引力，生命的常数之一，更不用说物理学了，但在测量时却不太恒定。多年来的各种实验得出了令人困惑的不同引力强度值，而最新的计算结果更是加剧了这种混乱。
一项耗时 10 年的实验结果于本月发布，旨在计算“大 G”，即万有引力常数的值——结果与官方 G 值不符，而官方 G 值本身来自于各种其他测量的加权平均值，这些测量值大多相互不兼容，并且偏差超过其估计不确定度的 10 倍。
国际计量局 (BIPM) 的泰瑞·奎因说，引力常数“是我们应该知道的事情之一”，他领导了最新的计算团队，该局位于法国塞夫尔。“对于一个我们无法测量其强度的基本常数来说，这真是令人尴尬。”
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事实上，这种差异是一个如此严重的问题，以至于奎因正在伦敦皇家学会组织一次二月份的会议，以制定解决僵局的行动计划。会议的标题——“牛顿万有引力常数，一个太难测量的常数？”——揭示了普遍的惊愕。
虽然引力在我们日常生活中似乎是最显著的自然力之一，但实际上它远弱于其他力，这使得计算其强度的尝试成为一场艰苦的战斗。“两个相隔一米的一公斤质量的物体相互吸引，其力相当于几个人体细胞的重量，”华盛顿大学物理学家詹斯·冈德拉赫说，他参与了 2000 年对大 G 的另一项测量。“将如此小的力精确到 10-4 或 10-5 精度地作用于千克级物体上绝非易事。有很多效应可能会压倒引力效应，所有这些都必须得到正确理解和考虑。”
这种内在的困难导致大 G 成为唯一一个标准值的不确定性随着越来越多的测量而增加的物理学基本常数。“尽管测量非常困难，因为 G 比其他实验室力弱得多，但作为一个社群，我们仍然应该做得更好，”科罗拉多大学博尔德分校的物理学家詹姆斯·法勒说，他在 2010 年进行了一项使用单摆计算大 G 的实验。
第一次大 G 测量是在 1798 年由英国物理学家亨利·卡文迪许使用一种称为扭秤的装置进行的。在这种装置中，一根两端带有铅球的杆通过一根金属丝从中间悬挂起来。当其他铅球放置在这根杆旁边时，它会根据球体之间引力的大小而旋转，从而使卡文迪许能够测量引力常数。
奎因和他的同事的实验本质上是对卡文迪许装置的重新设计，使用了更先进的方法，例如用宽而薄的铍铜条代替金属丝，这使得他们的扭秤能够承受更大的重量。该团队还采取了进一步措施，增加了一种独立的测量引力的方法：除了观察杆的扭转程度外，研究人员还进行了在扭秤内部放置电极的实验，以防止其扭转。防止旋转所需的电压强度与引力直接相关。“奎因实验的一个强项是他们使用两种不同的方法来测量 G，”美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的斯蒂芬·施拉明格说，他于 2006 年领导了一项使用梁秤装置计算大 G 的独立尝试，该机构位于马里兰州盖瑟斯堡。“很难想象这两种方法会产生两个错误的数字，但却彼此一致。”
通过这些双重实验，奎因的团队得出了 6.67545 X 10-11 m3 kg-1 s-2 的值。这比 6.67384(80) X 10-11 m3 kg-1 s-2 的标准值高出百万分之 241，该标准值是由国际科学理事会科学与技术数据委员会 (CODATA) 的一个特别工作组 (pdf) 在 2010 年通过计算所有各种实验值的加权平均值得出的。这些值彼此之间的差异高达常数的百万分之 450，尽管它们中的大多数的估计不确定度仅约为百万分之 40。“显然，它们中的许多或大多数都受到了严重的重大误差或严重低估的不确定性的影响，”奎因说。更复杂的是，新的测量结果与奎因和他的同事在 10 多年前，即 2001 年发表的对大 G 的计算结果惊人地接近，该计算使用了类似的方法，但使用了完全独立的实验室装置。
大多数科学家认为所有这些差异都反映了人为的误差来源，而不是大 G 的真正不恒定性。例如，我们知道引力的强度在过去 200 年中没有波动，因为如果波动，行星绕太阳的轨道就会发生变化，奎因说。尽管如此，不兼容的测量结果可能指向引力的未知微妙之处——也许它的强度会根据测量方式或测量地点而变化？
“要么是实验出了问题，要么是我们在对引力的理解上存在缺陷，”斯坦福大学物理学家马克·卡塞维奇说，他在 2007 年使用原子干涉法进行了不相关的大 G 测量。“需要进一步的工作来澄清情况。”
如果大 G 的真值最终更接近奎因团队的测量值，而不是 CODATA 值，那么依赖于 G 的计算就必须进行修订。例如，太阳系行星（包括地球）的估计质量将略有变化。然而，奎因说，这样的修订不会改变任何物理学基本定律，并且对任何人的生活都不会产生实际影响。但对科学家来说，弄清问题的根源更多的是原则问题。“人们不喜欢留下未解决的事情，”他补充道。“我们应该能够测量引力。”
奎因和他的来自 BIPM 和英国伯明翰大学的团队于 9 月 5 日在物理评论快报上发表了他们的结果。