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新華社武漢10月31日電 題：在中國(guó)一所大學(xué)的山洞里，有這樣一群“追引力的科學(xué)家”

新華社記者皮曙初、俞儉、胡喆

三百多年前，牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律，并提出精確計(jì)算物體與物體間引力的萬(wàn)有引力常數(shù)G。然而，由于引力十分微弱，作為人類最早認(rèn)識(shí)的物理學(xué)基本常數(shù)，G值的測(cè)量精度迄今為止仍是最差的一個(gè)。

在湖北武漢的華中科技大學(xué)，有這樣一群科學(xué)家，他們堅(jiān)守防空洞改建的實(shí)驗(yàn)室，在艱苦環(huán)境下，忍受著常人難以想象的孤寂和冷清，三十多年如一日，探索著萬(wàn)有引力的奧秘，一次次將萬(wàn)有引力常數(shù)G值推向新的測(cè)量精度。不久前，中國(guó)科學(xué)院院士羅俊團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志刊發(fā)最新成果，測(cè)出了當(dāng)前世界最精確的G值，實(shí)現(xiàn)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)?guó)際一流的趕超。

與時(shí)間苦“熬”：堅(jiān)持不懈“坐熱”基礎(chǔ)研究“冷板凳”

萬(wàn)有引力定律發(fā)現(xiàn)100多年后，英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許第一次利用扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)出G值，因而被認(rèn)為是歷史上第一個(gè)測(cè)出萬(wàn)有引力常數(shù)的科學(xué)家，他的實(shí)驗(yàn)也被稱為“測(cè)量地球重量的實(shí)驗(yàn)”。此后，各國(guó)科學(xué)家一直在為測(cè)量更精確的G值不懈努力。

引力測(cè)量的難度，在于實(shí)驗(yàn)對(duì)地面振動(dòng)、電磁力、溫度變化等干擾極為敏感。華中科技大學(xué)引力中心是目前我國(guó)唯一引力實(shí)驗(yàn)研究基地。20世紀(jì)80年代初籌建之初，他們選中校內(nèi)喻家山一處防空洞作為實(shí)驗(yàn)室。山洞陰暗潮濕，但是震動(dòng)小、溫度恒定，是難得的引力實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。

從那時(shí)起，羅俊帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)一直堅(jiān)守在山洞之中。開始的近10年，除去吃飯和睡覺(jué)，羅俊幾乎全在山洞中度過(guò)。經(jīng)年累月，頭發(fā)掉了一大半，臉上出現(xiàn)一塊塊白斑，甚至“每個(gè)月都要感冒發(fā)燒一兩次”。因?yàn)樯蕉蠢锏臏囟瘸Ｄ晔?0攝氏度，溫差不超過(guò)1攝氏度，羅俊常年只穿一件襯衫，過(guò)著屬于自己的“恒溫”季節(jié)。

十多年過(guò)去，1998年，羅俊發(fā)表105ppm(1ppm即百萬(wàn)分之一)相對(duì)精度的萬(wàn)有引力常數(shù)測(cè)量結(jié)果，成為當(dāng)時(shí)世界上測(cè)量精度最高的G值之一。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果被國(guó)際科技數(shù)據(jù)委員會(huì)(CODATA)的基本物理常數(shù)所收錄，并以華中理工大學(xué)英文縮寫HUST命名。

位于中國(guó)中部的這個(gè)小山洞引起了世界關(guān)注，國(guó)外專家將其譽(yù)為“世界引力中心”。

基礎(chǔ)科學(xué)研究猶如攀爬陡峭的巉巖，漫長(zhǎng)而艱辛。引力實(shí)驗(yàn)更是一項(xiàng)十分長(zhǎng)期艱苦的研究，從實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、打磨，到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得，每前進(jìn)一步往往需要十?dāng)?shù)年乃至數(shù)十年的苦“熬”。

又經(jīng)過(guò)十年實(shí)驗(yàn)和研究，羅俊團(tuán)隊(duì)將G值測(cè)量精度提高到26ppm，這是采用扭秤周期法測(cè)得的最高精度G值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次被CODATA值收錄，命名為HUST-09。

“這個(gè)精度相當(dāng)于在一個(gè)1米桿的一端，放上一粒灰塵千萬(wàn)分之一的重量，也能測(cè)量出來(lái)?！绷_俊說(shuō)。

“做這樣的實(shí)驗(yàn)沒(méi)點(diǎn)‘瘋狂’與‘執(zhí)拗’，是堅(jiān)持不下來(lái)的?！比A中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長(zhǎng)涂良成說(shuō)。

