在华科大的山洞里 有这样一群“追引力的科学家”

作者:皮曙初、俞俭、胡喆来源:新华社发布时间:2018-11-05

在湖北武汉的华中科技大学,有这样一群科学家,他们三十多年如一日,探索着万有引力的奥秘,一次次将万有引力常数G值推向新的测量精度。

这是华中科技大学引力实验中心(4月4日无人机拍摄)。新华社记者熊琦摄

三百多年前,牛顿发现万有引力定律,并提出精确计算物体与物体间引力的万有引力常数G。然而,由于引力十分微弱,作为人类最早认识的物理学基本常数,G值的测量精度迄今为止仍是最差的一个。

在湖北武汉的华中科技大学,有这样一群科学家,他们坚守防空洞改建的实验室,在艰苦环境下,忍受着常人难以想象的孤寂和冷清,三十多年如一日,探索着万有引力的奥秘,一次次将万有引力常数G值推向新的测量精度。不久前,中国科学院院士罗俊团队在《自然》杂志刊发最新成果,测出了当前世界最精确的G值,实现在基础研究领域对国际一流的赶超。

与时间苦“熬”:坚持不懈“坐热”基础研究“冷板凳”

这是罗俊院士肖像照(3月27日摄)。新华社记者熊琦摄

万有引力定律发现100多年后,英国物理学家卡文迪许第一次利用扭秤实验测出G值,因而被认为是历史上第一个测出万有引力常数的科学家,他的实验也被称为“测量地球重量的实验”。此后,各国科学家一直在为测量更精确的G值不懈努力。

引力测量的难度,在于实验对地面振动、电磁力、温度变化等干扰极为敏感。华中科技大学引力中心是目前我国唯一引力实验研究基地。20世纪80年代初筹建之初,他们选中校内喻家山一处防空洞作为实验室。山洞阴暗潮湿,但是震动小、温度恒定,是难得的引力实验场所。

罗俊院士在华中科技大学引力实验中心(3月27日摄)。新华社记者熊琦摄

从那时起,罗俊带领的团队一直坚守在山洞之中。开始的近10年,除去吃饭和睡觉,罗俊几乎全在山洞中度过。经年累月,头发掉了一大半,脸上出现一块块白斑,甚至“每个月都要感冒发烧一两次”。因为山洞里的温度常年是20摄氏度,温差不超过1摄氏度,罗俊常年只穿一件衬衫,过着属于自己的“恒温”季节。

十多年过去,1998年,罗俊发表105ppm(1ppm即百万分之一)相对精度的万有引力常数测量结果,成为当时世界上测量精度最高的G值之一。这一实验结果被国际科技数据委员会(CODATA)的基本物理常数所收录,并以华中理工大学英文缩写HUST命名。

位于中国中部的这个小山洞引起了世界关注,国外专家将其誉为“世界引力中心”。

罗俊院士在华中科技大学引力实验中心介绍引力波探测“天琴计划”的进展情况(3月27日摄)。新华社记者熊琦摄

基础科学研究犹如攀爬陡峭的巉岩,漫长而艰辛。引力实验更是一项十分长期艰苦的研究,从实验设备的设计、打磨,到实验数据的取得,每前进一步往往需要十数年乃至数十年的苦“熬”。

又经过十年实验和研究,罗俊团队将G值测量精度提高到26ppm,这是采用扭秤周期法测得的最高精度G值。实验结果再次被CODATA值收录,命名为HUST-09。

“这个精度相当于在一个1米杆的一端,放上一粒灰尘千万分之一的重量,也能测量出来。”罗俊说。

“做这样的实验没点‘疯狂’与‘执拗’,是坚持不下来的。”华中科技大学物理学院副院长涂良成说。

这样的“疯狂”和“执拗”从未停歇。又是一个十年过去,罗俊团队采用扭秤周期法和角加速度法两种不同方法,在同一实验室测量万有引力常数,给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm。

“也许在外人看来那是相当的枯燥,但我们没有觉得,因为我们研究的问题是科学还没解决的领地,在未知的世界里探索,哪怕你只获得一点点进展,都会非常开心。”团队成员杨山清说。

从罗俊到“70后”的周泽兵、胡忠坤、涂良成,“80后”周敏康、杨山清、段小春,乃至“90后”博士生、硕士生,一代代“引力人”就这样耐得住寂寞、守得住冷清,硬是把基础研究的“冷板凳”生生给“坐热了”。

为科学而“疯”,自力更生艰苦创造成就“世界最好”

罗俊院士(左二)与杨山清(中)、胡忠坤(右二)、涂良成(右一)、周泽兵(左一)在华中科技大学引力实验中心交流引力波探测装置的运行情况(3月27日摄)。新华社记者熊琦摄

1985年“山洞实验室”建成之时,有14个筹备人员,如今还在这个团队的只剩下罗俊和一名工作人员。一开始,全国有3家引力实验研究中心,坚持到今天从未间断过的只有华中科技大学引力中心。

涂良成说:“原因很清楚,实验周期特别长,拿不到什么大课题大项目,要坚持下来很难。而且,这样的基础研究也不是一般人认为的研究‘热点’,而是个‘冷门’,所以有人选择了离开。”

然而,罗俊和他的团队认为,对G值的精确测量,不仅对于检验牛顿万有引力定律及深入研究引力相互作用规律意义重大,而且具有计量学上的重要意义,对于现实中包括地震在内的自然环境监测、地质资源勘测等都有重要战略意义。

