牛頓萬有引力定律指出了使蘋果落地的力和維系行星沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)的力本質(zhì)一致,而這種力在我們生活中無處不在,小到看不見的基本粒子,大到宇宙天體,這就是“萬有引力”。要計(jì)算物體間的萬有引力,則需知道引力常數(shù)G的大小,但令人遺憾的是,截止目前我們并不知道G的精確值是多少。對(duì)萬有引力常數(shù)G的精確測(cè)量不僅具有計(jì)量學(xué)上的意義,其對(duì)于檢驗(yàn)牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規(guī)律都具有重要意義。
萬有引力常數(shù)G是人類認(rèn)識(shí)的第一個(gè)基本常數(shù),但是G值的測(cè)量精度是目前所有基本常數(shù)中最差的,以往國際上不同實(shí)驗(yàn)小組的G值測(cè)量的相對(duì)精度雖然接近10-5,相互之間的吻合程度僅達(dá)到10-4的水平,因?yàn)榫葐栴}很多與之相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)難題至今無法解決。此次羅俊院士團(tuán)隊(duì)采用兩種不同方法測(cè)G,精度均達(dá)到國際最好水平,吻合程度接近10-5的水平,這將為提升我國在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的話語權(quán)、為物理學(xué)界確定高精度的引力常數(shù)G的推薦值做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。
扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告
羅俊團(tuán)隊(duì)從上世紀(jì)八十年代就已開始采用扭秤技術(shù)精確測(cè)量萬有引力常數(shù)G,歷經(jīng)十多年的努力于1999年得到了第一個(gè)G值,被隨后歷屆的國際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)(CODATA)錄用??茖W(xué)探索的腳步?jīng)]有就此止步,該團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了一系列優(yōu)化以及對(duì)各項(xiàng)誤差進(jìn)行更深入的研究,又歷時(shí)十年,于2009年發(fā)表了新的結(jié)果,相對(duì)精度達(dá)到26ppm。該結(jié)果是當(dāng)時(shí)采用扭秤周期法得到的最高精度的G值,也被隨后的歷屆CODATA所收錄命名為HUST-09。如今,又經(jīng)過一個(gè)十年的沉淀,羅俊院士團(tuán)隊(duì)再次一鳴驚人,采用兩種不同方法測(cè)G,給出了目前國際上最高精度的G值,相對(duì)不確定度優(yōu)于12ppm,實(shí)現(xiàn)了對(duì)國際頂尖水平的趕超。羅俊院士團(tuán)隊(duì)所在的華中大引力中心在短短30多年里,從無到有,從有到強(qiáng),逐步走向世界前沿,被國際同行稱為“世界的引力中心”。
在學(xué)界,G值的測(cè)量原理早已十分明確,但測(cè)量過程卻異常繁瑣、復(fù)雜。在一種測(cè)量方法中,往往包含近百項(xiàng)的誤差需要評(píng)估。本次實(shí)驗(yàn)中,為了增加測(cè)量結(jié)果的可靠性,實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)同時(shí)使用了兩種獨(dú)立的方法,分別是扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法。這兩種實(shí)驗(yàn)方法雖已不再新奇,但與兩種方法相關(guān)的裝置設(shè)計(jì)及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均需團(tuán)隊(duì)成員自己摸索、自主研制完成。在此過程中一批高精端的儀器設(shè)備被研發(fā),且其中很多儀器已在地球重力場的測(cè)量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用。如團(tuán)隊(duì)發(fā)展的精密扭秤技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在衛(wèi)星微推進(jìn)器的微推力標(biāo)定、空間慣性傳感器的地面標(biāo)定等方面,這些儀器將為精密重力測(cè)量國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施以及空間引力波探測(cè)——“天琴計(jì)劃”的順利實(shí)施奠定良好的基礎(chǔ)。
論文的通訊作者之一、團(tuán)隊(duì)核心成員、我校引力中心楊山清教授感慨道:從上世紀(jì)80年代羅老師開始進(jìn)行萬有引力常數(shù)G的精確測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究至今,他已將其看作是畢生的事業(yè),幾十年如一日的在山洞實(shí)驗(yàn)室工作。羅老師不僅給我們提供了方向的指引,同時(shí)以身作則,對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的每個(gè)重要階段他都主動(dòng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員一起分析、討論并指導(dǎo)大家做實(shí)驗(yàn)。一批兼具理論與實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才在此過程中得以成長。測(cè)G是一項(xiàng)艱苦而又繁瑣的工作,一個(gè)結(jié)果的得出往往需要幾十年時(shí)間的摸索,每當(dāng)大家想要放棄時(shí),羅老師總是能及時(shí)給予鼓勵(lì)。正是因?yàn)檫@樣,團(tuán)隊(duì)成員心里也一直憋著一股拼勁兒,誓將這個(gè)實(shí)驗(yàn)攻下!
“G值的測(cè)量并非一勞永逸,它需要有科學(xué)家持續(xù)為它‘保鮮’,但是對(duì)它的測(cè)量又及其艱辛,而羅俊團(tuán)隊(duì)通過30年的努力,貢獻(xiàn)了目前世界上最為精確的G值,中國應(yīng)該為擁有這樣一個(gè)能夠持之以恒并永遠(yuǎn)保有熱情的團(tuán)隊(duì)而驕傲!”美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所聯(lián)合的研究所JILA實(shí)驗(yàn)室前主席、美國總統(tǒng)科技獎(jiǎng)獲得者James E. Faller教授對(duì)此次羅俊團(tuán)隊(duì)取得的成績這樣評(píng)價(jià)道。
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