中大羅俊團隊核心成員揭秘最精確萬有引力常數G測量過程

2020-11-22 東方網

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp南方網訊 (全媒體記者/鍾哲 實習生/關鍵 通訊員/劉豔玲)8月30日,《自然》雜誌刊發了中科院院士、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,實現了對國際頂尖水平的趕超。昨日,南方日報記者趕赴珠海,在中山大學天琴中心採訪該團隊核心成員,揭秘這一項世界級成果的研究歷程。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp論文共同第一作者、中山大學天琴中心特聘副研究員薛超說:「這次的研究成果,把萬有引力常數G的精確度從小數點後3位,推進到了小數點後4位。就是這一位數,凝結了團隊成員們30多年的時光。」

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp與5微米誤差較勁好幾年

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp精確測量萬有引力常數G,有助於人類更好地認識天體和地球本身。但由於變量、幹擾太多,萬有引力常數G是公認最難測定的物理常數之一。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp薛超介紹:「引力測量實驗對環境的要求非常高,溫度、溼度的波動,行人帶來的震動和氣流,乃至幾百米外開過的一輛汽車,都可能對實驗產生幹擾。」為了減少幹擾,1983年羅俊院士在華中科技大學喻家山中一個防空洞裡開闢了實驗室,一用就是30多年。2015年,羅俊院士接任中山大學校長,天琴計劃也隨之來到了中山大學。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp當年,羅俊院士把除了吃飯睡覺外的時間都花在實驗室裡。由於長時間見不到陽光,羅俊院士曾患上皮膚病,臉上長出白斑,後來才慢慢痊癒。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp為了營造理想化的實驗條件,團隊所用的儀器很多都需要成員自行設計、搭裝和調試。扭秤角加速度反饋法實驗需要用到4個直徑約為127毫米的無磁不鏽鋼球,為了保證球體內部質量分布均勻,團隊考察過很多家供應商,並最終選定了一家。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp不鏽鋼球送過來以後,薛超又犯了難:肉眼看上去非常光滑的球體表面,在儀器測試下卻有著5微米的高度差。「一根頭髮絲的直徑大約是100微米,而我們的目標是把高度差控制在1微米,其難度可想而知。供應商無法處理,我們只好自己想辦法。」

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp中山大學天琴中心特聘副研究員劉祺介紹,經研究討論後,團隊請來了一位經驗豐富的老技工,用純手工打磨不鏽鋼球表面。人手太緊缺的時候,團隊成員也會親手上去打磨。與不鏽鋼球「較勁」好幾年後,團隊終於做出一批表面光滑、質量均勻、近似於理想球體的實驗用具。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp最寶貴的是30多年經驗傳承

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp實際上,G值的測量原理在學界早已明晰,但測量過程異常繁瑣複雜,被國外學者評價為「精密測量領域的典範」。在一種測量方法中,往往包含近百項的誤差需要評估。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp為了增加測量結果的可靠性,本次實驗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、自主研製完成。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp在這個過程中,一支規模達數十人的引力物理領域「夢之隊」留了下來,並在各自的研究方向上取得世界級的成就。薛超感慨地說:「我們使用的實驗方法,都是團隊30多年摸索和傳承下來的。老師的教誨、師兄們的經驗,是這裡最寶貴的東西。」

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp基礎物理研究是一門「苦差事」,研究過程稍顯枯燥,成果也不易被大眾理解。這是薛超加入羅俊院士團隊的第10個年頭,他卻顯得愈發樂在其中。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp基礎物理研究也不是完全理論化的。正如論文的通訊作者之一楊山清教授所說:「在設計實驗的過程中,一批高精端的儀器設備被研發,其中很多已在地球重力場的測量、地質勘探等方面發揮重要作用。」劉祺表示,本次試驗的相關成果可以用在慣性傳感器技術上,對天琴計劃的順利實施有重要作用。

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