引力常数精度的每一次提升,也是精密测量技术的一次革命。他们坚信,破解基础科学的难题,一定会推动国家科技进步。

因此,他们不仅坚持下来,而且一次次提出具有创新思想的精密测量实验方案,一次次破解关键难题。

罗俊院士(右)在华中科技大学引力实验中心与科研人员交流实验情况(3月27日摄)。新华社记者熊琦摄

引力中心筹建之初,面临的是“三无”局面:无经费资助、无资料可查、无仪器可用。由于引力实验和重力测量研究的地位重要,国外的资料无法拿到,我国也没有任何先例可循。

仪器的先进性直接决定着引力实验的数据精度。一次,引力中心欲向国外某实验室购买某种卫星重力测量仪器,对方提出该仪器不是商品,是无价的,中国要想使用,“必须交换”。

“如何交换呢?就是他们给仪器,我们必须给他们原始数据。这是非常霸道无理的要求,意味着可能拱手送出国家机密!”罗俊说,经历这件事后,引力中心更加坚定了要走独立自主的研究道路——自主设计实验路线、自主制定测量方案、自主研发仪器设备。

华中科技大学引力实验中心的涂良成(左)、胡忠坤(中)、周泽兵在交流实验情况(3月27日摄)。新华社记者熊琦摄

引力实验中要用到一种特殊的钢球,每个球的圆度要精确到1微米,而能买到的这种球最好精度在5到10微米。引力中心副研究员薛超介绍,试了很多办法都失败了,只好自己慢慢地磨,光一个球就磨了九个月,精度最终达到了0.8微米。

“四个球磨出来之后,确实达到非常好的效果,数据稳定性非常高。”薛超说,“这只是做精密测量试验所经常要花的功夫。”

G值的测量原理早已十分明确,但测量过程却异常繁琐、复杂。为了增加测量结果的可靠性,罗俊团队在实验中同时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。

“我们用两种不同的方法,用自主研发的一批仪器,一步一步将精度提高。又是一个十年,我们做到了世界上最好、获得国际认可的最高精度。”团队成员杨山清教授说。

美国天体物理联合实验室(JILA)前主席James E. Faller教授评价,“这个团队的工作非常杰出,为获得准确G值做出了极其重要的贡献”,“拥有罗俊、他的团队和这样一个出色的实验室是中国的骄傲”。

为探索而“痴”:科学在心中有一种不可抗拒的“吸引力”

罗俊院士(右)在华中科技大学引力实验中心与科研人员交流实验情况(3月27日摄)。新华社记者熊琦摄

位于武汉市洪山区喻家山下的“山洞实验室”,甬道狭长幽深,水泥涂层斑驳,甬道两边一间间摆放着各种仪器设备的实验室。不管白天黑夜,这些实验室里的灯总是亮着。假如没有了灯光,这里将是望不见尽头的黑暗。

有人发出疑问:假如没有看到今天的成果,以十年、数十年为单位的引力基础科学研究和摸索,本身就具有很强的不确定性,值得吗?

科学研究散发出的魅力似乎在科学家身上总是那么“不可抗拒”,他们的回答几乎异口同声:能测出最精确的G值、做出最好的科研成就,就足够了。

如今“山洞实验室”不断扩建,实验条件比从前大为改善,一批兼具理论与实践能力的优秀人才在这里成长。然而这里潜心科研、不问功名的氛围一直没有变,大家沉下心在科学王国里开疆拓土的创新激情也一直没变。

华中科技大学物理学院副院长涂良成在调试实验装置(3月27日摄)。新华社记者熊琦摄

冷原子物质波干涉具有潜在灵敏度高和对重力敏感的优势,是重力精密测量的新方向。引力中心胡忠坤教授刚开始做冷原子重力仪的时候,整整五年一篇论文都没发表,但他始终不言放弃,用12年的努力,在冷原子干涉重力测量方面实现“弯道超车”,由跟跑到并跑和领跑。

“引力中心实验室里测G的技术,在国家经济建设、国防科技等领域都能得到引用。” 华中科技大学物理学院党委书记张凯说,他们测量G值的过程中,一批高精端的仪器设备被研发,且其中很多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。

4月4日,华中科技大学引力实验中心周泽兵(中)与科研人员交流实验情况。新华社记者熊琦摄

科研团队用18年时间,应用精密测量技术,取得高精度星载加速度计的关键技术突破,打破了制约我国重力卫星研究的瓶颈,突破国外对我技术封锁。“未来,我们可以用重力给地球做核磁共振,可以把矿产资源这样的战略信息掌握在中国人自己的手里。”涂良成说。

“丹心未泯创新愿,白发犹残求是辉”。2014年,罗俊院士提出了引力波探测计划“天琴计划”,向着当今世界引力研究的最前沿、科学研究的新高峰发起挑战。

4月4日,引力波探测“天琴计划”研究人员在华中科技大学引力实验中心磨制用于精密测量引力的钢球。新华社记者熊琦摄

“探索引力波是精密测量研究绝对的技术挑战。”罗俊说,它要求对17万公里两颗卫星之间激光扰动的测量要达到皮米精度,相当于一根头发直径的千万分之一。

甘坐冷板凳,勇做栽树人。尽管,这将又是一次漫长而艰辛的攀爬,但这群山洞里的“引力人”坚信,无论是引力测量还是引力波探测,基础科学必将带动一个国家的人才和技术进步,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破,夯实好世界科技强国建设的根基。

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