什么是G?以及重要性

当我们第一次开始制定物理定律时，我们凭借以往的经验并通过严谨的实验，就像伽利略可能做过的比萨斜塔实验一样，把球从塔上扔下去，我们可以测量球落下的距离和落地的时间。释放一个钟摆，我们可以找到钟摆的长度和摆动时间之间的关系。这时我们就会发现在一定距离、长度和时间上会存在一种关系:坠落物体的距离与时间的平方成正比；钟摆的周期与钟摆长度的平方成正比。

但是要把这些关系写成完美的数学公式，我就需要十分精确的测量出一个常量。

太阳系内部的行星轨道并不完全是圆形的，其中以水星和火星的轨道偏离和椭圆度最大。在19世纪中期，科学家们开始注意到水星的运动偏离了牛顿引力的预测，这一微小的偏离只有在20世纪才被广义相对论所解释。同样的万有引力定律和常数，描述了从地球到宇宙的所有尺度上的引力效应。

在这些例子中，月亮围绕地球转，行星围绕太阳转，光线因引力透镜而弯曲，彗星从太阳系中逃逸时会损失能量，所有这些都与引力常数G相关。在16世纪40年代和50年代，牛顿出现之前，意大利科学家弗朗切斯科·马尔迪和乔瓦尼·里奇奥利就首次计算了引力常数，这意味着G是有史以来第一个基本常数，甚至在奥勒·罗默于1676年测定光速之前。

当我们把宇宙中的任意两个质量物体放在一起时，它们会相互吸引。根据牛顿定律，除了在自然界中最极端的质量(对于大质量)和距离(对于小距离)的条件下，吸引力与两个物体的质量(之间的距离)和重力常数有关。几个世纪以来，我们已经将许多基本常数的测量精确到了十分惊人的程度。看下下面两个重要的常数，你就能深刻的体会到什么叫精确。光速c是众所周知的:299792458米/秒。普朗克常数h控制量子的相互作用，其值为1.05457180 × 10^-34 J⋅s，不确定度为±0.000000013×10^-34 J⋅s。

但G？这完全是另一回事。

无论使用牛顿还是爱因斯坦的引力公式，力的强度部分取决于重力常数的值，重力常数的值必须凭经验来测量，不能从任何其他量中导出。

Q1、看起来十分精确的G值

在20世纪30年代，由科学家保罗·海勒测量G的值为6.67×10^-11 N/kg⋅m²，后经1940年改进为6.673×10^-11 N/kg⋅m²。随着时间的推移，数值是越来越精确，不确定性从0.1%一直下降到20世纪90年代末的0.04%。

在一份旧的粒子数据手册上，给出了一些物理学的基本常数，我们可以在里面找到一个看起来很不错的G值:6.67259 × 10^-11 N/kg ⋅m²，不确定度仅为0.00085 × 10^-11 N/kg ⋅m²。这似乎G的值已经十分精确了。

Q2、但后来发生了一件有趣的事。

在1998年晚些时候，同年进行的实验显示了一个与已知值不一致的高值:6.674×10^-11·N/kg·m²。多个团队使用不同的方法，得到的G值在0.15%的水平上相互冲突，是以前报告中不确定性的十倍以上。

Q3、怎么会出这种事？

独立于其他未知因素(如太阳质量或地球质量)的重力常数测量是在18世纪末亨利·卡文迪许的实验中完成的。卡文迪许开发了一个扭转平衡的实验，在实验中，一个微型杠铃被一根金属丝悬挂着，保持着非常完美的平衡。两端的每一个质量附近都有两个较大的质量，大球质量将吸引较小的小球质量。只要质量和距离已知，通过微型杠铃所经过的扭转量，我们就能测量出重力常数。

尽管人类的科技水平和物理学水平在过去200多年里取得了巨大的进步，但是在最初的卡文迪许实验中使用的扭杆原理在今天仍然被用于G的测量。截止到2018年，还没有任何测量技术或实验装置能够提供更好的实验结果。这一点让我们很不理解。

关于G的测量，人们强烈怀疑影响测量结果的主要因素之一是，人们确认偏误的心理因素，也称为从众心理。如果你是科学家，你的同事测量的值都是6.67259×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,这时你可能会期望得到类似6.67224×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,或6.67293×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,但如果你得到了类似6.67532×10 ^ -11 N /kg²⋅m²的值,你可能会想，自己是不是做错了什么事。

你可能会寻找错误的根源。你会重复一次又一次的实验,知道你得出一个合理的值符合6.67259×10 ^ -11 N /kg²⋅m²。

1998年,巴格利和路德的团队进行了扭秤实验取得的结果为6.674 x 10 ^ -11 N /kg²/ m²,这次结果足以让人们对以前报告的G值产生了怀疑。一个非常谨慎的团队得到的G值结果与之前的结果相差了惊人的0.15%，那些早期结果的误差比这个值的误差低十倍以上。这就是1998年令科学界震惊的原因。

我国科学团队在测量G值上的贡献

扭力天平和扭力摆都是受到卡文迪什实验的启发设计出来的，并且在G值的测量方面一直领先其他最新的技术，甚至超过了最新的原子干涉实验技术。我国的科学团队从两个独立的测量实验中获得了迄今为止最精确的G值:6.674184 × 10^-11 N/kg ⋅m²和6.674484 × 10^-11 N/kg ⋅m²，每个测量的不确定性仅为百万分之十一。

这两个值可能在两个标准偏差范围内相互一致，但它们与其他科学团队在过去15年中进行的其他测量不一致，这些测量的范围从高达6.6757×10^-11·N/kg ⋅m²到低至6.6719×10^-11·N/kg ⋅m²

从6S轨道开始的原子跃迁(Delta_f1)定义了米、秒和光的速度。请注意，描述我们宇宙的基本量子常数的精确度是G的数千倍，但G是有史以来第一个测量到的常数。

宇宙的引力常数G是人们第一个测量的物理常数。可是，在我们首次确定G值的200多年后，与所有其他常数相比，我们对G的了解如此之少，这确实令人尴尬。从引力波到脉冲星周期，再到宇宙膨胀，我们在一系列的预测和计算中都使用了这个常数。但是我们确定G能力只限定于在实验室进行的小规模实验。从材料的密度到全球范围内的地震振动，最微小的不确定性，都能影响我们对G值的判断。除非我们能测量出十分精确的G值，否则在宇宙任何引力现象重要的地方中，都会存在一种巨大不确定性。现在，我们仍然不知道重力到底有多大。