中大校長羅俊院士團隊測得最精確萬有引力常數

2020-12-06 騰訊大粵網

南方網訊(全媒體記者/鍾哲)8月30日,《Nature》刊發了中科院院士、中山大學校長羅俊團隊最新測量的萬有引力常數G值結果。這是目前國際精度最高的G值,對於計量學和檢測萬有引力定律及一系列相關的空間引力探索都具有十分重大的意義,將為精密重力測量國家重大科技基礎設施以及空間引力波探測——「天琴計劃」的順利實施奠定良好的基礎。

萬有引力常數G是人類認識的第一個基本常數:1687年,牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中介紹了2個物體之間的萬有引力定律,引入了萬有引力常數G,但由於引力太弱,人們一直無法給出G的精確結果。111年後,世界上第一個G值在卡文迪許設計的扭秤實驗中被測出,其相對精度僅為1%。

由於引力相互作用極其微弱而且不可屏蔽,G值的測量精度是目前所有基本常數中最差的。為提高G值的測量精度,多年來國際上已開展了基於各種不同方法進行的測G實驗,在不同實驗小組得出的結果中,相對精度雖然接近10-5,但相互之間的吻合程度僅達到10-4的水平,很多與之相關的基礎科學難題至今無法解決。羅俊院士團隊採用扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法兩種不同方法測G,精度均達到國際最好水平,吻合程度接近10-5的水平,這將為提升我國在基礎物理學領域的話語權做出重大貢獻。

實際上,此次成果發布可謂羅俊院士團隊的厚積薄發。從上世紀八十年代開始,羅俊院士就開始進行G的精確測量。G的精確測量必須選擇恆溫、隔振、電磁屏蔽及外界引力幹擾小的實驗環境,羅俊院士團隊決定把實驗室建在人防山洞中。實驗初期,—天24小時得有人盯在計數器前,有時連續幾星期都得輪流值班。歷經十多年努力後,羅俊院士團隊於1999年得到了第一個G值,被隨後歷屆的國際科學技術數據委員會(CODATA)錄用;再花費一個十年後,團隊於2009年發表了新的結果,相對精度達到26ppm。該結果是當時採用扭秤周期法得到的最高精度的G值,也被隨後的歷屆CODATA所收錄命名為HUST-09。

這一次,羅俊院士團隊採用兩種不同方法測G,給出了目前國際上最高精度的G值,相對不確定度優於12ppm,實現了對國際頂尖水平的趕超。這兩種實驗方法雖不新奇,但與其相關的裝置設計及諸多技術細節均需團隊成員自己摸索、自主研製。在摸索的過程中,一批高精端的儀器設備被研發,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。

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