斯卡颁奖礼的拆信封环节,在场所有人都知道里面藏着一个他们期待已久却又完全未知的数字。信封里装着的,是“大G”——万有引力常数——又一次测量的结果。
你可能会想:引力常数不是早就被牛顿写出来了么?1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》里用万有引力定律统一了天与地的力学,从此任何两个有质量的物体之间的吸引力都可以用一个简洁的公式来表达,而公式里的比例常数就是G。按说它该算是物理学里最老的基本常数,也是最该被测量得精准无比的那个。可事实恰好相反:在所有基本常数中,G的值反而是最不精确的,目前科学家们只能给出一个估值范围,无法像对光速或普朗克常数那样确定到一个令人安心的位数。
正是这个反差让施拉明格忍不住对着Space.com的采访说出那句重话:“G是引力最保守的秘密。它坐落在一个特别奇怪的位置:它是我们已知最古老的基本常数,牛顿在1687年就写下了它,然而至今它依然是所有常数里精确度最差的那个。这在我看来,就是物理学中最没解决的尴尬之一。”
说这句话的人并不是脾气暴躁,而是因为G的不确定性切实地困扰着所有需要用引力公式来理解宇宙的人。万有引力定律写得再漂亮,只要那个比例常数是个模糊区间,我们就没办法百分之百确定自己是不是真正理解了引力本身,更无法排除“我们的公式里可能漏掉了什么东西”这种不安。施拉明格作为NIST的计量学家,本职就是和研究测量打交道,他自然比谁都更难以忍受这样一个“常数不清”的局面。
要理解这种不安,我们得先退一步看看G这个数究竟是什么。说人话就是,牛顿的万有引力定律告诉我们,两个物体之间的引力大小跟它们质量的乘积成正比,跟它们距离的平方成反比;而G,就是这个比例关系里的那个固定倍数,相当于说,只要你知道两样东西有多重、隔了多远,用G一乘,就能算出它们之间微弱到几近于无的吸引力。看似简单,可一旦你想在实验室里真的把G测准,麻烦就来了——引力太弱了,日常物体之间的引力简直弱到无法被察觉,随便一点微小的电磁干扰、温度变化、地面微振动,甚至旁边走过一个人,都可能把结果扰动得面目全非。
所以,你可能也好奇过,为什么用了三百多年,我们还没搞定这个常数?答案并不是科学家偷懒,而在于测量G本身就是物理学里最拧巴的挑战之一。别的常数,比如光速,可以借助激光和原子钟在不同实验室之间反复验证,互相校对出极其一致的数值,但G不一样:不同的实验团队、不同的测量方法,得出的G值之间总像是各自在说着略有差异的语言,即便每个小组都把误差控制到极小的范围,那些数值之间的重叠程度却远远不够理想。这就给人一种隐隐约约的感觉——要么是我们至今仍有某些微妙的干扰没排除干净,要么更刺激一点说,引力本身的行为方式或许比牛顿描述的更复杂,可能还有我们没有摸清的层次。
正是为了解开这个疙瘩,施拉明格花了十年时间。十年里,他在NIST的实验室反复打磨一台极其精密的仪器,试图用一种更直接、更清洁的方式重新抓住G的真实数值。这项工作的戏剧性不仅在于时间跨度,也在于最终揭晓结果的方式:他们把实验过程中采集到的所有数据,在经过漫长而严谨的分析之后凝聚成一个数值,而这个数值在正式公布之前被密封进了一个信封。在物理学里,这其实是一种很讲究的做法,可以防止分析者无意识地被自己内心的期待或外界已公布的其他结果带偏,从而保证最终打开的,是一个不被任何“期望”污染的数字。
于是就有了开头那个颁奖典礼般的场面。那天,信封被打开,答案跳出来,一个新的G值加入了全球不同实验室陆续积累的估值清单里。然而这个数值并没有一劳永逸地终结争论——它只是让地图上的轮廓又清晰了一点点,但仍然无法把G锁定到一个让人全然放心的窄区间。同时它也并不彻底偏离大部队,所以既没推翻牛顿,也没证实我们公式里一定缺了哪一块。施拉明格和他的同事们做的事情,本质上是在为那座测量精度的大山补上一块坚固的岩片,让后来的科学家可以站在它上面继续往上爬。
那这件事对普通人来说到底意味着什么?坦白讲,你不太可能因为G差了那零点几个百分点就觉得苹果往下掉的轨迹有什么异样,日常尺度上,牛顿力学的精度早已绰绰有余。可是一旦我们的目光投向宇宙尺度,投向星系旋转、暗物质假设、宇宙加速膨胀这些重大谜题,G的模糊就开始让人坐立不安了。因为很多关于暗物质和暗能量的推断,都依赖于我们对普通物质如何通过引力相互作用的精确理解;如果我们连那个最基本的引力系数都还没掌握透彻,那么在这些宏大命题上下的每一个判断,就都夹着一层薄薄的、挥之不去的雾。
科学界目前并没有定论说G的测量偏差一定意味着新物理,但它在逻辑上至少保留了一扇开着的小窗:也许未来的精密测量真的会揭示现有引力理论在某些极端条件下需要修正,也许直到今天我们以为的那个恒定的G,在某些尺度上并非常数。这些目前都是推测,没人能打包票,正是这种不确定性让施拉明格那样的人愿意把职业生涯扔进去,试图把数字边缘最后几个模糊的尾巴擦干净。
3640年前牛顿写下的那个公式,至今依然是人类描述宇宙最成功的语言之一。但作为这句语言里最基础的那个字母,G却始终带着一种“知道它在,却无法把它抓住握牢”的脾气。这件事大概也算科学自身魅力的一种:最古老的常数,偏偏拒绝被驯服;我们越是以为理解透了的东西,越可能藏着还没被打开的信封。至于那个信封里什么时候才会蹦出一个让所有人都不再尴尬的答案——现在还没人知道。
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