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对话华中科技大学引力中心团队:“山顶洞人”坚守35年测世界之最

发布时间:2018-09-25 08:39:35来源:楚天都市报

图为杨山清教授(左二)与团队小伙伴们

图为第一代研究者罗俊院士

□楚天都市报记者张聪

摄影:楚天都市报记者萧颢实习生周院

对话时间:9月4日对话

人物:华中大引力中心罗俊院士团队杨山清、黎卿、刘建平、邬俊飞

人物介绍

华中科技大学物理学院引力中心罗俊团队。从1983年开始,他们以中科院院士罗俊为核心,35年来奋战在万有引力常数G值的测量一线。

1998年,测G15年后,罗俊团队测得第一个G值,被历届国际科学技术数据委员会(CODATA)录用,命名为HUST-99(HUST是华中科技大学的英文简称)。

2009年,罗俊团队又发表改进的测G结果,相对精度达到26ppm,再被CODATA收录并命名为HUST-09。2015年罗俊调任中山大学校长后,团队依然在努力。

今年8月30日,世界顶尖学术杂志之一的《Nature》(《自然》)刊发该团队最新研究成果——目前国际最高精度的万有引力常数G值。黎卿、刘建平、邬俊飞为文章共同第一作者,杨山清教授、邵成刚教授与罗俊院士一起为共同通讯作者。

对话背景

位于华中大北面的喻家山山腹中,两条狭长甬道通往科学圣殿。这是一座防空洞。宽2米的甬道四壁,水泥涂层斑驳,甬道上方的吊灯一旦熄灭,这里就陷入伸手不见五指的黑暗。防空洞深处,是两间被命名为“山洞测G实验室”的场所。30多年来,几代被笑称“山顶洞人”的科学工作者,最终测出目前世界上最精确的G值。

最早发现的物理常数

至今测量精度却最难

楚天都市报(C):对普通人来讲,万有引力常数G其实是一个相当艰涩的概念,我们测量更精确的G值,意义在哪里?

罗俊团队(L):学过高中物理的可能都知道重力加速度g,而我们现在所说的G是万有引力常数。G有什么作用?任何物体间都有万有引力,但要计算物体间引力大小,就需要知道引力常数G的值。

G的精确度越高,有关天体质量、平均密度精度就越高。在天体与天体之间,引力是占绝对主导作用的力,地球绕太阳转,银河系的形成都是引力起作用。如果G更精确,对于天体之间运行轨道周期的测量就会更清晰、准确。

另外相对重力加速度g而言,引力常数G是物理上一个更基本的量,由于G精度不够,导致一些物理量也无法准确。

由于引力非常微弱,实验容易受周围环境干扰,对G值的精确测量一直是物理学上的挑战。测量中,需要研发一系列高灵敏度仪器,探寻新的测量技术方法,这其中很多自主研发的仪器和测量技术已在地球重力场的测量、地质勘探等领域发挥作用。比如精密扭秤技术,已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。

C:一个团队几十号人奋斗30多年才测出世界最精确G值,测G究竟为何这样难?

L:G是这个世界上最早被发现的物理常数,但也是现在所有常数里测量精度最难的。

为什么?万有引力在天体运行中显得突出,但在我们生活中十分微弱。比如相距1米、质量1公斤的两个物体间引力作用相当于只有几个细胞的重量,为探测到它,需要研发灵敏度极高的仪器设备。

第二个难度是引力不能被屏蔽,它不像电磁,用一个罩子罩起来外界干扰就可以对实验没影响,引力没有办法被屏蔽——周围有人经过,外面有车路过,仪器上掉落一粒灰尘,测量球内部有空隙……都会对结果产生影响。

接力当好“山顶洞人”

测G值需要“痴”精神

C:那最终这三十年,我们怎么克服这些难题?

