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在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”
2018-10-31 11:15:01 來源: 新華網(wǎng)
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評(píng)論

  新華社武漢10月31日電 題:在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  新華社記者皮曙初、俞儉、胡喆

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(1)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  這是華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心(4月4日無人機(jī)拍攝)。新華社記者熊琦攝

  三百多年前,牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律,并提出精確計(jì)算物體與物體間引力的萬有引力常數(shù)G。然而,由于引力十分微弱,作為人類最早認(rèn)識(shí)的物理學(xué)基本常數(shù),G值的測量精度迄今為止仍是最差的一個(gè)。

  在湖北武漢的華中科技大學(xué),有這樣一群科學(xué)家,他們堅(jiān)守防空洞改建的實(shí)驗(yàn)室,在艱苦環(huán)境下,忍受著常人難以想象的孤寂和冷清,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(shù)G值推向新的測量精度。不久前,中國科學(xué)院院士羅俊團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志刊發(fā)最新成果,測出了當(dāng)前世界最精確的G值,實(shí)現(xiàn)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)H一流的趕超。

 ? 與時(shí)間苦“熬”:堅(jiān)持不懈“坐熱”基礎(chǔ)研究“冷板凳”

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(2)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

這是羅俊院士肖像照(3月27日攝)。新華社記者熊琦攝

  萬有引力定律發(fā)現(xiàn)100多年后,英國物理學(xué)家卡文迪許第一次利用扭秤實(shí)驗(yàn)測出G值,因而被認(rèn)為是歷史上第一個(gè)測出萬有引力常數(shù)的科學(xué)家,他的實(shí)驗(yàn)也被稱為“測量地球重量的實(shí)驗(yàn)”。此后,各國科學(xué)家一直在為測量更精確的G值不懈努力。

  引力測量的難度,在于實(shí)驗(yàn)對地面振動(dòng)、電磁力、溫度變化等干擾極為敏感。華中科技大學(xué)引力中心是目前我國唯一引力實(shí)驗(yàn)研究基地。20世紀(jì)80年代初籌建之初,他們選中校內(nèi)喻家山一處防空洞作為實(shí)驗(yàn)室。山洞陰暗潮濕,但是震動(dòng)小、溫度恒定,是難得的引力實(shí)驗(yàn)場所。

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(4)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  羅俊院士在華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心(3月27日攝)。新華社記者熊琦攝

  從那時(shí)起,羅俊帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)一直堅(jiān)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(jīng)年累月,頭發(fā)掉了一大半,臉上出現(xiàn)一塊塊白斑,甚至“每個(gè)月都要感冒發(fā)燒一兩次”。因?yàn)樯蕉蠢锏臏囟瘸D晔?0攝氏度,溫差不超過1攝氏度,羅俊常年只穿一件襯衫,過著屬于自己的“恒溫”季節(jié)。

  十多年過去,1998年,羅俊發(fā)表105ppm(1ppm即百萬分之一)相對精度的萬有引力常數(shù)測量結(jié)果,成為當(dāng)時(shí)世界上測量精度最高的G值之一。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果被國際科技數(shù)據(jù)委員會(huì)(CODATA)的基本物理常數(shù)所收錄,并以華中理工大學(xué)英文縮寫HUST命名。

  位于中國中部的這個(gè)小山洞引起了世界關(guān)注,國外專家將其譽(yù)為“世界引力中心”。

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(3)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  羅俊院士在華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心介紹引力波探測“天琴計(jì)劃”的進(jìn)展情況(3月27日攝)。新華社記者熊琦攝

  基礎(chǔ)科學(xué)研究猶如攀爬陡峭的巉巖,漫長而艱辛。引力實(shí)驗(yàn)更是一項(xiàng)十分長期艱苦的研究,從實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、打磨,到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得,每前進(jìn)一步往往需要十?dāng)?shù)年乃至數(shù)十年的苦“熬”。

  又經(jīng)過十年實(shí)驗(yàn)和研究,羅俊團(tuán)隊(duì)將G值測量精度提高到26ppm,這是采用扭秤周期法測得的最高精度G值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次被CODATA值收錄,命名為HUST-09。

  “這個(gè)精度相當(dāng)于在一個(gè)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?!绷_俊說。

  “做這樣的實(shí)驗(yàn)沒點(diǎn)‘瘋狂’與‘執(zhí)拗’,是堅(jiān)持不下來的?!比A中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長涂良成說。

