报路,引力常数问世340周年，仍是物理学一大未解难题
IT之家 5 月 27 日新闻，今年是引力常数问世 340 周年，它也是物理学中最古老的根基常数。这个常数被钻研者亲切地称作“大 G”。1686 年，牛顿在构建万有引力定律时，初次将引力常数纳入主题公式；次年，牛顿在《天然哲学的数学道理》一书中正式颁发有关内容，其时仅给出估算值，这一数值尚未经过实测。但颇具嘲讽意味的是，历经数百年后，大 G 至今仍是所有根基常数中丈量精度最差、数值领域最不确定的一个。 IT之家把稳到，目前科学家得出了一系列分歧的引力常数测算了局（常用值约为 6.674×10^-11 N·m?/kg?），这意味着我们无法确定：到底是人类尚未齐全吃透引力的性质，还是现有理论公式自身存在疏漏。美国国度尺度与技术钻研院的斯特凡?施拉明格，从前十年一向致力于破解这一难题。这项钻研迎来了局的时刻，团队必要拆开一只密封信封能力得知最终数据，这样的场景通常呈此刻奥斯卡等盛大颁奖典礼上，而非物理尝试室。 不外这场“悬想”并非有余。描述宇宙法规的各类公式里，引力常数无处不在，其数值的不确定性让科学家们颇为困扰，施拉明格这类计量学家对此感触尤深。 施拉明格在接受 Space.com 采访时暗示：“引力常数是物理学最大的未解之谜。它的情况极度特殊：作为人类已知最古老的根基常数，牛顿早在 1687 年就将它写入公式，可时至今日，它仍旧是所有常数中丈量精度最低的。在我看来，这也是物理学界一大悬而未决的遗憾。” 引力常数是牛顿万有引力定律公式的主题参数。该定律指出，宇宙中肆意两个质点之间都存在相互吸引的引力，引力大幼与质点质心间距的平方成反比。公式中的质量、距离都能够矫捷代入，但大 G 的理论数值恒定不变，因而这个根基常数是测算宇宙遍地引力强度的关键。 1915 年，爱因斯坦提出广义相对论，以时空几何理论取代了牛顿的引力理论。该理论以为，有质量的物体味造成时空（空间与功夫融合而成的四维整体）弯曲，引力性质正是时空弯曲产生的效应。即便物理学理论产生了这样颠覆性的刷新，引力常数仍旧被保留了下来，只是其物理意思略有调整。 “引力常数是宇宙的根基常数，它贯通整个时空，数值永恒不变。”施拉明格说路，“在牛顿力学系统中，它代表引力的强弱；而在爱因斯坦的引力理论里，它决定了时空的‘柔韧水平’。引力常数越幼，恒星、行星等大质量天体扭曲时空的难度就越大。” 人类初次尝试丈量引力常数，要追忆到 1798 年，物理学家亨利?卡文迪许实现了这项工作。他通过测算大幼铅球之间的引力作用，不仅算出了地球密度，也初次得到了较为精准的引力常数值。 “引力是四大根基作使劲中强度最弱的一种，这导致它极难被单独分离并精确丈量。电场、磁场都能够用屏蔽伎俩断绝，但引力无法被屏蔽。世间万物始终在相互吸引。”施拉明格诠释路。 绝大无数物理尝试中，科学家都能报答放大观测信号，但钻研引力时，钻研者只能被动接管引力自身带来的幽微信号，没有任何优化空间。 “目前全球已有 17 组引力常数丈量数据，彼此之间的误差依然超出合理领域，背后原因无人通达。”施拉明格说，“数据离散水平之大，让我们极度沮丧。对于计量学家而言，丈量了局无法趋于统一，是齐全无法接受的。” 为精准丈量引力常数，施拉明格团队复刻了法国塞夫勒国际计量局的一套精密尝试装置，并将整套尝试迁徙至美国马里兰州盖瑟斯堡的美国国度尺度与技术钻研院发展。复刻尝试暗藏诸多风险，钻研团队也处处留心，躲避各类认知误区。 “我们刻意预防陷入‘认知相位锁定’的陷阱。这种情况指的是，钻研者在看到实测数据后，会不自觉地对照过往文件数值、或是统一设备此前测出的了局，潜意识里会刻意让新数据切近预期值。这并非报答造假，而是一种下意识的行为，很难防备。” 为此，施拉明格想出了一个奇妙法子：让一位同事在尝试所用砝码中参与一个未知偏移量，并将偏移数值单独封存。在拆封信封前，整个团队都不会通达最终算出的引力常数。 “我们请质量计量幼组在所有尝试砝码中参与固定偏移值，这个数值被封存在信封里。直到我们确认整套尝试数据自洽无误后，才打开信封。” 原定 2022 年拆封的信封，最终推迟至 2024 年 7 月 11 日才开启。延期原因是施拉明格发现，自己最初的推算过程忽略了气压这一轻微却关键的影响成分。 这个数值差距看似微幼，却有着沉要意思。若本次丈量了局属实，地球的总质量将比目前公认数值多出 320 万亿亿千克，约合 360 千万亿吨。 “我必须注明，引力常数的谜团并未彻底解开。分歧尝试数据之间的吩扃依然存在，期待后人去破解。也正因如此，这一钻研领域才始终保有活力。” 施拉明格总结路：“现阶段我筹算临时放下根基常数钻研。这类丈量工作动辄耗时数年甚至数十年，耗费巨大精力。接下来我会转向电学量的精密丈量，主攻电阻、电容有关钻研，但愿也能在这个领域带来新的索求与挑战。”
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