根據傳說，伽利略在比薩斜塔上做的第一個實驗表明，不論質量如何，所有物體會以相同的速度下落。在沒有(或忽略)空氣阻力的情況下，任何兩個物體在引力場中下落，都會以相同的速度加速到地面。這後來被編成了一條準則，作為牛頓對引力問題研究的一部分。

什麼是G?以及重要性

當我們第一次開始制定物理定律時，我們憑藉以往的經驗並通過嚴謹的實驗，就像伽利略可能做過的比薩斜塔實驗一樣，把球從塔上扔下去，我們可以測量球落下的距離和落地的時間。釋放一個鐘擺，我們可以找到鐘擺的長度和擺動時間之間的關係。這時我們就會發現在一定距離、長度和時間上會存在一種關係:墜落物體的距離與時間的平方成正比；鐘擺的周期與鐘擺長度的平方成正比。

但是要把這些關係寫成完美的數學公式，我就需要十分精確的測量出一個常量。

太陽系內部的行星軌道並不完全是圓形的，其中以水星和火星的軌道偏離和橢圓度最大。在19世紀中期，科學家們開始注意到水星的運動偏離了牛頓引力的預測，這一微小的偏離只有在20世紀才被廣義相對論所解釋。同樣的萬有引力定律和常數，描述了從地球到宇宙的所有尺度上的引力效應。

在這些例子中，月亮圍繞地球轉，行星圍繞太陽轉，光線因引力透鏡而彎曲，彗星從太陽系中逃逸時會損失能量，所有這些都與引力常數G相關。在16世紀40年代和50年代，牛頓出現之前，義大利科學家弗朗切斯科·馬爾迪和喬瓦尼·里奇奧利就首次計算了引力常數，這意味著G是有史以來第一個基本常數，甚至在奧勒·羅默於1676年測定光速之前。

當我們把宇宙中的任意兩個質量物體放在一起時，它們會相互吸引。根據牛頓定律，除了在自然界中最極端的質量(對於大質量)和距離(對於小距離)的條件下，吸引力與兩個物體的質量(之間的距離)和重力常數有關。幾個世紀以來，我們已經將許多基本常數的測量精確到了十分驚人的程度。看下下面兩個重要的常數，你就能深刻的體會到什麼叫精確。光速c是眾所周知的:299792458米/秒。普朗克常數h控制量子的相互作用，其值為1.05457180 × 10^-34 J⋅s，不確定度為±0.000000013×10^-34 J⋅s。

但G？這完全是另一回事。

無論使用牛頓還是愛因斯坦的引力公式，力的強度部分取決於重力常數的值，重力常數的值必須憑經驗來測量，不能從任何其他量中導出。

Q1、看起來十分精確的G值

在20世紀30年代，由科學家保羅·海勒測量G的值為6.67×10^-11 N/kg⋅m²，後經1940年改進為6.673×10^-11 N/kg⋅m²。隨著時間的推移，數值是越來越精確，不確定性從0.1%一直下降到20世紀90年代末的0.04%。

在一份舊的粒子數據手冊上，給出了一些物理學的基本常數，我們可以在裡面找到一個看起來很不錯的G值:6.67259 × 10^-11 N/kg ⋅m²，不確定度僅為0.00085 × 10^-11 N/kg ⋅m²。這似乎G的值已經十分精確了。

Q2、但後來發生了一件有趣的事。

在1998年晚些時候，同年進行的實驗顯示了一個與已知值不一致的高值:6.674×10^-11·N/kg·m²。多個團隊使用不同的方法，得到的G值在0.15%的水平上相互衝突，是以前報告中不確定性的十倍以上。

Q3、怎麼會出這種事？

獨立於其他未知因素(如太陽質量或地球質量)的重力常數測量是在18世紀末亨利·卡文迪許的實驗中完成的。卡文迪許開發了一個扭轉平衡的實驗，在實驗中，一個微型槓鈴被一根金屬絲懸掛著，保持著非常完美的平衡。兩端的每一個質量附近都有兩個較大的質量，大球質量將吸引較小的小球質量。只要質量和距離已知，通過微型槓鈴所經過的扭轉量，我們就能測量出重力常數。

儘管人類的科技水平和物理學水平在過去200多年裡取得了巨大的進步，但是在最初的卡文迪許實驗中使用的扭杆原理在今天仍然被用於G的測量。截止到2018年，還沒有任何測量技術或實驗裝置能夠提供更好的實驗結果。這一點讓我們很不理解。

關於G的測量，人們強烈懷疑影響測量結果的主要因素之一是，人們確認偏誤的心理因素，也稱為從眾心理。如果你是科學家，你的同事測量的值都是6.67259×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,這時你可能會期望得到類似6.67224×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,或6.67293×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,但如果你得到了類似6.67532×10 ^ -11 N /kg²⋅m²的值,你可能會想，自己是不是做錯了什麼事。

你可能會尋找錯誤的根源。你會重複一次又一次的實驗,知道你得出一個合理的值符合6.67259×10 ^ -11 N /kg²⋅m²。

1998年,巴格利和路德的團隊進行了扭秤實驗取得的結果為6.674 x 10 ^ -11 N /kg²/ m²,這次結果足以讓人們對以前報告的G值產生了懷疑。一個非常謹慎的團隊得到的G值結果與之前的結果相差了驚人的0.15%，那些早期結果的誤差比這個值的誤差低十倍以上。這就是1998年令科學界震驚的原因。

我國科學團隊在測量G值上的貢獻

扭力天平和扭力擺都是受到卡文迪什實驗的啟發設計出來的，並且在G值的測量方面一直領先其他最新的技術，甚至超過了最新的原子干涉實驗技術。我國的科學團隊從兩個獨立的測量實驗中獲得了迄今為止最精確的G值:6.674184 × 10^-11 N/kg ⋅m²和6.674484 × 10^-11 N/kg ⋅m²，每個測量的不確定性僅為百萬分之十一。

這兩個值可能在兩個標準偏差範圍內相互一致，但它們與其他科學團隊在過去15年中進行的其他測量不一致，這些測量的範圍從高達6.6757×10^-11·N/kg ⋅m²到低至6.6719×10^-11·N/kg ⋅m²

從6S軌道開始的原子躍遷(Delta_f1)定義了米、秒和光的速度。請注意，描述我們宇宙的基本量子常數的精確度是G的數千倍，但G是有史以來第一個測量到的常數。

宇宙的引力常數G是人們第一個測量的物理常數。可是，在我們首次確定G值的200多年後，與所有其他常數相比，我們對G的了解如此之少，這確實令人尷尬。從引力波到脈衝星周期，再到宇宙膨脹，我們在一系列的預測和計算中都使用了這個常數。但是我們確定G能力只限定於在實驗室進行的小規模實驗。從材料的密度到全球範圍內的地震振動，最微小的不確定性，都能影響我們對G值的判斷。除非我們能測量出十分精確的G值，否則在宇宙任何引力現象重要的地方中，都會存在一種巨大不確定性。現在，我們仍然不知道重力到底有多大。