200年來,科學家最接近萬有引力常數G的一次

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原文以Gravity measured with record precision為標題

發布在2018年8月29日的《自然》新聞與觀點上

原文作者：美國國家標準技術研究所Stephan Schlamminger

控制引力相互作用強度的萬有引力常數G很難準確測量。現在，一支研究團隊採用兩種獨立方法測出了截至目前常數G的最精確值。

雖然引力在我們的日常生活中似乎很強，例如在舉起重物時，但是它是四種基本力中最弱的一種。兩個物體之間的引力與它們的質量成正比。如果其中一個物體是地球，引力則可能相當大。但如果是實驗室中的物體，引力則可能太小而無法準確測量。例如，兩個相隔1米的1千克物體之間的引力相當於少量生物細胞的重量。

研究的實驗設置。

來源：Liet al.

1798年，科學家卡文迪許使用扭秤在實驗室中第一次確定了G值。該扭秤由一個啞鈴組成，啞鈴中間系了一條細絲。引力作用於啞鈴末端，方向垂直於啞鈴的杆和細絲的軸線。該力導致啞鈴圍繞該軸旋轉，導致細絲發生扭曲。

最終，啞鈴達到細絲的扭轉力與引力平衡的位置。啞鈴在該位置的旋轉角度被記錄下來。接著，沿相反方向施加引力並第二次測量旋轉角度。利用這兩個角度之間的差異可以計算出引力的大小。

在扭秤實驗中，引力由特定的外部質量源提供。這些質量源在兩個或兩個以上不同位置之間移動以改變力的方向和大小。因為啞鈴在水平面上旋轉，所以原本會對實驗產生重大影響的地球引力可以忽略不計。

多年來，人們研發出了許多技術以通過扭秤來測量G值。2000年，通過用一塊薄板（也稱為板擺）代替啞鈴，實驗精度得到了顯著提升。

研究團隊依據不同的測量技術——扭秤周期法（TOS）和扭秤角加速度反饋法（AAF），構建了兩個含板扭秤。在TOS方法中，板的旋轉是振蕩的。通過計算外部質量源處於兩種不同配置時的振蕩速度變化，計算G值。在AAF方法中，研究人員使用兩個轉盤分別旋轉扭秤和外部質量源。當細絲的扭曲量減小到零時，G由與扭秤相關聯的轉盤的角加速度來確定。

作者使用TOS方法和AAF方法得到的G值分別為6.674184×10^-11和6.674484×10^-11立方米每千克每平方秒。其相對不確定度是截至目前為止最小的：大約為11.6 ppm（ppm：百萬分之一），而先前使用AAF方法得到的G值不確定度是13.7 ppm。

研究團隊非常仔細地進行了實驗，並詳細描述了他們的工作。該研究是精準測量領域卓越工藝的典範。然而，G值的真值仍然不清楚。在過去40年中對G值進行的各種測定結果不盡相同（圖1）。雖然個別結果的相對不確定度大約為10 ppm，但最小值和最大值之間的差異約為500 ppm。

圖1 | 萬有引力常數的測量。兩個物體之間的引力強度由萬有引力常數G描述，G值以立方米每千克每平方秒為單位表示。該圖顯示了過去40年中G值的高精度測量結果，誤差條表示不確定度。紅色方塊表示本論文作者團隊的最新測量結果，紫色方塊表示他們過去的測量結果。豎直灰線表示科學技術數據委員採納的G值，陰影區域表示不確定度。

這種差異至少有兩種可能的解釋。第一種可能性是，一個或多個實驗的技術細節並沒有完全被理解，這可能導致測量的G值出現系統誤差或者未完全反映測量所存在的不確定度。舉例來說，細絲的滯彈性可能導致TOS方法得到的結果出現偏差——該效應在1995年被首次指出。

第二種可能性是，某些未知的物理機制導致測量結果分散。雖然後一種可能性更令人興奮，但可能性也更低。儘管如此，不應該無視這種可能。

目前，嘗試理解不同結果之間的差異與進行新測量同樣重要，甚至研究團隊得到的前後結果也不一致：最新兩個實驗確定的G值與同一實驗室之前得到的測量結果，在統計學上並不吻合。作者推測原因可能在於細絲滯彈性，但他們沒有給出明確的解釋。

因為所有這四個實驗都是在同一個機構進行的，所以比較它們應該比比較世界各地不同研究組的不同實驗更為直接。因此，可以藉此機會揭示出現測量差異的原因，進而更進一步地了解G值的真值。應該鼓勵研究團隊接受這一挑戰。最後，如果我們想要理解G值的測量，就必須找出各種測量結果不相一致的原因。