這樣的“瘋狂”和“執(zhí)拗”從未停歇。又是一個(gè)十年過(guò)去，羅俊團(tuán)隊(duì)采用扭秤周期法和角加速度法兩種不同方法，在同一實(shí)驗(yàn)室測(cè)量萬(wàn)有引力常數(shù)，給出了目前國(guó)際上最高精度的G值，相對(duì)不確定度優(yōu)于12ppm。

“也許在外人看來(lái)那是相當(dāng)?shù)目菰?，但我們沒(méi)有覺(jué)得，因?yàn)槲覀冄芯康膯?wèn)題是科學(xué)還沒(méi)解決的領(lǐng)地，在未知的世界里探索，哪怕你只獲得一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)展，都會(huì)非常開心。”團(tuán)隊(duì)成員楊山清說(shuō)。

從羅俊到“70后”的周澤兵、胡忠坤、涂良成，“80后”周敏康、楊山清、段小春，乃至“90后”博士生、碩士生，一代代“引力人”就這樣耐得住寂寞、守得住冷清，硬是把基礎(chǔ)研究的“冷板凳”生生給“坐熱了”。

為科學(xué)而“瘋”，自力更生艱苦創(chuàng)造成就“世界最好”

1985年“山洞實(shí)驗(yàn)室”建成之時(shí)，有14個(gè)籌備人員，如今還在這個(gè)團(tuán)隊(duì)的只剩下羅俊和一名工作人員。一開始，全國(guó)有3家引力實(shí)驗(yàn)研究中心，堅(jiān)持到今天從未間斷過(guò)的只有華中科技大學(xué)引力中心。

涂良成說(shuō)：“原因很清楚，實(shí)驗(yàn)周期特別長(zhǎng)，拿不到什么大課題大項(xiàng)目，要堅(jiān)持下來(lái)很難。而且，這樣的基礎(chǔ)研究也不是一般人認(rèn)為的研究‘熱點(diǎn)’，而是個(gè)‘冷門’，所以有人選擇了離開?！?/p>

然而，羅俊和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，對(duì)G值的精確測(cè)量，不僅對(duì)于檢驗(yàn)牛頓萬(wàn)有引力定律及深入研究引力相互作用規(guī)律意義重大，而且具有計(jì)量學(xué)上的重要意義，對(duì)于現(xiàn)實(shí)中包括地震在內(nèi)的自然環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)資源勘測(cè)等都有重要戰(zhàn)略意義。

引力常數(shù)精度的每一次提升，也是精密測(cè)量技術(shù)的一次革命。他們堅(jiān)信，破解基礎(chǔ)科學(xué)的難題，一定會(huì)推動(dòng)國(guó)家科技進(jìn)步。

因此，他們不僅堅(jiān)持下來(lái)，而且一次次提出具有創(chuàng)新思想的精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)方案，一次次破解關(guān)鍵難題。

引力中心籌建之初，面臨的是“三無(wú)”局面：無(wú)經(jīng)費(fèi)資助、無(wú)資料可查、無(wú)儀器可用。由于引力實(shí)驗(yàn)和重力測(cè)量研究的地位重要，國(guó)外的資料無(wú)法拿到，我國(guó)也沒(méi)有任何先例可循。

儀器的先進(jìn)性直接決定著引力實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)精度。一次，引力中心欲向國(guó)外某實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買某種衛(wèi)星重力測(cè)量?jī)x器，對(duì)方提出該儀器不是商品，是無(wú)價(jià)的，中國(guó)要想使用，“必須交換”。

“如何交換呢？就是他們給儀器，我們必須給他們?cè)紨?shù)據(jù)。這是非常霸道無(wú)理的要求，意味著可能拱手送出國(guó)家機(jī)密！”羅俊說(shuō)，經(jīng)歷這件事后，引力中心更加堅(jiān)定了要走獨(dú)立自主的研究道路——自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線、自主制定測(cè)量方案、自主研發(fā)儀器設(shè)備。

引力實(shí)驗(yàn)中要用到一種特殊的鋼球，每個(gè)球的圓度要精確到1微米，而能買到的這種球最好精度在5到10微米。引力中心副研究員薛超介紹，試了很多辦法都失敗了，只好自己慢慢地磨，光一個(gè)球就磨了九個(gè)月，精度最終達(dá)到了0.8微米。

“四個(gè)球磨出來(lái)之后，確實(shí)達(dá)到非常好的效果，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性非常高?！毖Τf(shuō)，“這只是做精密測(cè)量試驗(yàn)所經(jīng)常要花的功夫。”

