華中科技大學萬有引力G值研究成果寫入中學教材

華中科技大學萬有引力G值研究成果寫入中學教材

發布時間：2019年09月16日 10:11 來源：湖北日報

　　湖北日報訊(記者方琳、通訊員王瀟瀟、高翔)12日，有細心讀者發現，最新出版的人民教育出版社2019年普通高中教科書物理必修第二冊的課本，出現了一個新變化：華中科技大學萬有引力G值研究成果被收入其中。這一新成果由華中科技大學羅俊團隊在山洞中歷經30多年艱辛測得，2018年在Nature雜誌發表，今年兩會期間被人大代表建議編入中學教材。

　　提議代表之一、黃岡中學黨委書記、校長何蘭田得知教材的變化，非常高興。「我們中學教材中近代以來科學概念定義常數全是西方的，中國以前存在基礎研究的短板，但基礎研究需要時間積澱，現在這個短板在慢慢補齊，也有了一些成果。引力常數的成果是一件鼓舞信心的事情。這一成果寫入教材，也能夠讓學生感受到，原來科學領域離他們也不那麼遠，有的同學也許從此就走上了科學研究的道路。」。

　　華中科技大學物理學院黨委書記張凱認為，我國科學家研究成果入選高中教科書正體現了中央對教材思政的要求。習近平總書記在全國教育大會中強調，培養社會主義建設者和接班人是教育的根本任務。羅俊教授團隊堅持30多年的科學家精神正是對當代青少年精神品格塑造的一個好的示例，寫入教材並不要求學生掌握繁複的測量方法，而是在書本中切入對學生進行科學態度、科學精神的教育，讓學生領略「甘坐冷板凳」的科研精神。

　　「看到我翻過無數遍的課本裡赫然出現了 『華中科技大學引力中心』，我驚呆了！但想一想，也算是「意料之外，情理之中」。每一本物理課本，都可以用『群星燦爛』來形容。但這些科學巨擘多是歐美學者，看課本有一種看世界盃找不到國家隊的失落感。現在物理課本中有了『中國貢獻』，他們給我的激勵，莫過於是那種仰望星空，腳踏實地的精神。要丈量宇宙，我們都需要一個『山洞』，在那裡我們潛心修煉，這個『山洞』，或許很窄很小，但在這裡可以丈量宇宙的身板，這個『山洞』，還具有「電磁屏蔽，隔離振動」的特點，讓大家不被雜念所擾。最重要的是我們在這個山洞裡要加倍努力，克服困難，容忍失敗又全力追求成功！」華中大計算機學院大二學生鄭樸看到課本中出現了自己學校的研究成果感觸頗深。

　　據了解，教育部在今年8月對人大代表們提出的第4156號建議給出答覆：經商中國科學院，教育部已將「關於將我國科學家測得國際最精確萬有引力常數G的成果編入中學物理教材的建議」轉高中物理教材相關編寫出版單位，請他們認真研究，並按照教材編審工作有關規定和程序完善教材內容。

　　如今，最新出版的人民教育出版社2019年普通高中教科書物理必修第二冊的課本已添加了相關內容。

　　羅俊院士帶領華中科技大學引力中心團隊經過35年的山洞蟄伏，於2018年成功測得國際最精確萬有引力常數G。該事件還獲得了中國科技部評選的2018年度中國科學十大進展以及中國科學院等單位評選的2018年中國十大科技進展新聞。

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　　萬有引力是什麼？

　　萬有引力公式

　　這個公式，相信大家都不陌生吧？而其中的G值卻是眾多物理常量中測量最早發現但最難測得的值之一。

　　牛頓萬有引力定律指出了使蘋果落地的力和維繫行星沿橢圓軌道運動的力本質一致，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」。要計算物體間的萬有引力，則需知道引力常數G的大小，但令人遺憾的是截至目前，我們並不知道G的精確值是多少。萬有引力常數G是一個與理論物理、天體物理、地球物理、計量學等均密切相關的基本物理學常數。