  這樣的“瘋狂”和“執(zhí)拗”從未停歇。又是一個(gè)十年過去,羅俊團(tuán)隊(duì)采用扭秤周期法和角加速度法兩種不同方法,在同一實(shí)驗(yàn)室測量萬有引力常數(shù),給出了目前國際上最高精度的G值,相對不確定度優(yōu)于12ppm。

  “也許在外人看來那是相當(dāng)?shù)目菰?,但我們沒有覺得,因?yàn)槲覀冄芯康膯栴}是科學(xué)還沒解決的領(lǐng)地,在未知的世界里探索,哪怕你只獲得一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)展,都會(huì)非常開心?!眻F(tuán)隊(duì)成員楊山清說。

  從羅俊到“70后”的周澤兵、胡忠坤、涂良成,“80后”周敏康、楊山清、段小春,乃至“90后”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(chǔ)研究的“冷板凳”生生給“坐熱了”。

  為科學(xué)而“瘋”,自力更生艱苦創(chuàng)造成就“世界最好”

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(5)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  羅俊院士(左二)與楊山清(中)、胡忠坤(右二)、涂良成(右一)、周澤兵(左一)在華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心交流引力波探測裝置的運(yùn)行情況(3月27日攝)。新華社記者熊琦攝

  1985年“山洞實(shí)驗(yàn)室”建成之時(shí),有14個(gè)籌備人員,如今還在這個(gè)團(tuán)隊(duì)的只剩下羅俊和一名工作人員。一開始,全國有3家引力實(shí)驗(yàn)研究中心,堅(jiān)持到今天從未間斷過的只有華中科技大學(xué)引力中心。

  涂良成說:“原因很清楚,實(shí)驗(yàn)周期特別長,拿不到什么大課題大項(xiàng)目,要堅(jiān)持下來很難。而且,這樣的基礎(chǔ)研究也不是一般人認(rèn)為的研究‘熱點(diǎn)’,而是個(gè)‘冷門’,所以有人選擇了離開。”

  然而,羅俊和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,對G值的精確測量,不僅對于檢驗(yàn)牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規(guī)律意義重大,而且具有計(jì)量學(xué)上的重要意義,對于現(xiàn)實(shí)中包括地震在內(nèi)的自然環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)資源勘測等都有重要戰(zhàn)略意義。

  引力常數(shù)精度的每一次提升,也是精密測量技術(shù)的一次革命。他們堅(jiān)信,破解基礎(chǔ)科學(xué)的難題,一定會(huì)推動(dòng)國家科技進(jìn)步。

  因此,他們不僅堅(jiān)持下來,而且一次次提出具有創(chuàng)新思想的精密測量實(shí)驗(yàn)方案,一次次破解關(guān)鍵難題。

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(6)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  羅俊院士(右)在華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心與科研人員交流實(shí)驗(yàn)情況(3月27日攝)。新華社記者熊琦攝

  引力中心籌建之初,面臨的是“三無”局面:無經(jīng)費(fèi)資助、無資料可查、無儀器可用。由于引力實(shí)驗(yàn)和重力測量研究的地位重要,國外的資料無法拿到,我國也沒有任何先例可循。

  儀器的先進(jìn)性直接決定著引力實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)精度。一次,引力中心欲向國外某實(shí)驗(yàn)室購買某種衛(wèi)星重力測量儀器,對方提出該儀器不是商品,是無價(jià)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(shù)據(jù)。這是非常霸道無理的要求,意味著可能拱手送出國家機(jī)密!”羅俊說,經(jīng)歷這件事后,引力中心更加堅(jiān)定了要走獨(dú)立自主的研究道路——自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線、自主制定測量方案、自主研發(fā)儀器設(shè)備。

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(7)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心的涂良成(左)、胡忠坤(中)、周澤兵在交流實(shí)驗(yàn)情況(3月27日攝)。新華社記者熊琦攝

  引力實(shí)驗(yàn)中要用到一種特殊的鋼球,每個(gè)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(gè)球就磨了九個(gè)月,精度最終達(dá)到了0.8微米。

