仪器及技术积累对“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础

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薛超:罗俊团队采用两种不同方法测G,扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法,我和华中科技大学物理学院博士生邬俊飞一起主要负责扭秤角加速度反馈法的实验研究内容。

实验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。”

罗俊团队引力中心成“世界的引力中心”

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值测量的相对精度虽然接近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。

历时30年实现3大突破

相对不确定度优于12ppm可理解为,对于每种方法G值测量结果的中心值,已经可以确定到小数点后第四位。

南都:引力常数G通俗解释一下?目前的精度如何?G在万有引力定律、乃至整个物理学领域中,占据怎样的作用?

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薛超:拿我们实验中的吸引质量球体为例,球体形状要求接近完美球体,我们两种方法里面,其中一种方法扭秤周期法的球圆度要求好于0.3微米。比如我们筛选到一个很圆的球体,但要对球体凹凸不平的量有要求,当凹凸量相差5微米时还是不够,5微米相当于比头发丝还细了50多倍。为了追求球体的精度,我们只能自己想办法研磨。最终达到了球体的凹凸差仅为1微米。从5微米到1微米再到好于0.3微米,仅仅是制作这样一个球体,就需通过手工研磨近半年时间。

采写:南都记者 贺蓓摄影:南都记者 陈辉

G值测量的基本原理在物理学上早已十分明确,这个实验的挑战在于测量过程异常繁琐、复杂,需要将各种干扰因素控制在相应的精度范围内。

万有引力定律大家都不陌生

薛超: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。

另外,诸如球体密度的均匀性检验、球体间的举例的精确测量、扭丝的特性研究等类似问题,均需要仔细研究和评估,这些问题耗费了我们团队相当多的精力。

罗俊院士团队的测G历史可以追溯到上世纪八十年代,一直致力于采用自主研制的扭秤技术精确测量万有引力常数G,30多年的时间里不断对扭秤系统进行改良和优化设计,对其各方面的特性进行了非常全面的研究。

南都:能否介绍您在这一研究中主要负责的内容。测量常数G要在怎样的环境和条件下?

薛超:这一成果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。

原标题:他们花了30年测得万有引力常数G国际最高精度

球体的凹凸差比1根头发丝还细250多倍

中山大学天琴中心特聘副研究员薛超:万有引力定律认为,大到宇宙天体,小到看不见的粒子,任何物体之间都具有相互吸引力,这个力的大小与各个物体的质量成正比例,与它们之间距离的平方成反比。

1.目前各种天体(如地球)的质量测量精度就受限于G值的测量精度,知道G值精度越高,就可以得到更高精度的地球质量或其它天体的质量,这毫无疑问会对物理学的发展大有裨益;

《自然》称这项实验可谓

又经过整整十年的不懈努力,罗俊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,达到国际领先水平。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”。

他们用了30年

追求精度,半年时间跟一个完美球体较劲

薛超: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。正如论文的通讯作者之一杨山清教授所说:“从上世纪80年代罗俊院士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。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。

“精确测量领域卓越工艺的典范”

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南都:在实验中,精度有怎样的要求?可否举例?

G值的测量精度是目前所有基本常数中最差的

意义1

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薛超:我们使用了两种独立的方法进行测G,两个方法测量出的两个G值不确定度均好于0.0012%,两者相差约0.004%。国际科技数据委员会(CODATA)2014年收录的14个G值中,当时的最高精度为0.0014%,最大最小值相差约0.05%。在2014年收录的14个G值中,罗俊院士团队是国内唯一团队。

在随后的十年时间里,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,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。

2、高精度的G值也会帮助我们弄清关于G可能随时间变化以及G是否是常数等相关的理论问题。

南都专访论文共同第一作者、参与实验的
中山大学天琴中心特聘副研究员薛超、刘祺。薛超通俗解释道,“所谓最高精度的G值,即相当于精确度提高到了G值的小数点后第四位,以前只精确到第三位。”

获得更高精度的G值对很多领域如天体物理、地球物理、计量学等都具有重要意义,举两个简单的例子:

8月30日《自然》杂志刊发了中国科学院院士、中山大学校长罗俊团队最新测G结果,该团队历经30年艰辛,测出了截至目前国际上最高精度的G值。《自然》杂志发表评论文章称,这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。

南都:罗俊团队从上世纪80年代已开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G,30多年来先后取得了哪些研究发现?在研究方法和技术上,这些年有怎样的突破和创新?

实验相关装置设计及诸多技术细节均自主研制

【历届CODATA推荐的G值】

南都:这一次,罗俊团队采用两种不同方法G(扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法),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。这两种方法的独创性如何?“相对不确定度优于12
ppm”怎么通俗理解?

南都:如何定义这里的最高精度?团队通过怎样的过程和努力测出最高精度?

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超】

南都:这一重大研究对于目前在进行的“天琴计划”项目实施,有怎样的促进?

测得目前国际上最高精度的G值

但G值测量精度是目前所有基本常数中最差的

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《自然》杂志发表评论文章称,这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。

我们现在使用的两种测G方法均基于扭秤这一经典弱力测量工具,通过不断改进减小实验中各项误差的影响,最终得到了目前的实验设计方案。

意义2

将精确度提高到小数点后第四位!

薛超:罗俊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(CODATA)录用。

责任编辑:

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超(右)、刘祺(左)】

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

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。例如,要想精确回答地球等天体有多重,就要依赖于G值的测量精度。

测量地点选在华中科技大学北面的喻家山山洞中,山洞天然的恒温特性为测G工作提供了日温度波动小于0.01℃的优质实验环境,同时有着厚重山体的屏蔽,外界的干扰也减小许多。

南都:这一成果,对万有引力常数G的精确测量具有哪些研究意义和实际意义?

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