物理學家們研究基本引力常數已逾兩個多世紀。目前公認的大G值為6.67430 × 10???立方米每千克每平方秒，不確定度為±0.00015 × 10??? m?/(kg·s?)。就宇宙基本常數而言，這一不確定度相當之大。
美國國家標準與技術研究院（NIST）物理學家史蒂芬·施拉明格爾近日完成了一項歷時10年的研究工作。該研究旨在復現國際計量局（BIPM，位於巴黎附近）此前得出的大G測量值——後者明顯高於大多數測量結果。他就為何花費如此長時間才得出這一數值（6.67387 × 10??? m?/(kg·s?)），以及為何該數值比BIPM結果低約0.0235%等問題，接受了IEEE Spectrum的專訪。
為何測量大G如此困難？
施拉明格爾：引力極其微弱。小時候你可能玩過冰箱磁鐵，那是一種能真實感受到的力。但如果換成兩個咖啡杯，無論怎麼嘗試，你都感覺不到它們之間的引力。引力確實存在，但實在太微弱了。
如何測量大G？
研究團隊使用了一種扭力天平，採用四重幾何結構。扭力天平的核心原理在於，它能將來自地球的豎直方向引力與水平方向引力解耦，從而對扭力天平周圍的質量體（而非地球本身）產生靈敏響應。
NIST的裝置採用四重幾何設計：一根極細的扭轉條，以及呈"加號"排列的四個圓柱體，整套裝置置於真空環境中。外側有四個較大的圓柱體，通過引力吸引內側四個較小的質量體。當外側質量體發生極其微小的移動時，內側"加號"結構便會發生旋轉，研究人員通過測量旋轉角度來推算引力扭矩，兩者之間存在正比關係。
為何要復現BIPM的測量值？
施拉明格爾：我們希望藉此推動這一領域的進展。長期以來，各方測量結果存在不一致，通過重複實驗，我們希望能找到問題所在。
然而，我們並未發現任何關鍵性的原因，無法給出一個單一的解釋來說明為何我們的結果與BIPM的結果存在差異，這仍然是一個懸而未決的問題。
耗時10年是什麼感受？
施拉明格爾：這有點像在放羊。我也測量過其他基本常數，比如普朗克常數，大多數實驗都有某種內置的自我校準機制。但對於引力常數，你必須追蹤每一個運動質量體的位置、尺寸，並逐一稱重，沒有任何捷徑可走。
你的結果與其他測量結果相比如何？
施拉明格爾：我們的結果略低於目前標準的文獻值。這讓我感到有些失望，因為它既與BIPM的值不符，也與文獻值不一致。如果BIPM的實驗存在某些問題，那麼包含該結果的文獻值或許應該有所下調。但這並不是我該說的。我認為應該由其他獨立的研究者來判斷新的平均值應該是多少。
Q&A
Q1：大G（引力常數）的測量為什麼這麼難？
A：引力本身極其微弱，兩個普通物體之間的引力根本無法用人體感知。正因如此，實驗需要極其精密的裝置來捕捉這種微弱的力，而且實驗中任何質量體的位置、大小都必須被精確追蹤，沒有內置的自我校準機制，操作難度極高。
Q2：NIST測量大G用的是什麼裝置？
A：NIST使用的是扭力天平，採用四重幾何結構。裝置核心是一根極細的扭轉條，加上四個呈"加號"排列的圓柱體，全部置於真空中。外側四個較大圓柱體通過引力牽引內側質量體，使"加號"結構發生微小旋轉，通過測量旋轉角度來反推引力常數。
Q3：NIST的測量結果和國際計量局（BIPM）的結果為什麼不一樣？
A：目前還沒有明確答案。施拉明格爾表示，團隊沒有找到導致差異的單一關鍵原因。NIST的結果不僅低於BIPM的值，也略低於目前的標準文獻值，兩者相差約0.0235%。他認為應由獨立研究者進一步評估，以確定新的權威平均值。
