引力是自然界4種基本力之一。由于引力相互作用極其微弱且不可屏蔽,因此,萬有引力常數(shù)G是最難測定的物理常數(shù)之一。多年來,各國科學(xué)家—直在追逐該常數(shù)的精確測量。
近日,權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《自然》刊發(fā)了中國科學(xué)院院士羅俊團(tuán)隊(duì)最新測G結(jié)果——該團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)艱辛30年,測出了截至目前常數(shù)G的最精確值。
牛頓萬有引力定律指出,使蘋果落地的力和維系行星沿橢圓軌道運(yùn)動的力本質(zhì)一致。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”。而要計(jì)算物體間的萬有引力,需知道引力常數(shù)G的大小。但令人遺憾的是,截至目前,我們并不知道G的精確值是多少。對萬有引力常數(shù)G的精確測量不僅具有計(jì)量學(xué)上的意義,對于檢驗(yàn)牛頓萬有引力定律,以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)識的第一個(gè)基本常數(shù),但是,G值的測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值測量的精度在10-5,相互之間的吻合程度僅達(dá)到10-4的水平,由于精度問題,很多與之相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)難題至今無法解決。羅俊團(tuán)隊(duì)此次采用兩種不同方法測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)界確定高精度引力常數(shù)G的推薦值,作出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。
羅俊團(tuán)隊(duì)從上世紀(jì)80年代就開始采用扭秤技術(shù)精確測量萬有引力常數(shù)G,歷經(jīng)10多年努力,于1999年得到了第一個(gè)G值,被隨后歷屆國際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(CODATA)錄用??茖W(xué)探索的腳步永不止步,該團(tuán)隊(duì)隨后對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了一系列優(yōu)化,并更深入研究了各項(xiàng)誤差,又歷時(shí)10年,于2009年發(fā)表了新的結(jié)果,相對精度達(dá)到26ppm(1ppm=百萬分之一)。這一結(jié)果是當(dāng)時(shí)采用扭秤周期法得到的最高精度G值,被隨后歷屆CODATA收錄命名為HUST-09。
如今,又經(jīng)過10年沉淀,羅俊團(tuán)隊(duì)再次“一鳴驚人”——采用兩種不同方法測G,給出了目前國際上最高精度的G值,相對不確定度優(yōu)于12ppm,實(shí)現(xiàn)了對國際頂尖水平的趕超。羅俊團(tuán)隊(duì)所在的引力中心在短短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值的測量原理早已十分明確,但測量過程卻異常繁瑣、復(fù)雜。在一種測量方法中,往往包含近百項(xiàng)誤差需要評估。本次實(shí)驗(yàn)中,為增加測量結(jié)果的可靠性,實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)同時(shí)采用了兩種獨(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),以及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均需團(tuán)隊(duì)獨(dú)自摸索、自主研制完成。在此過程中,研發(fā)出一批高精端的儀器設(shè)備,且其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用。
以團(tuán)隊(duì)發(fā)展的精密扭秤技術(shù)為例,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量國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,以及空間引力波探測——“天琴計(jì)劃”的順利實(shí)施奠定良好基礎(chǔ)。
“從上世紀(jì)80年代開展萬有引力常數(shù)G的精確測量實(shí)驗(yàn)研究至今,羅俊院士已將其看作畢生事業(yè),幾十年如一日在山洞實(shí)驗(yàn)室工作。他不僅給我們提供了方向的指引,同時(shí)以身作則,對實(shí)驗(yàn)過程中的每個(gè)重要階段都帶領(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。”論文的通訊作者之一、團(tuán)隊(duì)核心成員、華中科技大學(xué)引力中心教授楊山清表示,測G是一項(xiàng)艱苦而繁瑣的工作,一個(gè)結(jié)果的得出往往需要幾十年的摸索,每當(dāng)大家想放棄時(shí),羅俊院士總是及時(shí)給予鼓勵(lì)。正因如此,團(tuán)隊(duì)成員心里一直憋著一股拼勁兒,誓將這個(gè)實(shí)驗(yàn)攻下。
“G值的測量并非一勞永逸,它需要有科學(xué)家持續(xù)為它‘保鮮’,但對它的測量極其艱辛。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?!泵绹鴩覙?biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所聯(lián)合JILA實(shí)驗(yàn)室前主席、美國總統(tǒng)科技獎獲得者詹姆斯教授對此次羅俊團(tuán)隊(duì)取得的成績?nèi)绱嗽u價(jià)。(記者柳潔、通訊員王瀟瀟)
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