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▲羅俊院士(右)在華中科技大學引力實驗中心與科研人員交流實驗情況(3月27日攝)。
新華社記者熊琦攝
新華社武漢10月31日電(記者皮曙初、俞儉、胡喆)三百多年前,牛頓發現萬有引力定律,並提出精確計算物體與物體間引力的萬有引力常數G。然而,由於引力十分微弱,作為人類最早認識的物理學基本常數,G值的測量精度迄今為止仍是最差的一個。
在湖北武漢的華中科技大學,有這樣一群科學家,他們堅守防空洞改建的實驗室,在艱苦環境下,忍受著常人難以想像的孤寂和冷清,三十多年如一日,探索著萬有引力的奧秘,一次次將萬有引力常數G值推向新的測量精度。不久前,中國科學院院士羅俊團隊在《自然》雜誌刊發最新成果,測出了當前世界最精確的G值,做到在基礎研究領域對國際一流的趕超。
與時間苦「熬」:堅持不懈「坐熱」基礎研究「冷板凳」
萬有引力定律發現100多年後,英國物理學家卡文迪許第一次利用扭秤實驗測出G值,因而被認為是歷史上第一個測出萬有引力常數的科學家,他的實驗也被稱為「測量地球重量的實驗」。此後,各國科學家一直在為測量更精確的G值不懈努力。
引力測量的難度,在於實驗對地面振動、電磁力、溫度變化等干擾極為敏感。華中科技大學引力中心是目前大陸唯一引力實驗研究基地。20世紀80年代初籌建之初,他們選中校內喻家山一處防空洞作為實驗室。山洞陰暗潮濕,但是震動小、溫度恒定,是難得的引力實驗場所。
從那時起,羅俊帶領的團隊一直堅守在山洞之中。開始的近10年,除去吃飯和睡覺,羅俊幾乎全在山洞中度過。經年累月,頭髮掉了一大半,臉上出現一塊塊白斑,甚至「每個月都要感冒發燒一兩次」。因為山洞里的溫度常年是20攝氏度,溫差不超過1攝氏度,羅俊常年只穿一件襯衫,過著屬於自己的「恒溫」季節。
十多年過去,1998年,羅俊發表105ppm(1ppm即百萬分之一)相對精度的萬有引力常數測量結果,成為當時世界上測量精度最高的G值之一。這一實驗結果被國際科技數據委員會(CODATA)的基本物理常數所收錄,並以華中理工大學英文縮寫HUST命名。
位於中國中部的這個小山洞引起了世界關注,國外專家將其譽為「世界引力中心」。
基礎科學研究猶如攀爬陡峭的巉巖,漫長而艱辛。引力實驗更是一項十分長期艱苦的研究,從實驗設備的設計、打磨,到實驗數據的取得,每前進一步往往需要十數年乃至數十年的苦「熬」。
又經過十年實驗和研究,羅俊團隊將G值測量精度提高到26ppm,這是採用扭秤周期法測得的最高精度G值。實驗結果再次被CODATA值收錄,命名為HUST-09。
「這個精度相當於在一個1米桿的一端,放上一粒灰塵千萬分之一的重量,也能測量出來。」羅俊說。
「做這樣的實驗沒點‘瘋狂’與‘執拗’,是堅持不下來的。」華中科技大學物理學院副院長塗良成說。
這樣的「瘋狂」和「執拗」從未停歇。又是一個十年過去,羅俊團隊採用扭秤周期法和角加速度法兩種不同方法,在同一實驗室測量萬有引力常數,給出了目前國際上最高精度的G值,相對不確定度優於12ppm。
「也許在外人看來那是相當的枯燥,但我們沒有覺得,因為我們研究的問題是科學還沒解決的領地,在未知的世界里探索,哪怕你只獲得一點點進展,都會非常開心。」團隊成員楊山清說。
從羅俊到「70後」的周澤兵、胡忠坤、塗良成,「80後」周敏康、楊山清、段小春,乃至「90後」博士生、碩士生,一代代「引力人」就這樣耐得住寂寞、守得住冷清,硬是把基礎研究的「冷板凳」生生給「坐熱了」。
為科學而「瘋」:自力更生艱苦創造成就「世界最好」
1985年「山洞實驗室」建成之時,有14個籌備人員,如今還在這個團隊的只剩下羅俊和一名工作人員。一開始,全國有3家引力實驗研究中心,堅持到今天從未間斷過的只有華中科技大學引力中心。
塗良成說:「原因很清楚,實驗周期特別長,拿不到什麼大課題大項目,要堅持下來很難。而且,這樣的基礎研究也不是一般人認為的研究‘熱點’,而是個‘冷門’,所以有人選擇了離開。」
然而,羅俊和他的團隊認為,對G值的精確測量,不僅對於檢驗牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規律意義重大,而且具有計量學上的重要意義,對於現實中包括地震在內的自然環境監測、地質資源勘測等都有重要戰略意義。
引力常數精度的每一次提升,也是精密測量技術的一次革命。他們堅信,破解基礎科學的難題,一定會推動國家科技進步。
因此,他們不僅堅持下來,而且一次次提出具有創新思想的精密測量實驗方案,一次次破解關鍵難題。