　　因此對萬有引力常數G的精確測量不僅具有計量學上的意義，其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都具有重要意義。

　　國際最高精度的萬有引力常數測量值如何測得？

　　這個故事要從35年前講起……

　　從上世紀八十年代，我國科學家羅俊帶領團隊開始採用扭秤技術精確測量萬有引力常數G，歷經十多年的努力於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。科學探索的腳步沒有就此止步，該團隊對實驗方案進行了一系列優化以及對各項誤差進行更深入的研究，又歷時十年，於2009年發表了新的結果，相對精度達到百萬分之二十六。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。

　　如今，又經過一個十年的沉澱，羅俊團隊再次一鳴驚人。為了增加測量結果的可靠性，研究團隊本次採用兩種不同且獨立的測量方法——扭秤周期法(TOS)和扭秤角加速度反饋法(AAF)進行萬有引力常數G的獨立測量。兩種方法中採用的工具都是精密扭秤(源於英國物理學家卡文迪許的發明，通常稱為卡文迪許扭秤)，該工具是精密弱力測量的典型工具，對水平方向的弱力非常敏感。雖然都是以扭秤作為測量工具，但是兩個實驗不僅獨立進行，而且測量方法有極大差別。在TOS方法中，通過扭絲懸掛的扭擺(構成一個扭秤)是不斷繞著懸掛點的旋轉振蕩的，通過對比測量外部質量源處於兩種不同配置時(兩種不同配置時，扭秤感受到的外部質量源的引力稍有不同)的扭秤的振蕩周期的變化，最終計算出引力常數G值。在AAF方法中，使用兩個高精度轉臺分別旋轉扭秤和外部質量源，使得被扭絲懸掛的扭擺相對懸掛點是「靜止」不同的，當細絲的扭曲量減小到零時，引力常數G由與扭秤相關的幾何常數和兩個轉臺之間的角加速度差來確定。羅俊團隊採用兩種方法均獲得了目前國際上最高精度的G值，相對不確定度優於百萬分之十二。該項工作被國際同行評價為「精確測量領域卓越工藝的典範」。羅俊團隊所在的引力中心在短短30多年裡，從無到有，從有到強，逐步走向世界前沿，被國際同行稱為「世界的引力中心」。

　　30多年來，華中科技大學引力中心團隊在羅俊的帶領下，蟄伏武漢喻家山腳下的山洞實驗室，長時間在陰冷潮溼的山洞中做研究，緊盯基礎科學前沿問題，終於取得了國際領先的研究成果。2018年8月30日，國際頂級學術期刊Nature以長文形式在線刊發了物理學院引力中心羅俊院士團隊最新研究進展「Measurements of the gravitational constant using two independent methods」。這項研究成果是目前國際最高精度的萬有引力常數測量值。

　　引力相互作用非常微弱，因此高精度地測量引力常數G非常困難。雖然引力在我們的日常生活中似乎很強，例如在舉起重物時，但是它是四種基本力中最弱的一種。兩個物體之間的引力與它們的質量成正比。如果其中一個物體是地球，引力則可能相當大。但如果是實驗室中的物體，引力則可能太小而無法準確測量。例如，兩個相隔1米的1千克物體之間的引力相當於少量生物細胞的重量。

　　萬有引力常數G是人類認識的第一個基本常數，但是它的測量精度是目前所有基本物理常數中最差的。以往國際上不同實驗小組的G值測量的精度在10-5，相互之間的吻合程度僅達到10-4的水平，因為精度問題很多與之相關的基礎科學難題至今無法解決。此次羅俊團隊採用兩種不同方法測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、為物理學界確定高精度的引力常數G的推薦值做出實質性貢獻。

