一粒自由的種子，將創(chuàng)造人類思維的花朵,、生命的綠葉,，人類探索世界的歷程是思維與智慧發(fā)展的不凡軌跡。對宇宙和自身雙向探索,，總是那么耀眼奪目,，而它是人類探索宇宙進程上的第一個常數(shù)，但確是迄今為止精確度最差的常數(shù),。它就是“引力常量（Gravitational constant）”,，符號：G。

據(jù)不完全統(tǒng)計,，基本物理常數(shù)有160余個之多,，覆蓋自然科學界各個領域。而“G”至始至終處于祖師爺?shù)牡匚?，今天我們一起來開啟“G”的探索之旅,！本文涉及到幾個重量級的科學家，論功力,，每一位都是獨霸一方的英雄豪杰,，其中最閃耀的三位是：胡克、牛頓,、卡文迪許,！

引力和萬有引力

說到“引力常量”，自然離不開引力,，而提到“引力”,，很多小朋友第一時間想到的便是牛頓，也許是高中的時候被牛頓折磨怕了,，認為凡是“物理的”,，就一定是“牛頓的”。事實上,，“引力”的概念很早之前就有,，同樣,，引力定律在牛頓之前的物理學家中是普遍知曉的，而牛頓的主要貢獻是“萬有引力”,，這里重點要強調的是“萬有”二字,，而非“引力”！接下來,，我們首先一起梳理一下“引力”和“萬有引力”的發(fā)現(xiàn)歷程,！

①猜想階段

公元前4世紀，亞里士多德提出：“引力來源于物體的天然位置,?！惫湃丝匆娞焐蠏鞚M星星,，猜想有一種力在之間起作用,，可以說是“引力”的最初模型，和我們今天所認知的“引力”差不多,。但猜想畢竟是猜想,，并沒有實質上的突破，并且這種狀態(tài)要持續(xù)近兩千年,！

②假設階段

1619年,，開普勒，太陽與行星之間有相互感應的磁力（沿切線方向）,，太陽發(fā)出“引力流”,。

1632年，伽利略,，兩個鐵球同時落地,，即下落與重量無關，行星繞日作圓慣性運動,。

在“日心說”和“地心說”的交替轟擊下,，人們漸漸知道了實驗對于科學的價值，假設情況雖然和今天的理論有些出入,，但就是在這種假設的指引下,，科學大咖們開啟了進一步的研究！

③研究階段

1661年,，胡克,，在地面、高山,、礦井作試驗,，找尋引力F和距離r的關系，但并沒有什么結果,，多年后的二次試驗,，提出了引力和距離的關系式,！

1673年，惠更斯,，發(fā)現(xiàn)離心力公式,，用一碗水試驗支持笛卡爾漩渦說。離心力公式為天體的運動研究提供了強有力的理論支持,！

1679年,，胡克、哈雷,、雷恩,。已知力，求不出是何種運動,。對引力有更深層的理解,，但在引力的作用下，天體運動時什么樣的,，還不得而知,！

1680年，胡克,，在給牛頓的一封信中,，提出了引力反比于距離的平方的猜測，并問道：如果是這樣,，行星的軌道將是什么形狀,？困難在于太陽和行星都是很大的物體，在理論上能否把他們當作質點來處理,。但是牛大大并沒有回復,。

胡克的研究停滯于此，下面是牛頓個人showtime,！

“只是因為在人群中多看了你一眼”,，牛頓說：只是你的信我多讀了幾遍。牛頓幾乎是按照胡克的思路去做研究,，但不知出于什么原因,，他一直沒有把證明的結果告訴胡克或任何人?？茖W家的心思你別猜,，別猜別猜！

1684年8月，天文學家哈雷來訪，（只說哈雷,，沒人認識,，但要是說到哈雷慧星，那是無人不知無人不曉啦,！沒錯,，這個哈雷就是那個擁有彗星坐騎的男人！）

哈雷說：“我和雷恩都不能解決行星運動這個問題,，胡克大哥整天在酒桌上說自己已經(jīng)解決了這個問題,，啥啥都不叫事兒！但每次問他公式是啥,，他要么不勝酒力,，要么尿遁回家！”

