團隊成員薛超及同事在研磨球體 華中科技大學供圖

來源：中國科學報

1687年，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。

有人說這個發(fā)現(xiàn)得益于一顆砸到牛頓腦袋上的蘋果，也有人說這種說法純屬虛構，但無論如何，牛頓成功地讓世界各地的中學課本里多了一個描述萬有引力的公式：F=G(m?m?)/r²，其中G是萬有引力常數(shù)。

萬有引力定律認為，大到宇宙天體，小到看不見的粒子，任何物體之間都像蘋果和地球之間一樣，具有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質(zhì)量成正比例，與它們之間距離的平方成反比。

定律雖好，要想派上實際用場，還得知道G的值。然而，這個值到底是多少，連牛頓本人都不清楚。

300多年來，不少科學家在努力測量G值并讓它更精確。

就在8月30日凌晨，《自然》雜志發(fā)表了中國科學家測量萬有引力常數(shù)的研究，測出了截至目前最精確的G值。

卡文迪許的嘗試

G值不明確，萬有引力定律就算不上完美。

但是，地球上一般物體的質(zhì)量太小，引力幾乎為零，而宇宙里的天體又太大，難以評估其質(zhì)量。

于是，在萬有引力定律提出后的100多年里，G值一直是個未解之謎。

1798年，一位名叫卡文迪許的英國科學家，為了測量地球的密度，設計出一個巧妙的扭秤實驗。

他制作了一個輕便而結(jié)實的T形框架，并把這個框架倒掛在一根細絲上。如果在T形架的兩端施加兩個大小相等、方向相反的力，細絲就會扭轉(zhuǎn)一個角度。

根據(jù)T形架扭轉(zhuǎn)的角度，就能測出受力的大小。

接著，卡文迪許在T形架的兩端各固定一個小球，再在每個小球的附近各放一個大球。

為了測定微小的扭轉(zhuǎn)角度，他還在T形架上裝了一面小鏡子，用一束光射向鏡子，經(jīng)鏡子反射后的光射向遠處的刻度尺，當鏡子與T形架一起發(fā)生一個很小的轉(zhuǎn)動時，刻度尺上的光斑會發(fā)生較大的移動。

這樣，萬有引力的微小作用效果就被放大了。

根據(jù)這個實驗，后人推算出了歷史上第一個萬有引力常數(shù)G值——6.67×10-11N·m2/kg2。

十年十年又十年

卡文迪許測出了常數(shù)值，但科學家們并不滿足。

在他們看來，萬有引力常數(shù)G是人類認識的第一個基本常數(shù)，而G值的測量精度卻是所有基本常數(shù)中最差的。

而G值的精度在天體物理、地球物理、計量學等領域有著重要意義。

例如，要想精確回答地球等天體有多重，就要依賴于G值;在自然單位制中，普朗克單位定義式的精度同樣受G值測量精度的限制。

怎么讓這個數(shù)值更精確，是卡文迪許之后的科學家們努力的方向。利用現(xiàn)代技術完善扭秤實驗，則是他們提升測量精度的辦法。

就在牛頓萬有引力定律提出后的300年，中國科學家羅俊及其團隊加入了這支尋找引力常數(shù)的隊伍，此后他們幾乎每十年會更新一次引力常數(shù)的測量精度。

上世紀八十年代，華中科技大學羅俊團隊開始用扭秤技術精確測量G值。

十年后的1999年，他們得到了第一個G值，并被國際科學技術數(shù)據(jù)委員會(CODATA)錄用。

又十年后，2009年，他們發(fā)表了新的結(jié)果，成為當時采用扭秤周期法得到的最高精度的G值，并且又一次被CODATA收錄。

如今，經(jīng)過又一個十年的沉淀，羅俊團隊再次更新了G值。

“30多年的時間里，我們不斷地對完全自制的扭秤系統(tǒng)進行改良和優(yōu)化設計。”羅俊告訴《中國科學報》記者。

在精密測量領域，細節(jié)決定成敗。光是為了得到一個實驗球體，團隊成員就手工研磨了近半年時間，最后讓這個球的圓度好于0.3微米。

不僅如此，論文通訊作者之一、華中科技大學引力中心教授楊山清告訴記者，實現(xiàn)相關裝置設計及諸多技術細節(jié)均需團隊成員自己摸索、自主研制，在此過程中，他們研發(fā)出一批高精端儀器設備，其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用。

《自然》雜志發(fā)表評論文章稱，這項實驗可謂“精確測量領域卓越工藝的典范”。

G的真值仍是未知

為了增加測量結(jié)果的可靠性，實驗團隊同時使用了兩種獨立方法——扭秤周期法、扭秤角加速度反饋法，測出了兩個不同的G值，相對差別約為0.0045%。

《自然》雜志評論稱，通過兩種方法測出的G值的相對誤差達到了迄今最小。

目前，全世界很多實驗小組都在測量G值，國際科技數(shù)據(jù)委員會2014年最新收錄的14個G值中，最大值和最小值的相對差別約在0.05%。

盡管數(shù)值的差距在縮小，但真值仍是未知。

“不同小組使用相同或者不同的方法測量的G值在誤差范圍內(nèi)不吻合，學界對于這種現(xiàn)象還沒有確切的結(jié)論。”羅俊說。

科學家推測，之所以測出不同的結(jié)果，一種概率較大的可能是，實驗中可能存在尚未發(fā)現(xiàn)或未被正確評估的系統(tǒng)誤差，導致測量結(jié)果出現(xiàn)較大的偏離，另一種概率較低但不能排除的可能是，存在某種新物理機制導致了目前G值的分布。

羅俊告訴記者，要解決目前G值測量的問題，需要進一步研究國際上測G實驗中各種可能的影響因素，也需要國際各個小組的共同努力和合作。

“只有當各個小組實驗精度提高，趨向給出相同G值的時候，人類才能給出一個萬有引力常數(shù)G的明確的真值。”羅俊說。

關鍵詞： 萬有引力 常數(shù) 中國