　　在學界，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。在一種測量方法中，往往包含近百項的誤差需要評估。本次實驗中，實驗團隊同時使用的扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法均已不再新奇，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、自主研製完成。在此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。如團隊發展的精密扭秤技術已經成功應用在衛星微推進器的微推力標定、空間慣性傳感器的地面標定等方面，這些儀器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。

　　測得世界最精確G值背後的故事

　　1983年10月，華中工學院(現華中科技大學)開始籌建引力實驗中心。由於引力實驗對恆溫、隔振、電磁屏蔽等要求極高，於是華中工學院原校長朱九思決定把實驗室建在喻家山下的人防山洞中。

　　為攻克測G這一難題，從1986年開始的近10年，除去吃飯和睡覺，羅俊幾乎都在山洞中度過。長年不見太陽，加之山洞裡陰暗潮溼，羅俊頭髮掉了一大半，索性剃成光頭；1992年，羅俊左臉出現一片片的白色斑塊，直到1996年才治好。

　　1998年，羅俊取得了105ppm相對精度的測G結果。2009年，羅俊團隊將G的測量精度提高到26ppm。這是國際上精度優於50ppm的7個結果之一，也是採用扭秤周期法測得的最高精度G值。羅俊團隊測G實驗結果被國際科技數據委員會推薦的CODATA值收錄，並以華中科技大學英文縮寫HUST命名。如今，又經過一個10年的沉澱，羅俊團隊再次一鳴驚人，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。羅俊團隊所在的引力中心在短短30多年裡，從無到有，從有到強，逐步走向世界前沿，被國際同行稱為「世界的引力中心」。

　　論文的通訊作者之一、團隊核心成員、華中科技大學引力中心楊山清教授介紹，上世紀80年代羅老師開始進行萬有引力常數G的精確測量實驗研究至今，他已將其看作是畢生的事業，幾十年如一日地在山洞實驗室工作。羅老師不僅給團隊提供了方向指引，還以身作則，對實驗過程中的每個重要階段，他都主動和團隊成員一起分析、討論，並指導大家做實驗。一批兼具理論與實踐能力的優秀人才在此過程中得以成長。測G是一項艱苦而又繁瑣的工作，一個結果的得出往往需要若干年時間的摸索，每當大家想要放棄時，羅老師總是及時給予鼓勵。正是因為這樣，團隊成員心裡也一直憋著一股拼勁兒，誓將這個實驗攻下。

　　「G值的測量並非一勞永逸，它需要有科學家持續為它『保鮮』，但是對它的測量又極其艱辛，而羅俊團隊通過30年的努力，貢獻了目前世界上最為精確的G值，中國應該為擁有這樣一個能夠持之以恆並永遠保有熱情的團隊而驕傲！」美國國家標準與技術研究所JILA實驗室前主席、美國總統科技獎獲得者James E. Faller教授對此次羅俊團隊取得的成績這樣評價。

　　進入高中課本有何重要意義？

　　教育部基礎教育課程教材發展中心主任、課程教材研究所黨委書記、所長田慧生在關於基礎教育課程的文章中曾指出，改革開放前30年，我國基礎教育主要解決了「有學上」的問題，後30年，將著力解決「上好學」的問題。今天，人民群眾對優質教育資源、對教育質量、教育水平以及課程教材建設都提出了更高的期待和要求，課程教材改革應致力於為實現人的全面發展和推進公平而有質量的教育而努力。下一階段的改革，將以全面落實立德樹人根本任務為宗旨，加強學生的社會責任感、創新精神和實踐能力的培養。而此次適時的添加由我國科學家主導的科學研究成果，正是讓學生接觸到科學前沿，了解我國的科研實力，培養學生的民族自豪感以及文化自信。在中學課本中對G測量原理和研究過程進行介紹不僅能發揮學生的探索精神，同時也讓學生體會到我國科學家「甘坐冷板凳」的不懈堅持和人類永無止境的科學追求，激勵學生喜歡科學並努力學習。

(編輯：裴春梅)

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