牛頓聽了以后,，馬上回答：“是橢圓,！”

哈雷：“你怎么知道的？”

牛頓：“我算的??！”

哈雷：“給我看看,？”

牛頓：“行,，我給你找找！”

要不說單身男人的日子不好過呢,，牛頓就是單身男人的典型代表,，那屋讓他糟蹋的，用現(xiàn)在的話說,，連個下腳的地方都沒有,。牛頓轉身鉆進屋子，霹靂哐當半小時,，牛大哥果然沒讓大家失望,，雙手一攤，說：“沒找著,！”

哈雷心說：“我要不是個知識分子,，我就罵街了！”當聽完牛頓的下一句話的時候,，哈雷又樂了,，牛頓說：“回去等著，我再給你算一遍,！”

三個月后,，哈雷收到了牛頓的一篇9頁長的論文。這篇論文沒有題目，人們通常稱之為《論運動》,，手稿印證了引力平方反比定律及其計算方法,。

1687年，在哈雷的資助下,，出版了《自然哲學的數(shù)學原理》,。并在書中提出萬有引力定律，具體表述如下：任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引,。該引力的大小與它們的質量乘積成正比,，與它們的距離平方成反比，與兩物體的化學本質或物理狀態(tài)以及中介物質無關,。用積分法解決了把球心作為整個球的質心問題,，解決了引力定律建立中最后一個難題，并推廣到一切物體,。

牛頓似乎破譯了上帝留在人間的密碼,，但其中還有一個任務沒有完成,，就是比例常數(shù)G，也就是引力常量的數(shù)值,。

”Nature?and?nature’s?law?lay?hid?in?night?

God?said：let?Newton?be?

And?all?was?light”

（?自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中,，上帝說：讓牛頓去吧，于是一切成為光明,。）

直到這一段話鐫刻在牛頓的墓志銘之上,！牛頓本人也并未能測出G的數(shù)值。

需要什么才能測量G,？有人多天文學家預言G不能測,，要知道一旦測出G的值，通過萬有引力公式,，可以求出地球的質量,，一旦知曉了地球質量，其他星球的質量也就知道了,。誰能完成這個偉大的任務,，歷史在期待這個人的出現(xiàn)！

第一個“稱量”地球的人

1731年10月,，坐標：法國尼斯,，亨利·卡文迪許出生。和牛頓一樣,，卡文迪許也是終身未婚,。令牛頓萬萬沒想到的是，自己至死都沒有解決的問題，卻被卡文迪許用一種非常巧妙的方式解決了,！

一天卡文迪許在散步,，路上見到隔壁村的張二狗和李鐵蛋在打賭，兩個人爭得面紅耳赤,，誰也不服誰,。懷有知識分子的正義感，卡文迪許準備過去幫忙評評理,，過去一問,，原來這兩位大哥的打賭內容是地球究竟有多重？面對這么高端的話題,，卡文迪許行抱拳禮,，大喊一聲：“告辭！”

雖然張二狗他們的測量方法及其可笑,，而卡文迪許也不知道地球究竟有多重,，但他已然悄悄做了個決定：我要主持這個正義！

說干就干,，卡文迪許著手研究這個問題,，但去發(fā)現(xiàn)自己根本無從下手，后來終于把目標鎖定在“萬有引力”,，堅信萬有引力才是測出地球質量的唯一方法,！而精確的測量出G的值，是本題的最優(yōu)解法,！

卡文迪許用一根鍍銀銅絲吊起一個長木桿,，在桿的兩端各固定一個直徑2英寸的小鉛球,，兩用兩顆固定的直徑12英寸的大鉛球去吸引它們,。如果能夠測出鉛球的間引力引起的擺動周期，就能計算兩個鉛球的引力,，從而代入公式可求得“引力常量”,。

想法確實很美好，但是問題出來了,，要知道這兩個鉛球之間的引力大概只有百億分之一N,，簡直太微弱了，就算是空氣中的灰塵都能很大程度的影響該實驗的精確度,，而且觀測上的難度也非常大,，鉛球之間的微弱運動肉眼很難觀察！一連幾天,，卡文迪許茶飯不思,，蓬頭垢面，把自己關在實驗室中，冥思苦想,！

