从早期的摆实验到最先进的振动技术
引力常数 G 是物理学的核心支柱之一。尽管光速和基本电荷已被测定得极其精确，但即使在今天——距离牛顿提出该理论已近 350 年——G 的确切值仍然出人意料地不确定。这并不令人意外：引力比任何其他基本力都要弱几个数量级。 任何想要测量G值的人，都需要一套能够实现看似不可能之事的实验装置——即探测由纯粹的“超距作用”引发的、小于原子直径的微小位移。
苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的尤尔格·杜阿尔（Jürg Dual）领导的团队多年来一直致力于应对这一挑战，他们利用最先进的激光测量技术和巧妙的实验设计，树立了国际标杆。
第一步：将振动梁作为“重力传输器”
在2022年的一项实验中，研究团队借鉴了振动物理学中一个经典技巧：共振使得即使是非常微弱的激发也能被测得。 在瑞士一座山地要塞深处，一个隔音效果极佳的实验室里，两根长约1米的金属梁分别安装在真空腔内。其中一根梁被精确地激发振动，从而“发射”出引力信号，这些信号作用于相邻腔室中另一根经过共振调谐的金属梁。传递的力极其微小——仅在皮米量级（即十亿分之一毫米）！
此时，激光干涉测量技术便派上了用场：四台高精度激光振动计配合锁相放大器，测量了探测梁最微小的震动，过滤掉噪声并分离出真实信号。结果显示：测得的G值仅略高于国际标准值——这一结果通过最先进的误差分析获得，且具有进一步精化的明确潜力。
值得注意的是，这种动态方法最大限度地规避了传统实验中的缺陷，例如周围质量的影响。这是首次能够不仅在“静止”状态下，而且在运动状态下直接考察重力的作用。
最新进展：旋转杆作为振荡源（2023）
苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）并未止步于此。在他们2023年发表的最新研究中，该团队更进一步：研究人员没有使用线性振动的梁，而是采用了两根长0.5米、细长的旋转钨棒，将它们对称地布置在弯曲梁共振探测器的两侧。
通过同步旋转，他们产生了一个动态引力场，该引力场作用于机械上与共振探测器梁解耦的梁上。再次强调：真空环境、严密的隔离措施，以及对非引力干扰的极致抑制。
同样，研究人员再次采用了最先进的激光干涉测量技术来测量谐振器的微小位移。关键在于：为了使探测器条的激发达到最大，需将激发条的旋转频率精确调谐至探测器自然共振频率的一半或四分之一。如果所有参数——旋转速度、对准精度、温度——都完美匹配，测量结果也会完美吻合：探测器的振动与经典引力理论的预测惊人地一致。 研究团队系统地验证了没有任何其他干扰能够解释这一效应——从而证明了所观测信号确实源于引力。
结果：G = 6.6816 × 10−11 m³kg^(−1)s^(−2)，综合标准不确定度约为1.46%。该估算值比CODATA 2018的数值高出约0.1%
这一新方法证明：即使在采用宏观试样的实验室中，且在实验可及的频率范围内（几赫兹），也能够通过动态干涉测量法测量 重力，并 将其应用于共振实验——这在基础物理学领域实属首创。
激光测量技术的作用
如果没有光学干涉测量技术——尤其是激光振动计的应用，这些开创性的测量将无法实现。该技术提供的灵敏度可深入亚纳米量级，从而能够实时检测到最微小的振幅。干涉测量技术还能够精准抑制干扰信号、补偿环境影响，并实现数据的自动化处理。
目前面临的技术挑战包括整合更多环境参数以及进一步降低残余噪声。苏黎世联邦理工学院（ETH）的实验有力地证明，对于当今的精密测量和差分测量而言，基于激光的方法远优于传统传感器。
后果与展望
这两种实验方法都拓展了在实验室中直接测量引力常数的可能性边界。它们为塑造恒星、行星和星系的引力提供了可靠的数据，并为开发更精确的引力传感器、开展地球物理应用，甚至进行间接引力波探测铺平了道路。
对于基础研究而言，看到更先进的激光技术和数据分析方法可能带来的进展，令人振奋。不久之后，研究人员或许能够显著降低当前引力常数G的不确定度，甚至发现超越经典牛顿模型的新物理学的蛛丝马迹。
有一点是确定的：得益于巧妙的实验设计与激光测量的精确性相结合，我们如今能够观测到曾经被认为无法测量的现象。引力的微弱震颤，已化作向科学界发出的响亮讯息。
