十年後科學家打開密封信封，重力仍然毫無意義

這種不確定性給美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的物理學家史蒂芬·施拉明格帶來了沉重的壓力，因為他正準備打開一個裝有關鍵秘密號碼的密封信封。近 10 年來，施拉明格將其職業生涯的大部分時間投入到測量偉大的事物上。 G 具有卓越的精度。信封內隱藏的數字最終將使他能夠解碼團隊的結果。

為什麼重力如此難以測量？

重力可能塑造宇宙，但與其他基本自然力量相比，它卻出奇地弱。例如，電磁力要強得多。即使是很小的磁鐵也可以在地球整個重力場的影響下舉起迴紋針。

這項弱點成為實驗室中的巨大挑戰。科學家必須測量相對較小物體之間的引力，而這些力非常弱。實驗中使用的質量是500,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,0 00,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 ,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,0 00,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 華氏度。

研究人員花了超過 225 年的時間試圖改進對偉大行星的測量 G 艾薩克·牛頓首先用數學方法描述了引力。儘管設備越來越先進，但現代實驗仍然給出了略有不同的答案。差異很小，只有萬分之一，但大於預期的實驗不確定性。

這提出了一個令人不安的問題。科學家是否忽略了實驗中的細微缺陷，或者他們對重力本身的理解是否存在不完整的地方？

重新創建邊界重力實驗

為了調查這一差異，施拉明格和他的同事決定重複國際計量局 (BIPM) 2007 年在法國塞夫爾進行的一項備受好評的實驗。目標原則上很簡單：看看位於馬裡蘭州蓋瑟斯堡的 NIST 的獨立團隊是否能夠取得相同的結果。

施拉米格也希望避免任何可能的偏見。他擔心了解預期值可能會潛意識地影響他的分析。為了避免這種情況，他要求他的同事帕特里​​克·阿博特（Patrick Abbott）對一些數據進行打亂。

雅培從涉及某些實驗品質的測量中刪除了一個隱藏值。只有阿博特知道這個數字。在打開信封之前，施拉明格無法知道他的實驗產生的真正價值。

真相時刻

有一次信封差點就被打開了。 2022 年，施拉明格準備公佈結果，但在意識到微妙的氣壓效應可能影響測量結果後在最後一刻停止了。他推遲了演示並繼續完善分析。

終於，2024 年 7 月 11 日，在科羅拉多州奧羅拉舉行的年度電磁精密測量會議上，這一刻到來了。

施拉明格缺席了會議上午的會議，因為他擔心溫度波動、壓力變化和其他可能扭曲結果的小影響。 「我真的幾乎完成了實驗中的所有任務，」他說。

在下午的演講中，他打開信封並讀出了雅培的隱藏號碼。起初，他感到如釋重負。為了使實驗符合預期，秘密值必須很大且為負值。

曾是

但隨著日子一天天過去，這種輕鬆感逐漸消失。這個數字太高，以至於 NIST 結果無法與法國早期的實驗相符。

Big G 的新差異

經過兩年多的研究，施拉明格和他的合作者發表了他們的發現 計量學。他們的測量值 G 它是 6.67387×10^-11 米³/公斤/秒²比法國測量值低 0.0235%。

這聽起來可能微不足道，但物理學家認真對待這種差異。大多數其他基本常數都具有六位或更多有效數字，並且具有更大的一致性。

分歧不足以影響日常生活。它不會改變您在浴室秤上的體重，也不會改變製造商測量 16 盎司容器中花生醬等成分的方式。然而，縱觀整個科學史，微小的不一致有時預示著偉大的發現，並揭示了現有理論中隱藏的差距。

科學家如何測量重力

BIPM 和 NIST 實驗都依賴一種稱為扭轉天平的設備，該設備透過測量細纖維扭轉的程度來檢測非常小的力。

這項技術屬於英國物理學家亨利·卡文迪許 (Henry Cavendish)，他於 1798 年進行了一項開創性的重力實驗。卡文迪什將兩個鉛球懸掛在一根電線上，並在它們周圍放置了更大的質量。它們之間的引力導致懸掛的梁輕微旋轉，扭曲了電線。透過測量這種運動，卡文迪許計算出了重力。

BIPM 和 NIST 使用的現代版本要先進得多。該結構包括八個圓柱形金屬塊。四個較大的圓柱體位於一個旋轉的轉盤上，四個較小的物體懸掛在內部的一根像頭髮一樣粗的銅鈹帶上。

當外部質量吸引內部質量時，扭力天平轉動並扭曲磁帶。測量這個小運動就可以估計出大運動 G。

這些小組也使用了第二種電力技術。研究人員向內部質量附近的電極施加電壓，產生抵抗重力的靜電力。透過仔細調整張力直到天平停止轉動，他們獲得了另一個獨立的測量結果 G。

測試銅和藍寶石質量

施拉明格的團隊在實驗中增加了額外的步驟。為了確定材料本身是否會影響測量，他們使用銅和藍寶石質量塊重複了研究。

結果幾乎是相同的，群眾的組成並不是造成差異的原因。

儘管實驗並沒有解開圍繞著大的謎團 G它為越來越多的證據增添了另一個重要事實。

「每一次測量都很重要，因為真相很重要，」施拉明格說。 「對我來說，準確的測量是為宇宙帶來秩序的一種方式，無論數字是否符合預期值，」他補充道。

在花了十年時間尋找問題之後，施拉明格表示他已準備好繼續前進。

「我將把這個問題留給年輕一代的科學家來解決，」他補充道。

– 我們必須繼續前進。

大g vs 小g

牛頓萬有引力定律中含有「大」。 G”和“一點g”，但它們描述的是不同的東西。

小G指的是大物體（例如地球）附近的重力加速度。在地球表面，g 約為 9.8 m/s2。在月球上，由於月球質量較小，重力較弱，小 g 約為 1.62 m/s。²。

大的 G雖然它被認為是普遍的。科學家認為，它在宇宙中的任何地方都具有相同的價值。它決定任兩個物體、行星、人或實驗室重量之間的引力。

牛頓方程式透過將兩個質量相乘，除以它們之間的距離的平方，然後乘以 G 的大小來計算重力。用數學形式表示，該定律表示如下。 通用汽車₁米₂/r²。