我们一直以来对重力的测量都是错误的吗？

引力无处不在。正是这种力量让地球固定在围绕太阳的轨道上，阻止树木永远生长，并让我们的早餐麦片留在碗里。这也是我们理解宇宙的重要组成部分。

但引力到底有多强呢？我们知道，无论物体是轻如羽毛还是重如石头，引力的作用都是一样的。但除此之外，尽管科学家们对宇宙引力进行了数百年的研究，但他们还没有对这个问题给出确切的答案。

根据艾萨克·牛顿的万有引力定律，两个物体（或粒子）之间的引力会随着它们的质量和距离的增加而增大。例如，相距五英寸的两根羽毛之间的引力比相距相同距离的两个苹果之间的引力要小。然而，引力的精确计算依赖于一个称为引力常数的通用变量，在方程式中用“G”表示。

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物理学家并不清楚该给“G”赋予什么值。但瑞士的一种新方法或许能为如何更好地测试引力带来新的见解。

美国国家标准与技术研究所物理测量实验室的物理学家斯蒂芬·施拉明格说：“这些基本常数基本上是宇宙结构的一部分。人类可以通过实验找出它们的值，但我们永远无法知道真正的值。我们可以越来越接近真相，实验可以越来越好，最终我们会接近真实值。”

为什么“G”这么难测量？

国际纯粹与应用物理联合会牛顿引力常数工作组主席施拉明格说，与计数不同，测量本质上是不精确的。

“如果你拿卷尺测量一张桌子的长度，假设它位于两个刻度之间。现在你必须用眼睛找出[数字]在哪里，”他说。“也许你可以使用显微镜之类的东西，测量技术越先进，你的不确定性就会越小。但总是存在不确定性。”

施拉明格表示，这与万有引力常数的测量面临同样的挑战，因为研究人员总是会以某种形式的增量来测量两个物体之间的力，这就要求他们在测量结果中考虑到一定的不确定性。

除此之外，实验室中能够测试的物体之间的引力始终会受到设施规模的限制。因此，使用精密工具测量各种物体就变得更加困难。

最后，苏黎世联邦理工学院力学和实验动力学教授 Jürg Dual 表示，读数中总会存在干扰，他进行了一项重新确定引力常数的新实验。这是因为任何有质量的物体都会对其周围有质量的其他所有物体施加引力，因此实验者需要能够从测试结果中消除地球引力、他们自己的引力以及所有其他有重量的物体的外部影响。

物理学家尝试过哪些实验？

1798 年，亨利·卡文迪许 (Henry Cavendish) 使用一种称为扭力天平的技术，为测量引力常数的实验室实验制定了标准。

这项技术依赖于一种改良的钟摆。一根两端各有两个测试质量的杆子，从杆子的中点处通过一根细线悬挂下​​来。由于杆子与地球引力场水平，卡文迪什能够从测量中去除大部分行星力。

卡文迪许使用两个直径为 2 英寸的小铅球作为测试质量。然后他添加了第二组质量，即直径为 12 英寸的较大铅球，它们与测试质量分开悬挂，但彼此靠近。这些被称为“源”质量。这些较大铅球的拉力导致导线扭曲。从扭曲的角度，卡文迪许和他的继任者能够计算出测试质量和源质量之间作用的引力。而且由于他们知道每个物体的质量，他们能够计算出“G”。

施拉明格说，自卡文迪什以来的几个世纪里，实验者们一直使用类似的方法，但他们并不总是能得到相同的“G”值或相同的不确定度范围。计算不确定性的分歧是一个“大谜团”。

因此物理学家们不断设计新的方法来测量“G”，希望有一天能够得到更精确的结果。

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就在本月，由 Dual 领导的瑞士团队在《自然物理学》杂志上发表了一项新技术，该技术可以消除周围环境中的噪音并产生更准确的结果。

实验装置包括两根悬在真空室中的一米长的梁。研究人员让其中一根梁以特定频率振动；由于两根梁之间的引力，另一根梁也会开始移动。研究小组利用激光传感器测量了两根梁的运动，然后根据一根梁对另一根梁的影响计算出引力常数。

他们的初步结果得出的“G”值比科学技术数据委员会推荐的官方值（6.67430×10 ⁻¹¹ m ^3⋅ kg ⁻¹ s ⁻² ）高出约 2.2%，并且具有相对较大的不确定性。

“我们的结果与之前实验测定的‘G’大致一致。这意味着牛顿定律也适用于我们的情况，尽管牛顿从未想到过我们所提出的情况，”Dual 说道。“将来，我们会更加精确。但现在，这是一种新的测量方法。”

施拉明格表示，这是一项进展缓慢但全球合作的事业，他没有参与这项新研究。“很少有关于大‘G’的论文”，因此，尽管他们的结果可能不是对引力常数最精确的测量，但“令人兴奋的是”，他们能够以一种新方法和另一种测量方法测量宇宙中最重要的数学常数之一。