测不准的引力

拾柒

引力常量，也称为牛顿常量，符号为G，是物理学基本常量中资格最老的一个。但矛盾的是，它也是我们在所有常量中了解最少的。如普朗克常数或基本电荷均可精确测得小数点后六位数字，但G却只有小数点后两位是确定的。而最近的几次实验让问题变得愈加复杂……

编译：朱琳
　　鼎鼎大名的引力常量（记作G）仍旧能厕身物理学基本常量之列吗？这个问题或许会让那些从高中就开始接触G的人感到惊讶，但是问题确实存在。如果这是一个常量，那么按照定义，它应该具有始终不变的值，就像其他物理常量一样，如光速或者普朗克常数。然而，尽管再三努力，但那些认为G是常量的人就是无法赋予其准确的数值，即便使其越来越精确也做不到。这么说G会随着时间空间而变化啰？可惜啊，试图证明这一观点的人也撞了南墙。兹事体大，以至于这个在17世纪由艾萨克·牛顿（Isaac Newton）引入，20世纪被阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）保留下来的常量，在近几年成了理论家和实验家的心头刺。既不完全是常量，又不是真正的变量，它在某种程度上开创了物理基本量的一个新类别：非恒定常量。
　　这早已不是一个新问题了。1798年，英国科学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）首次尝试直接测量引力，他利用扭秤（铁球之间的引力使得摆锤扭转形成一个可测量的角）测得G为6.74×10-11N·m2/kg2，误差为1%。此后，每一代新的科学家都认为他们能够为前辈们扬眉吐气，获得更精确的答案。不可否认，他们长期以来的成就证明这种美好的信念并非盲目。两百年内，精确度提高了两个数量级，从卡文迪许的0.01提高到了20世纪80年代末的0.001。但随后，问题便层出不穷，每一次新实验得出的G值与之前的结果全无相似之处。于是规定基本物理常数数据的国际组织——国际科技数据委员会（CODATA），不得不数次调高对于该常量的不确定性评级，1986年一次，1990年一次，1998年又一次，其误差范围也从±0.013%扩大至±0.15%！
一丝微风就能扭曲数据
　　而分别于2009年和2010年发布的两项最新实验结果也未能走出这一怪圈。因此，即将于年内公布更新数据的CODATA无疑会再一次调高G的不确定性评级。对物理学而言，这真是奇耻大辱！
　　如何解释这些挫败呢？尴尬之余，物理学家们认为是他们的测量出了差错。确实，G的测量经受不住丝毫闪失。由于仅体现在引力之中，因此G的测定只能通过测量引力的效应来进行，然而这一效应其实是很微弱的：两个互相接触、质量为1千克的球体之间的引力，仅相当于一根0.2毫米长的头发丝的重量！呼口气，打一个喷嚏……测量数据就会走样。但敢于挑战这座“物理学的珠穆朗玛峰”——美国科罗拉多大学物理学家、2010年实验报告的作者之一詹姆斯·弗勒（James Faller）如是命名——的研究人员也非平庸之辈，恰恰相反，他们继承了熟知这一测量中各种陷阱的先辈们的衣钵，正所谓“没有金刚钻，不揽瓷器活”。这就使得原本普通的问题变得更加尖锐：G的测量中究竟哪个地方不妥？
　　詹姆斯·弗勒与其供职于美国能源部桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratoires）的合作伙伴哈罗德·帕克斯（Harold Parks）承认，从得到实验结果到公布报告，6年间，他们每天都在问自己这个问题，他们实在无法决定是否要为G再添上一个新的值。在那6年里，他们用2个780克的铜质摆锤以及4个120千克的钨块反反复复做着同一个实验，最终得出结论：G应为（6.67234±0.00014）×10-11N·m2/kg2。问题在于，CODATA如今主张使用的数值是（6.67428±0.00064）×10-11N·m2/kg2。看出差别了吗？
　　为了找到症结所在，詹姆斯·弗勒和哈罗德·帕克斯推倒一切重新做起。他们依次变更每个实验参数，以衡量其可能导致的结果偏差。同时，钨块与铜柱的摆放位置、用以锻造它们的金属的纯度、固定系统缆线的硬度、激光测量的精确度、温度的影响等各方面因素也都在他们检视之列。然而，即使明显放大，所有这些影响合并起来也不足以解释新旧数值之间的差距。他们征询同事，请教同行，约来激光专家会诊，希望群策群力，找出导致差异的根由。但一切都是徒劳，它仍旧看不见摸不着，踪影难觅。
　　于是，詹姆斯·弗勒、哈罗德·帕克斯以及其他一些科学家提出，或许可以这样理解：之所以找不到影响因子，乃是由于其属于系统范围而非偶然发生。这就好比一件商品出了问题，我们只想到生产上有瑕疵；但倘使瑕疵位于设计层面，则生产中不但找不到缺陷，而且每件商品都会同样先天不足。同理，所有测量手段可能本身都包含一定误差，因此也就不可能测定G的确切值，不过这并不削弱G的常量属性。只是现在谁也没能找到这个所谓的“设计缺陷”！反之，假如G不是常量，那么把它当成常量去求便是我们最难自明的失误。这一简单的解释消灭了方才的问题，但又引出了新的麻烦：这样一来就必须对牛顿的引力定律以及爱因斯坦的广义相对论进行重新修订。不可能？倒也未必，因为理论专家认为完全有理由对这两种理论提出质疑，一些科学家更是早就迫不及待地试图证明G是个变量。2002年，当时供职于麻省理工学院的迈克尔·格斯坦（Mikhail Gershteyn）在一个俄罗斯同事的帮助下，重做了卡文迪许的经典扭秤实验，连续几日对G进行测量，结果发现，G居然会以23小时55分48秒为周期，产生0.054%以上的波动！

选自：《新发现》 2011年08月号

一哲

好神奇啊

繁花过境

惊现一哲。。。