L:首先我们有山洞实验室,因为是在山腹之中,外界干扰就少了很多。这个实验室你能感觉到,一进去手机完全没有信号,室温长期在20℃左右。

现在我们得出的这个世界最精确G值,也是分了三个阶段。罗老师从 1983年开始研究,1998年得到的第一个G值获认可;到2009年,又做出了第二个结果,相对精度达到26ppm(即百万分之二十六)。在罗老师的带领下,我们团队再接再厉,凭借之前20多年的技术积累,成功攻克了之前实验中存在的较大的系统误差项,并使用两种独立的方法,实验过程中伴随多次的重复实验从而有效提高测量结果的置信水平,终于在今年获得世界上精度最高的测量值。

科学的认识从来都不是一蹴而就,中间经历过许多失败的尝试。在不断摸索中前行,几代人的青春就挥洒在这个过程里。

C:三十年就为一个数据,听起来都觉枯燥。

L:我们这几个人算第三阶段的实施者。杨山清老师是2003年开始做这件事的,黎卿是2007年以博士生身份加入的,刘建平是2011年直博,邬俊飞是2013年直博,算下来最长时间的有15年,最短的也已经5年了。

但说实话我们来的时候,山洞实验室的设备、条件已经很齐全了。1983年罗俊老师开始启动这个研究时,环境是非常艰苦的,防空洞是原生态的洞,漏水,二氧化碳浓度非常高,当年做实验需要两人一起,是为了保证人身安全。长期呆在洞里对身体有影响,感冒是常事。

测G本身是一个非常枯燥又很难在短时间内看到成效的研究,最早罗老师身边有十来个人一起做,后来陆陆续续离开,只剩他与一名技术人员,但他干得有滋有味。

C:这种情况下罗俊老师也没有放弃?

L:罗老师是一个很“痴”的人。怎么痴呢?洞里的温度长期都是20℃,一待一天,那时罗老师总是穿个袄子。夏天室外可能有40℃,但他出去吃中饭也不感觉特别热,在食堂就想不起来脱袄子。别人都笑“这个人肯定精神有问题”,其实他就是忘了脱袄子。

不因默默无闻而失落

成果写进人类教科书

C:很多人印象里,科学工作者的生活可能比较闭塞,性格古板。你们是这样的吗?

L:(笑)这种观念哪里来的?是因为大家都看《生活大爆炸》,以为我们都是“谢耳朵”(Sheldon,美剧《生活大爆炸》中的怪咖天才,智商超群,情商为0)对吗?其实不是的,我们平时生活看娱乐节目,比如小邬就看过好几季《我是歌手》,刘博士平时喜欢漫威电影。我们现在的这一批人都是80后、90后嘛。

当然,想要做好研究也会屏蔽掉很多外界的干扰,需要一心一意,人可能也会相对变沉默。加上时间不太够,有时候看上去我们的“兴趣”也显得比较落伍,像小邬和刘博士打游戏还是 dota(2005年左右火爆的一款游戏),玩的还是高中、本科阶段的东西。

C:在你们看来,90后的孩子们对于科学、奉献是抱着怎样的态度?

L:相对而言,大家可能觉得物理这个专业偏冷,因为一般工科类专业与就业更息息相关。其实不然,物理属基础学科,物理研究追逐的是对自然界规律最朴素的认识,每一届都有带着“探物穷理”的初心来到华中大的学生。我们几个当初来的时候就是直接选的物理专业,测G的过程真的很能锻炼人的性格和素养,这是一种幸福。

C:测G的突破,普通人不易理解,由此也很难引人关注。对于身在其中的你们,会不会因此而失落?

L:普通人确实不太了解,就比如这次《自然》杂志发表论文后,朋友圈里转发最多的也就是我们大学本科同学,高中同学那个范围少有人感兴趣。有时家里聚会亲戚朋友也会问,你们学物理是不是造原子弹啊?(笑)大家可能会因“两弹一星”,理所当然想象物理就是那个领域。有时候想想,我们做的这个研究好像确实默默无闻,但失落还真的没有,因为我们内心知道自己是干什么的,测出最精确的G值,写入人类教科书,这是大大的成就。