你敢信嗎?人類能精準(zhǔn)測(cè)量一顆中子星的質(zhì)量,能把光子的行為描述到小數(shù)點(diǎn)后十億位,卻至今連牛頓引力常數(shù)G的第四位有效數(shù)字都搞不定?這不是科幻小說(shuō)里的情節(jié),而是真實(shí)存在的物理學(xué)謎題。
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2026年4月,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)公布了一項(xiàng)耗時(shí)十年的最新測(cè)量結(jié)果,G值為6.67387×10?11立方米每千克每平方秒,誤差范圍0.0057%。
聽(tīng)起來(lái)夠精確了吧?可問(wèn)題恰恰出在這兒,這個(gè)數(shù)字和其他頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果,又出現(xiàn)了無(wú)法用誤差解釋的偏差。這道題,不僅沒(méi)解開(kāi),反而更復(fù)雜了。
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引力是人類最早認(rèn)識(shí)的基本力,卻是四種基本力里測(cè)量精度最低的。電磁力的相關(guān)常數(shù)能精確到小數(shù)點(diǎn)后九位以上,可G的精度只有千分之一量級(jí),有效數(shù)字才三位。為啥?因?yàn)橐μ趿耍瑑蓚€(gè)電子之間的引力,比它們的靜電斥力小四十多個(gè)數(shù)量級(jí),實(shí)驗(yàn)信號(hào)分分鐘被干擾淹沒(méi)。
之后兩個(gè)多世紀(jì),物理學(xué)家們用更精密的儀器一次次嘗試。1891年波因廷把誤差壓縮到0.2%,20世紀(jì)中葉降到0.1%,80到90年代甚至有團(tuán)隊(duì)說(shuō)誤差低至0.012%。大家一度以為G的問(wèn)題快解決了。
可21世紀(jì)初,麻煩來(lái)了:不同實(shí)驗(yàn)室、不同方法得出的G值,最低6.671×10?11,最高6.676×10?11,差異遠(yuǎn)超各自聲稱的誤差范圍。那些號(hào)稱0.012%誤差的結(jié)果,其實(shí)藏著沒(méi)被發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)誤差。科學(xué)界不得不承認(rèn),G的真實(shí)誤差約0.05%,第四位數(shù)字根本沒(méi)譜。
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就在這個(gè)背景下,NIST科學(xué)家施拉明格啟動(dòng)了長(zhǎng)達(dá)十年的測(cè)量計(jì)劃。最讓人佩服的是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性,為了避免“實(shí)驗(yàn)者偏差”(研究者潛意識(shí)里傾向于預(yù)期結(jié)果),他讓同事帕特里克·阿博特把各質(zhì)量塊的真實(shí)數(shù)值加密,密碼封在信封里。
施拉明格全程不知道真實(shí)質(zhì)量,完成測(cè)量后才揭封。這是引力常數(shù)測(cè)量史上第一次真正的盲法實(shí)驗(yàn),給后來(lái)的高精度測(cè)量立了標(biāo)桿。
可結(jié)果卻讓人糾結(jié):新測(cè)量值6.67387×10?11,和國(guó)際計(jì)量局(BIPM)用相同方法得出的結(jié)果差0.025%,是報(bào)告誤差的五倍;和2018年中國(guó)團(tuán)隊(duì)的結(jié)果差約0.01%。這些差異雖然還沒(méi)到“推翻彼此”的程度,但絕對(duì)不能忽視。
更關(guān)鍵的是,這個(gè)實(shí)驗(yàn)挖出了一堆之前沒(méi)被重視的系統(tǒng)誤差:測(cè)試質(zhì)量塊的三葉形形狀會(huì)帶來(lái)額外扭矩;大質(zhì)量塊移動(dòng)時(shí)氣體壓力的微小變化會(huì)干擾數(shù)據(jù);光學(xué)準(zhǔn)直器有非線性響應(yīng);真空腔里殘余氣體的熱扭矩也不能忽略。
團(tuán)隊(duì)還提出“暗不確定度”的概念,用來(lái)量化連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)里莫名的離散性。他們發(fā)現(xiàn),哪怕質(zhì)量塊之間的距離偏差只有1微米,對(duì)G值的影響都超過(guò)十幾個(gè)百萬(wàn)分之一。
施拉明格團(tuán)隊(duì)坦言,這次測(cè)量的總誤差反而比上一次略增,但這才是誠(chéng)實(shí)的科學(xué)態(tài)度,與其假裝更精確,不如把誤差來(lái)源說(shuō)清楚。
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G的測(cè)量難,本質(zhì)上是引力的“弱”和“無(wú)處不在”。不像電磁力可以用屏蔽材料隔絕,引力能穿透一切,實(shí)驗(yàn)室里的任何物體、甚至實(shí)驗(yàn)者本身,都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生微小影響。
G的測(cè)量,不僅僅是一個(gè)數(shù)字的問(wèn)題。它關(guān)系到我們對(duì)引力本質(zhì)的理解,甚至可能影響到廣義相對(duì)論的驗(yàn)證、暗物質(zhì)暗能量的研究。228年過(guò)去了,人類的科技進(jìn)步天翻地覆,可這個(gè)最基礎(chǔ)的常數(shù),依然像個(gè)謎。
你覺(jué)得G的第四位數(shù)字到底是多少?是我們的測(cè)量方法還不夠先進(jìn),還是引力本身藏著什么我們沒(méi)發(fā)現(xiàn)的秘密?歡迎在評(píng)論區(qū)聊聊你的看法,畢竟,科學(xué)的進(jìn)步,就是從一個(gè)個(gè)未解之謎里走出來(lái)的。如果覺(jué)得這篇內(nèi)容有意思,別忘了點(diǎn)贊收藏,分享給更多對(duì)科學(xué)好奇的朋友!
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