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我科學家測出最精確萬有引力常數
2018-08-30 16:30  

《自然》雜志刊發了中國科學院院士羅俊團隊最新測G結果,該團隊歷經30年艱辛測出了截至目前國際上最高精度的G值。

牛頓萬有引力定律指出了使蘋果落地的力和維系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。要計算物體間的萬有引力,則需知道引力常數G的大小,但令人遺憾的是,截至目前,我們并不知道G的精確值是多少。對萬有引力常數G的精確測量不僅具有計量學上的意義,其對于檢驗牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規律都具有重要意義。

羅俊團隊從上世紀80年代就已開始采用扭秤技術精確測量萬有引力常數G,歷經10多年的努力于1999年得到了第一個G值,被隨后歷屆的國際科學技術數據委員會(CODATA)錄用。科學探索的腳步沒有就此止步,該團隊對實驗方案進行了一系列優化以及對各項誤差進行更深入的研究,并于2009年發表了新的結果,相對精度達到26ppm。該結果是當時采用扭秤周期法得到的最高精度的G值,也被隨后的歷屆CODATA所收錄命名為HUST-09。如今,羅俊團隊再次一鳴驚人,采用兩種不同方法測G,給出了目前國際上最高精度的G值,相對不確定度優于12ppm,實現了對國際頂尖水平的趕超。

據專家介紹,G值的測量原理早已十分明確,但測量過程卻異常繁瑣、復雜。在一種測量方法中,往往包含近百項的誤差需要評估。本次實驗中,為了增加測量結果的可靠性,實驗團隊同時使用了兩種獨立的方法,分別是扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法。這兩種實驗方法雖已不再新奇,但與兩種方法相關的裝置設計及諸多技術細節均需團隊成員自己摸索、自主研制完成。在此過程中一批高精尖的儀器設備被研發出來,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。如團隊開發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、空間慣性傳感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。

論文的通訊作者之一、團隊核心成員、華中科技大學引力中心楊山清教授感慨:“從上世紀80年代羅俊院士開始進行萬有引力常數G的精確測量實驗研究至今,他已將其看作是畢生的事業,幾十年如一日地在華中科技大學山洞實驗室工作。羅院士不僅給我們提供了方向的指引,同時以身作則,對實驗過程中的每個重要階段他都主動帶領團隊成員一起分析、討論并指導大家做實驗。一批兼具理論與實踐能力的優秀人才在此過程中得以成長。”

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