今天我們要討論的話題是牛頓萬有引力常數，也就是大家熟知的大G，這個常數描述了任何兩個質量之間的引力的強度。但是，你們可能不知道的是，這個常數的精確值其實一直沒有被確定下來，而且近幾十年來，不同實驗室的測量結果還出現了不一致的現象。這到底是怎么回事呢？

牛頓萬有引力定律

首先，我們要回顧一下牛頓萬有引力定律是什么。牛頓在1687年出版了他的著作《自然哲學的數學原理》，也就是我們常說的《原理》。在這本書中，他提出了一個通用的物理定律，可以從經驗觀察中推導出來，這個定律就是萬有引力公式：

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這個公式表示，任何兩個點質量之間都存在著沿著它們連線方向的引力，這個力的大小與它們的質量乘積成正比，與它們之間的距離平方成反比。G 就是我們要討論的牛頓萬有引力常數，它反映了引力的強度。這個定律被認為是第一個偉大的統一，因為它把地球上的重力現象和天文學中已知的行為統一起來了。

但是，這個定律有一個問題，就是它沒有告訴我們G的具體值是多少。也就是說，我們不能從理論上預測G應該等于什么，而只能通過實驗來測量它。那么，人們是怎么測量 G 的呢？

測量G的方法

測量G的第一個實驗是在1798年由英國科學家亨利·卡文迪許進行的。他使用了一個叫做扭秤的裝置，它由一個懸掛在細絲上的水平桿組成，桿兩端各有一個小球。然后，在桿附近放置兩個大球，利用大球對小球產生的微弱引力來扭轉桿，并通過觀察細絲扭轉的角度來計算G的值。卡文迪許得到了G=6.74×10^-11N·m2/kg2結果，相當接近于現在的公認值。

卡文迪許實驗后來被不斷地改進和重復，以提高測量精度和消除誤差。例如，在2014年，在法國塞夫爾進行了一次使用扭秤法測量G的實驗，得到了G等于6.67545×10^-11 N·m2/kg2的結果。

除了扭秤法以外，還有其他一些方法可以用來測量 G ，例如擺鐘法、自由落體法、空洞法等等。這些方法的原理都是利用不同的方式來測量引力對物體運動的影響，然后通過一些數學公式來計算G的值。

G的不一致之謎

那么，問題來了。如果我們有這么多種方法來測量 G ，并且都能達到很高的精度，那么我們為什么還不能確定G的精確值呢？答案是，因為不同實驗室的測量結果并不一致，有的甚至超過了百分之一的偏差。也就是說，如果我們把所有的測量結果放在一起比較，我們會發現它們之間有一些差異，而這些差異超出了實驗誤差的范圍。這就是G的不一致之謎。

為了說明這個問題，我們可以看一下上面這張圖，它展示了從1982年到2015年間，世界各地的實驗室測量 G 的結果。每個點代表一個實驗結果，橫坐標是時間，縱坐標是G的值。我們可以看到，這些點并不在一條水平線上，而是分散在一個區域內，而且有些點還相差很遠。這就意味著，這些實驗結果之間存在著一些系統性的偏差，而不僅僅是隨機性的誤差。

解釋這些偏差

那么，這些偏差是怎么產生的呢？有幾種可能的解釋。

一種解釋是，這些偏差是由于實驗方法或設備的缺陷造成的。也就是說，每個實驗都有一些潛在的誤差來源，例如溫度、濕度、氣壓、電磁干擾、地震、噪音等等。這些因素可能會影響實驗裝置的穩定性和靈敏度，從而導致測量結果的偏移。為了消除這些誤差，實驗者需要對實驗條件進行嚴格的控制和校準，并且進行多次重復測量和統計分析。但是，即使這樣做了，也不能保證完全消除所有的誤差來源，因為有些誤差可能是難以發現或難以消除的。

另一種解釋是，這些偏差是由于G本身不是一個恒定的值造成的。也就是說，G可能會隨著時間、空間或其他物理量而變化。例如，G 可能會受到地球自轉、月球引潮、太陽活動、暗物質、暗能量等等的影響。如果這樣的話，那么不同地點或不同時間的測量結果就可能會有所不同。為了檢驗這種可能性，實驗者需要對G進行長期和全球性的監測，并且與其他物理理論進行比較和協調。

還有一種解釋是，這些偏差是由于牛頓萬有引力定律本身不完備造成的。也就是說，牛頓萬有引力定律只是一個近似的描述，并不能完全涵蓋所有引力現象。例如，在極端情況下，牛頓萬有引力定律就會失效，而需要用愛因斯坦的廣義相對論來代替。如果這樣的話，那么可能存在一些我們還沒有發現的引力現象，或者一些我們還沒有理解的引力機制，導致 G 的測量結果出現偏差。為了探索這種可能性，實驗者需要設計一些新的實驗方法或設備，或者尋找一些新的理論框架或模型，來解釋和預測G的行為。

未來的展望

目前，關于 G 的不一致之謎還沒有一個確定的答案。不同的實驗團隊都在努力提高測量精度和減少誤差，以期得到一個更可靠的結果。同時，也有一些理論物理學家在嘗試構建一些超越牛頓萬有引力定律和廣義相對論的新理論，來解釋 G 的可能變化或波動。這些工作都是非常有意義和有挑戰性的，因為它們不僅涉及到基礎物理學的問題，也關系到宇宙學和天體物理學的問題。