引力中心籌建之初,面臨的是「三無」局面:無經費資助、無資料可查、無儀器可用。由於引力實驗和重力測量研究的地位重要,國外的資料無法拿到,大陸也沒有任何先例可循。
儀器的先進性直接決定著引力實驗的數據精度。一次,引力中心欲向國外某實驗室購買某種衛星重力測量儀器,對方提出該儀器不是商品,是無價的,中國要想使用,「必須交換」。
「如何交換呢?就是他們給儀器,我們必須給他們原始數據。這是非常霸道無理的要求,意味著可能拱手送出國家機密!」羅俊說,經歷這件事後,引力中心更加堅定了要走獨立自主的研究道路——自主設計實驗路線、自主制定測量方案、自主研發儀器設備。
引力實驗中要用到一種特殊的鋼球,每個球的圓度要精確到1微米,而能買到的這種球最好精度在5到10微米。引力中心副研究員薛超介紹,試了很多辦法都失敗了,只好自己慢慢地磨,光一個球就磨了九個月,精度最終達到了0.8微米。
「四個球磨出來之後,確實達到非常好的效果,數據穩定性非常高。」薛超說,「這只是做精密測量試驗所經常要花的功夫。」
G值的測量原理早已十分明確,但測量過程卻異常繁瑣、複雜。為了增加測量結果的可靠性,羅俊團隊在實驗中同時使用了扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法兩種獨立的方法。這兩種實驗方法雖已不再新奇,但與兩種方法相關的裝置設計及諸多技術細節均需團隊成員自己摸索、自主研制完成。
「我們用兩種不同的方法,用自主研發的一批儀器,一步一步將精度提高。又是一個十年,我們做到了世界上最好、獲得國際認可的最高精度。」團隊成員楊山清教授說。
美國天體物理聯合實驗室(JILA)前主席James E. Faller教授評價,「這個團隊的工作非常傑出,為獲得準確G值做出了極其重要的貢獻」,「擁有羅俊、他的團隊和這樣一個出色的實驗室是中國的驕傲」。
為探索而「癡」:科學在心中有一種不可抗拒的「吸引力」
位於武漢市洪山區喻家山下的「山洞實驗室」,甬道狹長幽深,水泥塗層斑駁,甬道兩邊一間間擺放著各種儀器設備的實驗室。不管白天黑夜,這些實驗室里的燈總是亮著。假如沒有了燈光,這里將是望不見盡頭的黑暗。
有人發出疑問:假如沒有看到今天的成果,以十年、數十年為單位的引力基礎科學研究和摸索,本身就具有很強的不確定性,值得嗎?
科學研究散發出的魅力似乎在科學家身上總是那麼「不可抗拒」,他們的回答幾乎異口同聲:能測出最精確的G值、做出最好的科研成就,就足夠了。
如今「山洞實驗室」不斷擴建,實驗條件比從前大為改善,一批兼具理論與實踐能力的優秀人才在這里成長。然而這里潛心科研、不問功名的氛圍一直沒有變,大家沉下心在科學王國里開疆拓土的創新激情也一直沒變。
冷原子物質波干涉具有潛在靈敏度高和對重力敏感的優勢,是重力精密測量的新方向。引力中心胡忠坤教授剛開始做冷原子重力儀的時候,整整五年一篇論文都沒發表,但他始終不言放棄,用12年的努力,在冷原子干涉重力測量方面做到「彎道超車」,由跟跑到並跑和領跑。
「引力中心實驗室里測G的技術,在國家經濟建設、國防科技等領域都能得到引用。」華中科技大學物理學院黨委書記張凱說,他們測量G值的過程中,一批高精端的儀器設備被研發,且其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質勘探等方面發揮重要作用。
科研團隊用18年時間,應用精密測量技術,取得高精度星載加速度計的關鍵技術突破,打破了制約大陸重力衛星研究的瓶頸,突破國外對我技術封鎖。「未來,我們可以用重力給地球做核磁共振,可以把礦產資源這樣的戰略信息掌握在中國人自己的手里。」塗良成說。
「丹心未泯創新願,白髮猶殘求是輝」。2014年,羅俊院士提出了引力波探測計劃「天琴計劃」,向著當今世界引力研究的最前沿、科學研究的新高峰發起挑戰。
「探索引力波是精密測量研究絕對的技術挑戰。」羅俊說,它要求對17萬公里兩顆衛星之間雷射擾動的測量要達到皮米精度,相當於一根頭髮直徑的千萬分之一。
甘坐冷板凳,勇做栽樹人。盡管,這將又是一次漫長而艱辛的攀爬,但這群山洞里的「引力人」堅信,無論是引力測量還是引力波探測,基礎科學必將帶動一個國家的人才和技術進步,做到前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破,夯實好世界科技強國建設的根基。
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