引力，生命的常數之一，更不用說物理學了，但在測量時卻不太恆定。多年來的各種實驗得出了令人困惑的不同引力強度值，而最新的計算結果更是加劇了這種混亂。
一項耗時 10 年的實驗結果於本月釋出，旨在計算“大 G”，即萬有引力常數的值——結果與官方 G 值不符，而官方 G 值本身來自於各種其他測量的加權平均值，這些測量值大多相互不相容，並且偏差超過其估計不確定度的 10 倍。
國際計量局 (BIPM) 的泰瑞·奎因說，引力常數“是我們應該知道的事情之一”，他領導了最新的計算團隊，該局位於法國塞夫爾。“對於一個我們無法測量其強度的基本常數來說，這真是令人尷尬。”
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事實上，這種差異是一個如此嚴重的問題，以至於奎因正在倫敦皇家學會組織一次二月份的會議，以制定解決僵局的行動計劃。會議的標題——“牛頓萬有引力常數，一個太難測量的常數？”——揭示了普遍的驚愕。
雖然引力在我們日常生活中似乎是最顯著的自然力之一，但實際上它遠弱於其他力，這使得計算其強度的嘗試成為一場艱苦的戰鬥。“兩個相隔一米的一公斤質量的物體相互吸引，其力相當於幾個人體細胞的重量，”華盛頓大學物理學家詹斯·岡德拉赫說，他參與了 2000 年對大 G 的另一項測量。“將如此小的力精確到 10-4 或 10-5 精度地作用於千克級物體上絕非易事。有很多效應可能會壓倒引力效應，所有這些都必須得到正確理解和考慮。”
這種內在的困難導致大 G 成為唯一一個標準值的不確定性隨著越來越多的測量而增加的物理學基本常數。“儘管測量非常困難，因為 G 比其他實驗室力弱得多，但作為一個社群，我們仍然應該做得更好，”科羅拉多大學博爾德分校的物理學家詹姆斯·法勒說，他在 2010 年進行了一項使用單擺計算大 G 的實驗。
第一次大 G 測量是在 1798 年由英國物理學家亨利·卡文迪許使用一種稱為扭秤的裝置進行的。在這種裝置中，一根兩端帶有鉛球的杆透過一根金屬絲從中間懸掛起來。當其他鉛球放置在這根杆旁邊時，它會根據球體之間引力的大小而旋轉，從而使卡文迪許能夠測量引力常數。
奎因和他的同事的實驗本質上是對卡文迪許裝置的重新設計，使用了更先進的方法，例如用寬而薄的鈹銅條代替金屬絲，這使得他們的扭秤能夠承受更大的重量。該團隊還採取了進一步措施，增加了一種獨立的測量引力的方法：除了觀察杆的扭轉程度外，研究人員還進行了在扭秤內部放置電極的實驗，以防止其扭轉。防止旋轉所需的電壓強度與引力直接相關。“奎因實驗的一個強項是他們使用兩種不同的方法來測量 G，”美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的斯蒂芬·施拉明格說，他於 2006 年領導了一項使用梁秤裝置計算大 G 的獨立嘗試，該機構位於馬里蘭州蓋瑟斯堡。“很難想象這兩種方法會產生兩個錯誤的數字，但卻彼此一致。”
透過這些雙重實驗，奎因的團隊得出了 6.67545 X 10-11 m3 kg-1 s-2 的值。這比 6.67384(80) X 10-11 m3 kg-1 s-2 的標準值高出百萬分之 241，該標準值是由國際科學理事會科學與技術資料委員會 (CODATA) 的一個特別工作組 (pdf) 在 2010 年透過計算所有各種實驗值的加權平均值得出的。這些值彼此之間的差異高達常數的百萬分之 450，儘管它們中的大多數的估計不確定度僅約為百萬分之 40。“顯然，它們中的許多或大多數都受到了嚴重的重大誤差或嚴重低估的不確定性的影響，”奎因說。更復雜的是，新的測量結果與奎因和他的同事在 10 多年前，即 2001 年發表的對大 G 的計算結果驚人地接近，該計算使用了類似的方法，但使用了完全獨立的實驗室裝置。
大多數科學家認為所有這些差異都反映了人為的誤差來源，而不是大 G 的真正不恆定性。例如，我們知道引力的強度在過去 200 年中沒有波動，因為如果波動，行星繞太陽的軌道就會發生變化，奎因說。儘管如此，不相容的測量結果可能指向引力的未知微妙之處——也許它的強度會根據測量方式或測量地點而變化？
“要麼是實驗出了問題，要麼是我們在對引力的理解上存在缺陷，”斯坦福大學物理學家馬克·卡塞維奇說，他在 2007 年使用原子干涉法進行了不相關的大 G 測量。“需要進一步的工作來澄清情況。”
如果大 G 的真值最終更接近奎因團隊的測量值，而不是 CODATA 值，那麼依賴於 G 的計算就必須進行修訂。例如，太陽系行星（包括地球）的估計質量將略有變化。然而，奎因說，這樣的修訂不會改變任何物理學基本定律，並且對任何人的生活都不會產生實際影響。但對科學家來說，弄清問題的根源更多的是原則問題。“人們不喜歡留下未解決的事情，”他補充道。“我們應該能夠測量引力。”
奎因和他的來自 BIPM 和英國伯明翰大學的團隊於 9 月 5 日在物理評論快報上發表了他們的結果。