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罗俊院士团队测量万有引力常数G的结果在Nature刊发
发布时间:2018-08-30

2018830日,国际顶级学术期刊《Nature》以长文形式在线刊发了我院引力中心罗俊院士团队最新研究进展:《Measurements of the gravitational constant using two independent methods》。该项研究成果为目前国际最高精度的万有引力常数测量值。我院博士后黎卿、中山大学天琴中心副研究员薛超及我院博士生刘建平、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。此篇论文是我校基础物理学科和我国测量万有引力常数研究领域在Nature上发表的首篇论文。




万有引力常数(G)是一个与理论物理、天体物理、地球物理、计量学等均密切相关的基本物理学常数。它的精确测量对于检验牛顿万有引力定律和研究引力相互作用性质等基本问题具有重要意义。在统一四种基本相互作用(强、弱、电磁、引力)的过程中,物理学家们提出许多新的引力理论。如一些理论预言:G值不是常量,可能随空间或时间而变化;牛顿反平方定律在近距离下破缺等。G值精度的提高有助于鉴别理论模型的正确与否和推进引力理论的发展,让人们更深刻地认识引力的本质。众所周知,引力非常微弱且不可屏蔽,因而对其的精确测量充满了挑战性。所以,万有引力常数是人类认识最早但测量精度却最差的一个基本物理学常数。


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自上世纪八十年代以来,罗俊团队就致力于采用扭秤技术精确测量万有引力常数G。该团队利用华中科技大学人防山洞实验室天然恒温、地面振动小、外部干扰少等优越的条件,先后解决了限制精密扭秤精度的多项关键技术,历经十多年的努力于1999年得到了第一个G值,相对不确定度105 ppm。该结果被随后历届的国际科学技术数据委员会(CODATA)录用,并被命名为HUST-99。又历时十年,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所收录并命名为HUST-09


2008年起,鉴于国际上各个小组G值测量结果相互之间不吻合,为了弄清G值的测量是否与方法相关和探寻不同方法中可能存在的潜在系统误差,罗俊院士团队开始同时采用两种完全不同的实验方法——扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法进行G值的精确测量。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。罗俊院士团队攻克了一系列的技术困难,如扭丝滞弹性效应、高精度双转台反馈控制、背景引力梯度的精确补偿、地面振动的隔离等。如今,又经过一个十年的沉淀,罗俊院士团队再次一鸣惊人,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。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,此次罗俊院士团队采用两种不同方法测G,精度达到国际最好水平,吻合程度接近10-5。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G的推荐值做出实质性的贡献。



为提高G值的测量精度,该团队在此过程中研发了一批高精端的仪器设备,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。




G的原理比较简单,但测量过程异常复杂和困难,是目前精密测量领域最具挑战性的实验之一。从上世纪80年代罗俊老师开始进行万有引力常数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。罗俊院士以身作则,对实验过程中的每个重要阶段都主动带领团队成员一起分析、讨论并悉心指导。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。论文共同作者胡忠坤、周泽兵、涂良成、邵成刚、杨山清等人已分别成长为相关领域的带头人,他们将是推动我校精密测量物理学科快速发展的重要力量。


该研究工作先后得到科技部、教育部、国家自然科学基金委及华中科技大学等各方面的支持。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0431-5.

 

 

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