特里·奎因：要确定牛顿万有引力定律中的耦合常数颇具挑战性，但这在超稳定的实验室中是可能做到的
以七个物理常数为基础，重新定义国际单位体系（SI）的计划正在进行中――例如，千克是与普朗克常数的数值相关联的，而不是当下通用的依据白金铱圆柱的质量所作的定义。
这七个常数有助于解释和预测宇宙的运动和行为。但有一个常数没包括在内，即被我们称之为G的常数：牛顿万有引力定律中的耦合常数。
G（如此称呼它，是为了将它与由于地球表面的重力而产生的加速度g区分开来）有一个问题。坦率地说，目前对它的测量分布在许多地方。在过去的十多年间，进行的七个独立的实验，得出了大约有0.05％的误差分布的结果。作为物理学的一个基本常数，这是非常不精确的。
这种不确定性对于日常生活几乎没什么影响，而且爱因斯坦的广义相对论早已取代了牛顿的万有引力定律，已经成为科学家们在大尺度上考虑物理学的途径。然而，牛顿定律在对行星和它们的卫星、人造卫星以及空间探测器的运动进行预测方面，仍然有足够的精确度（我们不将G值与对这些运动的计算分开，因为相关方程依赖于它们的质量和G的结合）。
对于一位科学家而言,G值的不精确性令人感到不愉快。此外，还有一个可靠的科学论据有待解决。对于和量子电动力学相一致的量子引力理论的探求，也许是理论物理学中最活跃的领域。有一天，我们可能将不得不通过比较G的预测值与真实的情况来检验这些理论――所以我们需要一个精确的实验值。
在地球上尝试测量G值的物理学家们的问题是，虽然在天文尺度上万有引力的强度是巨大的，但在实验室中它却非常小。万有引力使得行星保持在它们的轨道上围绕太阳运转，使亿万颗星星置身于银河系的怀抱。然而，这与一对1千克重的铜球发生碰撞时所形成的是同样性质的引力，只不过一个是另一个的10-8倍。
“当结果正如人们所预期的那样时，就会有一个几乎无法抗拒的力迫使其停止下来。”
要获得这种微弱的信号，实验室本身必须是机械地处于稳定状态，地面振动小、倾斜度低，并且其装置的温度稳定在1摄氏度的千分之几。
假设不存在一个能够解释为什么在不同的地方对G的测量值会有所不同（不太可能出现这一现象）的隐藏在背后的物理学，那么为什么又会出现这样一个结果的传播呢？问题就出在系统误差――这是在每一个基本常数的绝对测定中都会出现的幽灵。无论人们试图在多大程度上考虑测量中误差出现的可能性，原则上都不可能证明其不存在。要让人相信的唯一途径就是使用若干不同的方法来测量同一个常数。这不仅在对大自然的基本常数的测量中是真理，对其他任何事物的测量莫不如此。
在国际度量衡局时，我们设计过一个实验，在相同的装置中用两种几乎完全不同的方法对G值进行了测量。我们的研究结果都处于G值区间的高端。它们没有任何一个G实验的不确定度的最小值，但它们是仅有的已被重复的，而且是唯一用超过一种方法操作的G实验。我们的原文发表在2001年，并于去年进行了后续研究。
还有另一个，也是更加微妙的问题，这与实验者的行为有关。在对G值，或对任何其他常数的测量中，人们总是以对其数值的美好的想法作为开始的。随着数据的产生，情况开始变得大致清晰起来，最终的结果就在其中。随后还需要有更多的数据用来提炼数值，并修正或大或小的误差。
那么，进展到哪一步实验者才应该停止对误差的寻找呢？当结果正如人们所预期的那样时，就会有一个几乎无法抗拒的力迫使其停止下来。由于实验者解决了一个问题，但又产生了的另一个问题――原本的误差被错过，而隐藏了结果，因而浪费了宝贵的时间和努力。
因此，找到真正的G值很困难，但我相信这可以做到。但必须要进行新的努力，运用新的测量方法。马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准和技术研究所，和特丁顿的英国国家物理实验室已有的或正在建设的超稳定的计量实验室，都为确定G值提供了最好的机会。我已经建议他们开展G实验研究――当然，我希望其结果能被用来提高国际计量局实验的解释。
这是否值得呢？答案肯定为“是”。在今年2月在伦敦皇家学会举办的，由我和英国伯明翰大学的克莱夫·斯比克（Clive Speake），以及中国武汉华中科技大学的罗军（音译）组织的一个由物理学家和计量专家参与的会议上，再次作出我的理由陈述。会议的主题是“万有引力的牛顿常数，是一个难以测量的常数吗？”答案肯定是“不”。
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣
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本文作者：特里•奎因（Terry Quinn），前国际度量衡局（BIPM）主任。