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潜心30年 中大罗俊团队测量到最精确万有引力常数G
来源: 南方网    时间: 2018-09-01 09:05

  8月30日,《自然》杂志刊发了中科院院士、中山大学校长罗俊团队最新测量的万有引力常数G值结果。这是目前国际精度最高的G值,实现了对国际顶尖水平的赶超。昨日,南方日报记者赶赴珠海,在中山大学天琴中心采访该团队核心成员,揭秘这一项世界级成果的研究历程。

  论文共同第一作者、中山大学天琴中心特聘副研究员薛超说:“这次的研究成果,把万有引力常数G的精确度从小数点后3位,推进到了小数点后4位。就是这一位数,凝结了团队成员们30多年的时光。”

  与5微米误差较劲好几年

  精确测量万有引力常数G,有助于人类更好地认识天体和地球本身。但由于变量、干扰太多,万有引力常数G是公认最难测定的物理常数之一。

  薛超介绍:“引力测量实验对环境的要求非常高,温度、湿度的波动,行人带来的震动和气流,乃至几百米外开过的一辆汽车,都可能对实验产生干扰。”为了减少干扰,1983年罗俊院士在华中科技大学喻家山中一个防空洞里开辟了实验室,一用就是30多年。2015年,罗俊院士接任中山大学校长,天琴计划也随之来到了中山大学。

  当年,罗俊院士把除了吃饭睡觉外的时间都花在实验室里。由于长时间见不到阳光,罗俊院士曾患上皮肤病,脸上长出白斑,后来才慢慢痊愈。

  为了营造理想化的实验条件,团队所用的仪器很多都需要成员自行设计、搭装和调试。扭秤角加速度反馈法实验需要用到4个直径约为127毫米的无磁不锈钢球,为了保证球体内部质量分布均匀,团队考察过很多家供应商,并最终选定了一家。

  不锈钢球送过来以后,薛超又犯了难:肉眼看上去非常光滑的球体表面,在仪器测试下却有着5微米的高度差。“一根头发丝的直径大约是100微米,而我们的目标是把高度差控制在1微米,其难度可想而知。供应商无法处理,我们只好自己想办法。”

  中山大学天琴中心特聘副研究员刘祺介绍,经研究讨论后,团队请来了一位经验丰富的老技工,用纯手工打磨不锈钢球表面。人手太紧缺的时候,团队成员也会亲手上去打磨。与不锈钢球“较劲”好几年后,团队终于做出一批表面光滑、质量均匀、近似于理想球体的实验用具。

  最宝贵的是30多年经验传承

  实际上,G值的测量原理在学界早已明晰,但测量过程异常繁琐复杂,被国外学者评价为“精密测量领域的典范”。在一种测量方法中,往往包含近百项的误差需要评估。

  为了增加测量结果的可靠性,本次实验使用了扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法两种独立的方法。这两种实验方法虽已不再新奇,但与两种方法相关的装置设计及诸多技术细节均需团队成员自己摸索、自主研制完成。

  在这个过程中,一支规模达数十人的引力物理领域“梦之队”留了下来,并在各自的研究方向上取得世界级的成就。薛超感慨地说:“我们使用的实验方法,都是团队30多年摸索和传承下来的。老师的教诲、师兄们的经验,是这里最宝贵的东西。”

  基础物理研究是一门“苦差事”,研究过程稍显枯燥,成果也不易被大众理解。这是薛超加入罗俊院士团队的第10个年头,他却显得愈发乐在其中。

  基础物理研究也不是完全理论化的。正如论文的通讯作者之一杨山清教授所说:“在设计实验的过程中,一批高精端的仪器设备被研发,其中很多已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。”刘祺表示,本次试验的相关成果可以用在惯性传感器技术上,对天琴计划的顺利实施有重要作用。(全媒体记者/钟哲 实习生/关键 通讯员/刘艳玲)

(责任编辑:张 雯)
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