  “四個(gè)球磨出來之后,確實(shí)達(dá)到非常好的效果,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性非常高?!毖Τf,“這只是做精密測量試驗(yàn)所經(jīng)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、復(fù)雜。為了增加測量結(jié)果的可靠性,羅俊團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)使用了扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法兩種獨(dú)立的方法。這兩種實(shí)驗(yàn)方法雖已不再新奇,但與兩種方法相關(guān)的裝置設(shè)計(jì)及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均需團(tuán)隊(duì)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(fā)的一批儀器,一步一步將精度提高。又是一個(gè)十年,我們做到了世界上最好、獲得國際認(rèn)可的最高精度?!眻F(tuán)隊(duì)成員楊山清教授說。

  美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(JILA)前主席James E. Faller教授評(píng)價(jià),“這個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作非常杰出,為獲得準(zhǔn)確G值做出了極其重要的貢獻(xiàn)”,“擁有羅俊、他的團(tuán)隊(duì)和這樣一個(gè)出色的實(shí)驗(yàn)室是中國的驕傲”。

  為探索而“癡”:科學(xué)在心中有一種不可抗拒的“吸引力”

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(8)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  羅俊院士(右)在華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心與科研人員交流實(shí)驗(yàn)情況(3月27日攝)。新華社記者熊琦攝

  位于武漢市洪山區(qū)喻家山下的“山洞實(shí)驗(yàn)室”,甬道狹長幽深,水泥涂層斑駁,甬道兩邊一間間擺放著各種儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室。不管白天黑夜,這些實(shí)驗(yàn)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(fā)出疑問:假如沒有看到今天的成果,以十年、數(shù)十年為單位的引力基礎(chǔ)科學(xué)研究和摸索,本身就具有很強(qiáng)的不確定性,值得嗎?

  科學(xué)研究散發(fā)出的魅力似乎在科學(xué)家身上總是那么“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(shí)驗(yàn)室”不斷擴(kuò)建,實(shí)驗(yàn)條件比從前大為改善,一批兼具理論與實(shí)踐能力的優(yōu)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(xué)王國里開疆拓土的創(chuàng)新激情也一直沒變。

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(9)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  華中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長涂良成在調(diào)試實(shí)驗(yàn)裝置(3月27日攝)。新華社記者熊琦攝

  冷原子物質(zhì)波干涉具有潛在靈敏度高和對重力敏感的優(yōu)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(shí)候,整整五年一篇論文都沒發(fā)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實(shí)現(xiàn)“彎道超車”,由跟跑到并跑和領(lǐng)跑。

  “引力中心實(shí)驗(yàn)室里測G的技術(shù),在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防科技等領(lǐng)域都能得到引用?!?華中科技大學(xué)物理學(xué)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(shè)備被研發(fā),且其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用。

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(10)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  4月4日,華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心周澤兵(中)與科研人員交流實(shí)驗(yàn)情況。新華社記者熊琦攝

  科研團(tuán)隊(duì)用18年時(shí)間,應(yīng)用精密測量技術(shù),取得高精度星載加速度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)突破,打破了制約我國重力衛(wèi)星研究的瓶頸,突破國外對我技術(shù)封鎖。“未來,我們可以用重力給地球做核磁共振,可以把礦產(chǎn)資源這樣的戰(zhàn)略信息掌握在中國人自己的手里。”涂良成說。

  “丹心未泯創(chuàng)新愿,白發(fā)猶殘求是輝”。2014年,羅俊院士提出了引力波探測計(jì)劃“天琴計(jì)劃”,向著當(dāng)今世界引力研究的最前沿、科學(xué)研究的新高峰發(fā)起挑戰(zhàn)。

(新華全媒頭條·圖文互動(dòng))(11)在中國一所大學(xué)的山洞里,有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

  4月4日,引力波探測“天琴計(jì)劃”研究人員在華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心磨制用于精密測量引力的鋼球。新華社記者熊琦攝

  “探索引力波是精密測量研究絕對的技術(shù)挑戰(zhàn)。”羅俊說,它要求對17萬公里兩顆衛(wèi)星之間激光擾動(dòng)的測量要達(dá)到皮米精度,相當(dāng)于一根頭發(fā)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(jiān)信,無論是引力測量還是引力波探測,基礎(chǔ)科學(xué)必將帶動(dòng)一個(gè)國家的人才和技術(shù)進(jìn)步,實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破,夯實(shí)好世界科技強(qiáng)國建設(shè)的根基。

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【糾錯(cuò)】 責(zé)任編輯: 聶晨靜
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