如果你涉足过物理研究界，那你可能听说过大G之争。
通用的引力常数G被亲切地称为“大G”(以便与代表重力加速度的小g区分开来)，它是一个自然的基本常数。有了它，那个用来表示宇宙中任何两个物体(无论是行星、人还是办公用品)之间的重力吸引力的著名方程就完美了。
自牛顿在三百多年前首次确定了质量与引力之间的关系以来，历代科学家们一直都在试图了解引力的力量。但是，经过了数个世纪的测量，这个常数仍然只有3位数字是有意义的，比任何其他自然常数都少得多。比如，电子的质量有约8位数字是有意义的。
此外，G测量结果值变得越来越复杂，不但没有向某一个值收敛的趋势，反而彼此之间的差距还越来越大，误差条通常都不重叠。
NIST物理测量实验室(PML)副主任CarlWilliams说：“大G的问题一直是令人困扰，我们为了确定这个值所做的工作越多，分歧似乎就越大。对于这个问题，任何一个计量学家都不会高兴。”
尽管缺乏收敛性，但大多数这些不同的结果都开始集中在某个值周围。不过还是存在一些明显的异常值，例如国际度量衡局(BIPM)在过去15年里进行的一组官方实验。
NIST博士后研究员朱利安·斯特林(JulianStirling)说：“一个很大的争议是：我们是不是没有完全理解重力这个理论呢?可能存在这样一种小概率事件，我们对重力的理解也许就是错误的，因此这些实验都会有一些细微的出入，结果就导致这些实验的结果值与其他大G的实验结果不同，这个想法会很有意思。”
他又说，一个不太有意思但更有可能的答案是，系统误差已经进入BIPM测量值。因此，两年前，BIPM科学家和世界上其他努力测量大G的领军人物齐聚一堂，决定这些测试用同一组设备再重新进行一次，但要在不同的场所里由不同的团队来进行。
NIST研究人员接受了这项挑战，目前正在准备重新使用做了一些升级的原始设备进行这项BIPM实验。
扭秤
G之所以难以测量的部分原因是，与其他基本力相比它太弱了。其值很小，约为6.67×10-11m3kg-1s-2，相当于电磁力的数万亿亿亿分之一。
斯特林说：“两辆相邻停放的轿车之间的重力，仅仅是分离两张即时贴的力量的十万分之一。也正是因为这个原因，造成重力是所有基本常数中最不为人了解的一个。”
该图表比较了测量大G的十几项实验结果。垂直条纹代表G的最近推荐值(黑线)与其误差条(灰色)。最右边两个蓝色线条是两个偏离的BIPM测量值。
Credit：StephanSchlamminger/NIST
BIPM在实验中使用一种扭力天平来测量G，这种方法比较常见，最早是由英国科学家亨利·卡文迪什(HenryCavendish)在1798年首次测量使用。这种装置是测量相对较小的质量之间的重力，通常是可以握在手中的金属球体或圆柱体，测量金属丝或金属条的扭转或扭矩。
BIPM所使用的扭力天平比卡文迪什原来使用的天平要复杂得多。它使用8个质量块，都是由铜和碲合金制成的圆柱体。4个位于圆形转盘上，这个转盘可以在测量之间旋转。[iv]另外4个质量稍小的圆柱体位于转盘内一个圆盘上，这个圆盘通过一根2.5mm宽、160mm长、厚度相当于人头发的铜-铍金属丝悬挂于天平顶部。
将质量块固定放置于转盘外部，使其与转盘内部的质量块保持均衡，达到平衡状态。不过，当转盘外部的质量块转向一个新的方向时，转盘内部的质量块会感觉到一个净拉力。重力会导致内部质量块向外部质量块迁移，使悬挂它们的金属丝发生扭转。地球的重力不会影响测量值，因为质量之间的吸引力垂直于行星的引力。
将金属丝扭转一定程度所需要的力的大小是已知的。因此，使用激光和金属丝顶部的镜子，科学家可以测量内部质量块向固定的外部质量块行进的物理距离，从而计算它们之间的万有引力。而且，有了这些测量值就可以填补牛顿引力方程中的空白来计算大G.
实时几何量测量
当然，测量大G的研究人员还需要测量牛顿引力方程中的其他量值。也就是说，需要知道其所有零部件的精确质量和位置，“每个孔、每个块和每个螺丝钉，”斯特林说。而这就需要用到坐标测量机(CMM)。
CMM用于几何量的高精度测量。此处使用的特殊CMM是一个巨大的花岗岩台面，带有高架触摸探头，可以从三维角度测量物体上点与点之间的距离，测量不确定度可能只有百万分之一米的一半。
在实验开始之前，先用CMM探测扭力天平的各个部分。但在实验过程中也会使用CMM，以确保这些圆柱体之间的距离测量值具有高精度。每次大G的测量都在真空中进行，因此只有外部的圆柱体可以接近真空盖。
目前，这个研究团队还在实验的准备阶段。2016年夏天，一台新的CMM已经交付给NIST，其尺寸大小足以用于该实验。事实上，这台CMM尺寸太大，必须将其拆开、降低高度，才能通过实验室楼层上的通风口，实验室大约在地面以下四层楼的位置，并且还得拆下一面墙才能使其进入测量室。
虽然硬件都来自BIPM，不过NIST还是做了一些更新。“我们不得不更换了许多电子器件，”Stirling说，“而且这些计算机在过去15年里也有所改变。”
“我们非常兴奋，但也有点担心，不知道我们是否可以梳理清楚这种误差，并非常明确地识别出这个测量偏差或某种未知的物理量，甚至是某种新的物理量，从而能够解释现有的结果，”PML量子测量部门负责人JonPratt说。“令人担心的地方显而易见：这个实验中的偏差或某个未知的物理量根本找不到最有可能的解释，而且它们也非常难以发现，因为世界上最优秀的一些测量科学家已经尽了最大的努力来消除他们!对我们来说，让人兴奋的部分可能不那么明显：简单来说，梳理这种误差正是科学所关心的，也是我们在NIST工作的一个目的。”
图中所示为CMM的交付安装情况，NIST将使用这台CMM来重复BIPM的大G测量实验。为了进入实验室，最大的部件必须通过起重机降低至位于地下大约12米的通风管道中。