利用冷原子精密测量牛顿万有引力常数

迄今为止，已有约 300 项实验试图确定牛顿万有引力常数 $G$ 的值，但结果中的巨大差异使得无法精确知晓其数值。引力相互作用的微弱性以及无法屏蔽引力效应，使得在控制系统误差的同时测量 $G$ 变得非常困难。此前进行的大多数实验均基于扭摆或扭秤方案（如 Cavendish 于 1798 年进行的实验），且在所有情况下均使用了宏观质量。在此，我们报告了利用激光冷却原子和量子干涉技术对 $G$ 进行的精密测定。我们获得的值为 $G=6.67191(99) \times 10^{-11} \text{ m}^3 \text{ kg}^{-1} \text{ s}^{-2}$，相对不确定度为 150 ppm（括号内给出的是合成标准不确定度）。我们的值与科学技术数据委员会 (CODATA) 当前的推荐值相差 1.5 个合成标准差。像我们这样概念上不同的实验有助于识别以往实验中难以捉摸的系统误差，从而提高对 $G$ 值的置信度。$G$ 与其他基本常数之间没有确定的关系，也没有对其数值的理论预测可供检验实验结果。提高我们对 $G$ 认知的精度不仅具有纯粹的计量学意义，而且由于 $G$ 在引力理论、宇宙学、粒子物理、天体物理以及地球物理模型中的关键作用，这也至关重要。