2024年7月11日下午3点,物理学家斯蒂芬·施拉明格面临着一个异常煎熬的时刻。他手里捏着一个密封的信封。里面藏着一个密钥,能解开他过去10年的观测数据究竟算出了什么。
这个结果关乎万有引力常数,物理学界俗称的“大G”。
引力把我们按在地面上,让地球绕着太阳转,更是把无数星系编织成宇宙巨网的无形之手。但它的具体强度,物理学界至今给不出一个极其精确的数值。
根源在于引力极度微弱。一个针头大小的磁铁就能把一枚回形针从地上吸起来,这点微不足道的电磁力就战胜了整个地球对回形针的拉扯。到了实验室更糟,科学家只能用金属块之间那点相互吸引的力来推算大G。这些金属块比地球小了5000万亿亿倍,彼此之间的引力自然微弱到了极点。
在牛顿提出万有引力定律约一个世纪之后,科学家才开始尝试测量大G,至今已超过225年。在自然界的四种基本力中,引力常数依然是人类了解最模糊的一个。
近年来,随着设备越来越灵敏,一个令人不安的现象出现了。不同实验室测出的大G数值总是对不上。差异大约在万分之一左右。对于极度追求精度的现代物理学来说,这个误差太过巨大,根本无法用常规的实验损耗来解释。
剩下的可能性只有两个:要么有什么大家都没找出来的系统性错误,要么我们对引力本身的理解有窟窿。
为了寻找答案,施拉明格团队决定在美国国家标准与技术研究院的实验室里,把国际计量局2007年在法国做过的一项高精度实验原封不动地重做一遍。如果能独立复现法国人的结果,谜团或许就能解开。
这种实验里最怕的是研究者自己的脑子。盯着数据看久了,潜意识会自动把分析方法一点点往法国人的那个数值上拧。为了切断这种偏见,施拉明格请同事在测量出的金属块重量数据里偷偷减去一个任意数字,把真实结果彻底打乱。这个作为“密钥”的数字被装进信封。翻成人话,就是先把答案藏起来,逼自己把实验和计算全做完,再统一揭晓,免得人手比仪器先作弊。
这一锁,就是十年。
系统的核心是一种叫扭秤的装置。早在1798年,英国物理学家卡文迪许就用类似方法测过引力。他把两个铅球固定在一根木梁两端,用细丝从中点将木梁水平悬挂,旁边再放上两个更重的大铅球。大铅球的引力拉动木梁旋转,带动细丝产生微小扭转。通过精确测量扭转幅度,就能反推引力大小。
施拉明格团队用现代技术把精度推到了极致。悬挂圆柱体质量块的铜铍合金带只有人的头发丝那么细。为了检验材质是否会影响测量,他们分别用铜和蓝宝石做了两组实验,得出了几乎完全相同的结果。
现在万事俱备,只差信封里的那个数字。
施拉明格终于拆开信封,拿到了密钥。经过短暂的初步换算,他松了一口气,数据的正负走向完全符合预期。
但随着最终真实数值浮出水面,兴奋感迅速褪去。两组数据依然没有对上。
耗时10年,又经过两年的反复核算后,团队在2026年正式发表了最终结果。他们测出的大G数值是 6.67387×10⁻¹¹(单位为立方米每千克每平方秒),依然比法国团队的数据低了0.0235%。在其他物理常数都能精确到六位以上有效数字的今天,这是一个刺眼的断层。
这个微小的误差不会影响你每天上秤时的体重,也不会改变工厂称量商品的标准。但它就在那儿,没人能把它解释干净。
施拉明格决定收手,把剩下的活留给下一代物理学家。
信封已经拆开,谜底却没有落地。
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图一:NIST科学家Stephan Schlamminger(左)与Vincent Lee检查他们用于测量引力常数大G的扭摆装置,这是一项历时十年的研究,图源:R. Eskalis/NIST
信源:"Weighing in on the mystery of the gravitational constant." phys.org, 16 Apr. 2026
