中國科學家在山洞耗費30年,只為得到1個數字,究竟有什麼意義?

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1687年,牛頓的萬有引力定律在他的著作《自然哲學的數學原理》中被提出,牛頓萬有引力定律指出了使蘋果落地的力和維繫行星沿橢圓軌道運動的力本質一致,而這種力在我們生活中無處不在,小到看不見的基本粒子,大到宇宙天體,這就是「萬有引力」。


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儘管牛頓發現了萬有引力定律,可是他一生都沒有測算出引力常量G究竟是多少。按說只要測出兩個物體的質量,測出兩個物體間距離,再測出物體間的引力,代入萬有引力定律,就可以測出這個常量。但因為一般物體的質量太小了,它們間的引力無法測出,而天體的質量太大了,又無法測出質量。


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在牛頓之後,另外一位怪咖科學家卡文迪許想要測量地球的重量,可是這必須要知道引力常量才能計算。

這就是物理史上經典的卡文迪許扭秤實驗,他用兩個大鉛球使它們接近兩個小球。從懸掛小球的金屬絲的扭轉角度,測出這些球之間的相互引力。根據萬有引力定律,可求出常數G。根據卡文迪許的多次實驗,測算出地球的平均密度是水密度的5.481倍(21世紀數值為5.517,誤差為0.65253%左右)。


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後人也依據他的實驗結果整理出了G=3*g/4πRp,並確定了萬有引力常數6.754×10^ -11N·m²/kg²。

然而這並不是最為精確的萬有引力數值,因為萬有引力常數(G)是一個與理論物理、天體物理、地球物理、計量學等均密切相關的基本物理學常數。

它的精確測量對於檢驗牛頓萬有引力定律和研究引力相互作用性質等基本問題具有重要意義。

而在當代物理學體系中,物理學家在統一四種基本相互作用(強、弱、電磁、引力)的過程中,提出了許多新的引力理論。如一些理論預言:G值不是常量,可能隨空間或時間而變化;牛頓反平方定律在近距離下破缺等。


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而作為人類認識的第一個基本常數,萬有引力常數的測量精度是目前所有基本常數中最差的,以往國際上不同實驗小組的G值測量的精度在10-5,相互之間的吻合程度僅達到10-4的水平,因為精度問題很多與之相關的基礎科學難題至今無法解決

G值精度的提高有助於鑒別理論模型的正確與否和推進引力理論的發展,讓人們更深刻地認識引力的本質。

2018年8月30日,國際頂級學術期刊《Nature》以長文形式在線刊發了我院引力中心羅俊院士團隊最新研究進展:《Measurements of the gravitational constant using two independent methods》。該項研究成果為目前國際最高精度的萬有引力常數測量值。


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羅俊得到的G值是6.674184×10 ^- 11N·m²/kg²和6.674484×10 ^- 11N·m²/kg²,相對標準不確定度分別為11.64和11.61 ppm(parts per million)。


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這個數值是羅俊在山洞裡耗費了整整30年時光才得來的,1983年10月,華中工學院(現華中科技大學)開始籌建引力實驗中心。由於引力實驗對恆溫、隔振、電磁屏蔽等要求極高,所以最終建造在了喻家山人防山洞內。


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當時還是物理學家陳應天教授研究生的羅俊就全程參與了中心的籌建和研究工作,1986年開始,除去吃飯和睡覺,羅俊幾乎都在山洞中度過。長年不見太陽,加之山洞裡陰暗潮濕,羅俊頭髮掉了一大半,索性剃了光頭;1992年,羅俊左臉出現一片片的白色斑塊,直到1996年才治好。


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1998年,羅俊取得了105ppm相對精度的測G結果。2009年,羅俊團隊將G的測量精度提高到26ppm。這是國際上精度優於50ppm的七個結果之一,也是採用扭秤周期法測得的最高精度G值。而到了2018年,羅俊團隊將G的測量精度提高到11ppm。喻家山人防山洞也被外國專家稱為「世界的引力中心」。


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羅俊花費30年的時間測得的引力常數除了對世界物理髮展具有推動作用,為提升我國在基礎物理學領域的話語權、為物理學界確定高精度的引力常數G的推薦值做出實質性的貢獻之外。

他在測量引力常數時使用了兩種獨立的方法——扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法。以及自主研發了兩種方法相關的裝置設計、高精端的儀器設備,其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質勘探等方面發揮重要作用。如團隊發展的精密扭秤技術已經成功應用在衛星微推進器的微推力標定、空間慣性感測器的地面標定等方面,這些儀器將為精密重力測量國家重大科技基礎設施以及空間引力波探測——「天琴計劃」的順利實施奠定良好的基礎。


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正如國外評價得那樣:「G值的測量並非一勞永逸,它需要有科學家持續為它『保鮮』,但是對它的測量又及其艱辛,而羅俊團隊通過30年的努力,貢獻了目前世界上最為精確的G值,中國應該為擁有這樣一個能夠持之以恆並永遠保有熱情的團隊而驕傲!」


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