原标题:他们花了30年测得万有引力常数G国际最高精度

  
8月30日,国际顶级杂志《自然》刊发了我校罗俊院士团队最新测G结果,该团队历经30年艰辛测出了截至目前常数G的最精确值。

万有引力定律大家都不陌生

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但G值测量精度是目前所有基本常数中最差的

  牛顿万有引力定律指出了使苹果落地的力和维系行星沿椭圆轨道运动的力本质一致,而这种力在我们生活中无处不在,小到看不见的基本粒子,大到宇宙天体,这就是“万有引力”。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。对万有引力常数G的精确测量不仅具有计量学上的意义,其对于检验牛顿万有引力定律及深入研究引力相互作用规律都具有重要意义。

他们用了30年

  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值测量的精度在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。此次罗俊院士团队采用两种不同方法测G,精度均达到国际最好水平,吻合程度接近10-5
的水平,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数G的推荐值做出实质性贡献。

测得目前国际上最高精度的G值

  据悉,本次发表的论文题为《采用两种独立方法精确测量万有引力常数》。引力中心博士后黎卿、中山大学天琴中心副研究员薛超及物理学院博士生刘建平、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。

将精确度提高到小数点后第四位!

  罗俊院士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录用。科学探索的脚步没有就此止步,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,又历时十年,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。如今,又经过一个十年的沉淀,罗俊团队再次一鸣惊人,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,实现了对国际顶尖水平的赶超。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”。

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【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超】

  在学界,G值的测量原理早已十分明确,但测量过程却异常繁琐、复杂。在一种测量方法中,往往包含近百项的误差需要评估。本次实验中,为了增加测量结果的可靠性,实验团队同时使用了两种独立的方法,分别是扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法。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。在此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。

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”。

  团队核心成员杨山清教授感慨道:从上世纪80年代罗老师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。罗老师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。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,每当大家想要放弃时,罗老师总是能及时给予鼓励。正是因为这样,团队成员心里也一直憋着一股拼劲儿,誓将这个实验攻下!

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。”

  “G值的测量并非一劳永逸,它需要有科学家持续为它‘保鲜’,但是对它的测量又及其艰辛,而罗俊团队通过30年的努力,贡献了目前世界上最为精确的G值,中国应该为拥有这样一个能够持之以恒并永远保有热情的团队而骄傲!”美国国家标准与技术研究所联合的研究所JILA实验室前主席、美国总统科技奖获得者James
E. Faller教授对此次我校罗俊院士团队取得的成绩这样评价道。

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此项研究成果的发布也得到了媒体的广泛关注。

【中山大学天琴中心特聘副研究员薛超(右)、刘祺(左)】

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G值的测量精度是目前所有基本常数中最差的

《人民日报》:我国科学家耗时30年测出目前最精准引力常数G

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?

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。

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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。

新华社:中国科学家测出国际最精准万有引力常数

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。

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【历届CODATA推荐的G值】

《科技日报》:我国科学家测出最精确万有引力常数

《自然》称这项实验可谓

“精确测量领域卓越工艺的典范”

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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?

《中国科学报》:为了解开牛顿留下的谜题
中国科学家测出国际最精确的万有引力常数

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。

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。

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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。

《中国教育报》:华中科技大学 科学家测出最精确万有引力常数

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。

美高梅国际平台 ,《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”。

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追求精度,半年时间跟一个完美球体较劲

《中国青年报》:我国科学家测出国际最精准万有引力常数

球体的凹凸差比1根头发丝还细250多倍

南都:在实验中,精度有怎样的要求?可否举例?

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。

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