蛰伏三十年 罗俊院士团队测得常数G最精确值

作者: 生活  发布:2020-04-15

   8月30日,国际顶级杂志《自然》刊发了我校罗俊院士团队最新测G结果,该团队历经30年艰辛测出了截至目前常数G的最精确值。

【南方日报】三十载攻坚自然界最难常数 中大校长罗俊院士团队测得最精确万有引力常数

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  牛顿万有引力定律指出了使苹果落地的力和维系行星沿椭圆轨道运动的力本质一致,而这种力在我们生活中无处不在,小到看不见的基本粒子,大到宇宙天体,这就是“万有引力”。要计算物体间的万有引力,则需知道引力常数G的大小,但令人遗憾的是截止目前,我们并不知道G的精确值是多少。对万有引力常数G的精确测量不仅具有计量学上的意义,其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都具有重要意义。

稿件来源:南方日报2018-8-31第A06版 | 作者:钟哲 | 编辑: | 发布日期:2018-08-31 | 阅读次数:

  万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数,但是G值的测量精度是目前所有基本常数中最差的,以往国际上不同实验小组的G值测量的精度在10-5 ,相互之间的吻合程度仅达到10-4的水平,因为精度问题很多与之相关的基础科学难题至今无法解决。此次罗俊院士团队采用两种不同方法测G,精度均达到国际最好水平,吻合程度接近10-5 的水平,这将为提升我国在基础物理学领域的话语权、为物理学界确定高精度的引力常数G的推荐值做出实质性贡献。

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  据悉,本次发表的论文题为《采用两种独立方法精确测量万有引力常数》。引力中心博士后黎卿、中山大学天琴中心副研究员薛超及物理学院博士生刘建平、邬俊飞为共同第一作者,杨山清教授、邵成刚教授和罗俊院士为共同通讯作者。

8月30日,《Nature》刊发了中科院院士、中山大学校长罗俊团队最新测量的万有引力常数G值结果。这是目前国际精度最高的G值,对于计量学和检测万有引力定律及一系列相关的空间引力探索都具有十分重大的意义,将为精密重力测量国家重大科技基础设施以及空间引力波探测——“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础。 万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数:1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中介绍了2个物体之间的万有引力定律,引入了万有引力常数G,但由于引力太弱,人们一直无法给出G的精确结果。111年后,世界上第一个G值在卡文迪许设计的扭秤实验中被测出,其相对精度仅为1%。 由于引力相互作用极其微弱而且不可屏蔽,G值的测量精度是目前所有基本常数中最差的。为提高G值的测量精度,多年来国际上已开展了基于各种不同方法进行的测G实验,在不同实验小组得出的结果中,相对精度虽然接近10-5,但相互之间的吻合程度仅达到10-4的水平,很多与之相关的基础科学难题至今无法解决。罗俊院士团队采用扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法两种不同方法测G,精度均达到国际最好水平,吻合程度接近10-5的水平,这将为提升我国在基础物理学领域的话语权做出重大贡献。 实际上,此次成果发布可谓罗俊院士团队的厚积薄发。从上世纪八十年代开始,罗俊院士就开始进行G的精确测量。G的精确测量必须选择恒温、隔振、电磁屏蔽及外界引力干扰小的实验环境,罗俊院士团队决定把实验室建在人防山洞中。实验初期,—天24小时得有人盯在计数器前,有时连续几星期都得轮流值班。历经十多年努力后,罗俊院士团队于1999年得到了第一个G值,被随后历届的国际科学技术数据委员会(CODATA)录用;再花费一个十年后,团队于2009年发表了新的结果,相对精度达到26ppm。该结果是当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值,也被随后的历届CODATA所收录命名为HUST-09。 这一次,罗俊院士团队采用两种不同方法测G,给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm,实现了对国际顶尖水平的赶超。这两种实验方法虽不新奇,但与其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。在摸索的过程中,一批高精端的仪器设备被研发,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。 原文链接:

  罗俊院士团队从上世纪八十年代就已开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G,历经十多年的努力于1999年得到了第一个G值,被随后历届的国际科学技术数据委员会录用。科学探索的脚步没有就此止步,该团队对实验方案进行了一系列优化以及对各项误差进行更深入的研究,又历时十年,于2009年发表了新的结果,相对精度达到26ppm。该结果是当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值,也被随后的历届CODATA所收录命名为HUST-09。如今,又经过一个十年的沉淀,罗俊团队再次一鸣惊人,采用两种不同方法测G,给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm,实现了对国际顶尖水平的赶超。罗俊团队所在的引力中心在短短30多年里,从无到有,从有到强,逐步走向世界前沿,被国际同行称为“世界的引力中心”。

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  在学界,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。在一种测量方法中,往往包含近百项的误差需要评估。本次实验中,为了增加测量结果的可靠性,实验团队同时使用了两种独立的方法,分别是扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法。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。在此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。如团队发展的精密扭秤技术已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面,这些仪器将为精密重力测量国家重大科技基础设施以及空间引力波探测——“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础。

  团队核心成员杨山清教授感慨道:从上世纪80年代罗老师开始进行万有引力常数G的精确测量实验研究至今,他已将其看作是毕生的事业,几十年如一日的在山洞实验室工作。罗老师不仅给我们提供了方向的指引,同时以身作则,对实验过程中的每个重要阶段他都主动带领团队成员一起分析、讨论并指导大家做实验。一批兼具理论与实践能力的优秀人才在此过程中得以成长。测G是一项艰苦而又繁琐的工作,一个结果的得出往往需要几十年时间的摸索,每当大家想要放弃时,罗老师总是能及时给予鼓励。正是因为这样,团队成员心里也一直憋着一股拼劲儿,誓将这个实验攻下!

  “G值的测量并非一劳永逸,它需要有科学家持续为它‘保鲜’,但是对它的测量又及其艰辛,而罗俊团队通过30年的努力,贡献了目前世界上最为精确的G值,中国应该为拥有这样一个能够持之以恒并永远保有热情的团队而骄傲!”美国国家标准与技术研究所联合的研究所JILA实验室前主席、美国总统科技奖获得者James E. Faller教授对此次我校罗俊院士团队取得的成绩这样评价道。

此项研究成果的发布也得到了媒体的广泛关注。

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《人民日报》:我国科学家耗时30年测出目前最精准引力常数G

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