忽然,，眼前出現(xiàn)了一道光亮，原來是馬路上的小孩子在玩鏡子反射的游戲,，本人小時候也玩過,，一人手里拿個小鏡子，專往別人眼睛上晃,，討厭至極,！小孩子的在打鬧的過程中，把光晃到了卡文迪許的實驗室當中,?？ㄎ牡显S站在窗前，面色凝重的注視著幾個小孩子,，小孩子們也沒注意到窗前的這個怪蜀黍,。

鏡子只要稍一轉動,，遠處的光點位置就發(fā)生很大的變化，卡文迪許似乎茅塞頓開,，嘴角泛起一絲微笑,！

扭秤實驗

卡文迪許將自己實驗器材進行一番革新，他把一面小鏡子固定在石英絲上,，用一束光線去照射,，只要石英絲有輕微的扭動，通過鏡子反射后的光線就會被放大到遠處的刻度尺上,，只要一點點的扭動,，在刻度尺上就表示的很明顯！孩童的游戲大大提高了實驗的靈敏度,，這就是著名的“扭秤實驗”,。

該裝置巧妙之處在于：一是運用轉化原理，即力與力矩,、扭絲轉角,、光標位移的關系；二是運用放大原理,，即采用T字架,，增大力臂；利用反射光線,，拉開鏡子與標尺的距離,，增大反射光對應的光標變化,，大大提高了實驗的精度。

通過“放大”,，卡文迪許測量了鉛球之間的引力,，并推算出“引力常數(shù)”的值：6. 754×10^-11 N·m2/kg2。這一數(shù)值的測定,，說是前無古人那是一定的,，后無來者到是不至于，但是后面的來者來的也有點晚,，在八,、九十年間竟無人能趕超他的測量精度，就是現(xiàn)在看來,，卡文迪許的測量仍有相當好的精確度,。（1979年G的測量值為6. 6720×10^-11N·m2/kg2）

他通過測定的G值算出地球的平均密度為水密度的5. 481倍，成為 “稱量地球第一人”,。

最富有的學者,，最博學的富翁

卡文迪許出身于貴族家庭,，家產豐厚，名副其實的富二代,，在50多歲時又先后從去世的父親和姑母處得到兩大筆遺產,，瞬間成為百萬富翁。然而他一心專注于科學,，不近女色,，生活樸素，衣服沒有一件是沒破的,。對金錢毫無概念,，有一次，他的一個仆人病了,，向他借錢治病,，他毫不猶豫地開了一張一萬英鎊的支票，仆人幾輩子也賺不到這么多錢啊,，顫抖的握著支票，眼淚在眼眶里打轉,，卡文迪許以為對方是嫌少了,，又問了一句：“夠不夠用啊,？”話音剛落,，眼淚再也控制不住的流了下來,！

卡文迪許實驗室--諾貝爾獎的搖籃

卡文迪許逝世后,，后人將他工作過的實驗室命名為卡文迪許實驗室，后來發(fā)展為包括整個物理系在內的科研與教育中心,，該中心注重獨立的,、系統(tǒng)的、集團性的開拓性實驗和理論探索 ,，造就了數(shù)位著名的物理學大師,，近百年來培養(yǎng)出諾貝爾獎獲得者 26人，名副其實的“諾獎?chuàng)u籃”,，如果能踏進卡文迪許實驗室,，就相當于獲得了半個諾貝爾獎！

任重而道遠

自卡文迪許測量G之后,，幾百年間,，實驗物理學家為提高G精度付出了巨大努力，但遺憾的是,，至今G值測量精度在所有物理學基本常數(shù)中卻是最差的,。總的來看,，國際上達成的一個共識是：高精度的測量G值是當前最具挑戰(zhàn)性的實驗之一,，繼續(xù)測量G值是十分重要且必要的。G的廬山真面目也會越來越清晰,，讓我們共同期待,！

【參考文獻 】

王希明，中學自然科學名人詞典.北京: 知識出版社, 1988.

陳昌曙,，遠德玉.自然科學發(fā)展簡史.沈陽: 遼寧科學技術出版社, 1984.

何萬齡,，卡文迪許趣聞。中學物理教學參考,1994 ( 8): 40