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十年盲测揭晓:引力常数仍存谜团

2026-05-18 21:20 泉水 Metrologia 阅读 0
核心摘要: 美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家Stephan Schlamminger团队,在历经十年精心准备后,于2024年7月打开了一个密封信封,揭示了他们对引力常数G的独立测量结果。该结果与2007年法国国际

十年盲测揭晓:引力常数仍存谜团

经过近十年的等待,美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家Stephan Schlamminger终于打开了那个密封的信封。里面藏着一个至关重要的秘密数字——它决定了他团队耗费多年心血测得的引力常数(大G)究竟是接近预期,还是指向新的谜团。

引力虽然塑造了宇宙的宏观结构,但在四种基本力中却出奇地微弱。电磁力远比它强大:一块小小的磁铁就能轻松克服整个地球的引力,吸起一枚回形针。这种“弱小”给实验室测量带来了巨大挑战。科学家需要测量的是两个相对较小物体之间的引力,其强度大约比地球的引力弱了5000亿万亿倍,精确探测极其困难。

自牛顿首次用数学描述引力以来,人类对G的测量已持续超过225年。尽管设备日益先进,不同现代实验给出的结果却始终存在微小差异——大约万分之一。这虽然细微,却远超出了预期的实验误差范围。这不禁让人质疑:是实验中存在未被发现的系统误差,还是我们对引力的理解本身就不完整?

为了探究这一分歧,Schlamminger团队决定复现2007年法国国际计量局(BIPM)进行的一项备受推崇的实验。他们的目标很明确:看看位于美国马里兰州盖瑟斯堡的NIST独立团队能否得到相同的结果。为了彻底避免主观偏见,Schlamminger请同事Patrick Abbott对部分数据进行了“盲化”处理——Abbott从一个隐藏数值中减去了实验质量块的部分测量值,只有Abbott本人知道这个数字。在信封被打开前,Schlamminger对实验的真实结果一无所知。

这个信封差点在2022年就被打开。当时Schlamminger已准备公布结果,但在最后一刻意识到一个微妙的气压效应可能影响测量,于是推迟了揭晓,继续完善分析。终于,在2024年7月11日于科罗拉多州奥罗拉举行的精密电磁测量年会上,关键时刻到来。当天下午的报告中,他打开了信封,读出了Abbott的隐藏数字。起初他感到宽慰——这个秘密数值需要足够大且为负值,才能使实验结果与预期相符。但随着时间推移,这种宽慰消失了:这个数字太大了,以至于NIST的结果无法与法国实验匹配。

经过又两年的详细分析,团队在《Metrologia》上发表了最终结果。他们测得的G值为6.67387×10-11 m³/kg/s²,比法国测量值低了0.0235%。这个差异虽不会影响日常生活中的体重秤或食品包装,但在物理学界,如此量级的偏差不容忽视。大多数其他基本常数已知到六位或更多有效数字,且一致性极高。科学史上,这种微小不一致有时正是重大发现的先兆。

两个实验都使用了扭秤,其原理可追溯到1798年亨利·卡文迪什的经典实验。卡文迪什用一根细丝悬挂铅球,通过大质量球体靠近时引起的扭转来测量引力。现代版本则更为精密:装置包含八个圆柱形金属质量块,四个大圆柱置于旋转转盘上,四个小质量块则悬挂在一根如发丝般细的铜铍丝上。外部质量块吸引内部质量块时,扭秤旋转并扭转丝线。团队还使用了第二种技术:向内部质量块附近的电极施加电压,产生静电力来抵消引力,通过精确调节电压获得另一个独立的G值。

Schlamminger团队还增加了一个关键步骤:他们分别使用铜和蓝宝石两种材质的质量块重复实验,结果几乎完全一致,从而排除了材料本身对测量结果的影响。虽然实验未能最终解决大G的谜团,但它为不断积累的证据库增添了重要的一笔。“每一次测量都很重要,因为真相至关重要,”Schlamminger说,“对我来说,进行精确测量是给宇宙带来秩序的一种方式,无论这个数字是否与预期值一致。”在投入十年时间后,他表示准备将这个问题留给年轻一代的科学家去解决。


参考文献: Stephan Schlamminger, Patrick Abbott, et al. A new determination of the Newtonian constant of gravitation. Metrologia, 2024; DOI: 10.1088/1681-7575/ad6b0e
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