G值的測(cè)量原理早已十分明確，但測(cè)量過(guò)程卻異常繁瑣、復(fù)雜。為了增加測(cè)量結(jié)果的可靠性，羅俊團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)使用了扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法兩種獨(dú)立的方法。這兩種實(shí)驗(yàn)方法雖已不再新奇，但與兩種方法相關(guān)的裝置設(shè)計(jì)及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均需團(tuán)隊(duì)成員自己摸索、自主研制完成。

“我們用兩種不同的方法，用自主研發(fā)的一批儀器，一步一步將精度提高。又是一個(gè)十年，我們做到了世界上最好、獲得國(guó)際認(rèn)可的最高精度?！眻F(tuán)隊(duì)成員楊山清教授說(shuō)。

美國(guó)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(JILA)前主席James E. Faller教授評(píng)價(jià)，“這個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作非常杰出，為獲得準(zhǔn)確G值做出了極其重要的貢獻(xiàn)”，“擁有羅俊、他的團(tuán)隊(duì)和這樣一個(gè)出色的實(shí)驗(yàn)室是中國(guó)的驕傲”。

為探索而“癡”：科學(xué)在心中有一種不可抗拒的“吸引力”

位于武漢市洪山區(qū)喻家山下的“山洞實(shí)驗(yàn)室”，甬道狹長(zhǎng)幽深，水泥涂層斑駁，甬道兩邊一間間擺放著各種儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室。不管白天黑夜，這些實(shí)驗(yàn)室里的燈總是亮著。假如沒(méi)有了燈光，這里將是望不見(jiàn)盡頭的黑暗。

有人發(fā)出疑問(wèn)：假如沒(méi)有看到今天的成果，以十年、數(shù)十年為單位的引力基礎(chǔ)科學(xué)研究和摸索，本身就具有很強(qiáng)的不確定性，值得嗎？

科學(xué)研究散發(fā)出的魅力似乎在科學(xué)家身上總是那么“不可抗拒”，他們的回答幾乎異口同聲：能測(cè)出最精確的G值、做出最好的科研成就，就足夠了。

如今“山洞實(shí)驗(yàn)室”不斷擴(kuò)建，實(shí)驗(yàn)條件比從前大為改善，一批兼具理論與實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才在這里成長(zhǎng)。然而這里潛心科研、不問(wèn)功名的氛圍一直沒(méi)有變，大家沉下心在科學(xué)王國(guó)里開疆拓土的創(chuàng)新激情也一直沒(méi)變。

冷原子物質(zhì)波干涉具有潛在靈敏度高和對(duì)重力敏感的優(yōu)勢(shì)，是重力精密測(cè)量的新方向。引力中心胡忠坤教授剛開始做冷原子重力儀的時(shí)候，整整五年一篇論文都沒(méi)發(fā)表，但他始終不言放棄，用12年的努力，在冷原子干涉重力測(cè)量方面實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，由跟跑到并跑和領(lǐng)跑。

“引力中心實(shí)驗(yàn)室里測(cè)G的技術(shù)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防科技等領(lǐng)域都能得到引用?！?華中科技大學(xué)物理學(xué)院黨委書記張凱說(shuō)，他們測(cè)量G值的過(guò)程中，一批高精端的儀器設(shè)備被研發(fā)，且其中很多儀器已在地球重力場(chǎng)的測(cè)量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用。

科研團(tuán)隊(duì)用18年時(shí)間，應(yīng)用精密測(cè)量技術(shù)，取得高精度星載加速度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)突破，打破了制約我國(guó)重力衛(wèi)星研究的瓶頸，突破國(guó)外對(duì)我技術(shù)封鎖?！拔磥?lái)，我們可以用重力給地球做核磁共振，可以把礦產(chǎn)資源這樣的戰(zhàn)略信息掌握在中國(guó)人自己的手里?！蓖苛汲烧f(shuō)。

“丹心未泯創(chuàng)新愿，白發(fā)猶殘求是輝”。2014年，羅俊院士提出了引力波探測(cè)計(jì)劃“天琴計(jì)劃”，向著當(dāng)今世界引力研究的最前沿、科學(xué)研究的新高峰發(fā)起挑戰(zhàn)。

“探索引力波是精密測(cè)量研究絕對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)?！绷_俊說(shuō)，它要求對(duì)17萬(wàn)公里兩顆衛(wèi)星之間激光擾動(dòng)的測(cè)量要達(dá)到皮米精度，相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的千萬(wàn)分之一。

甘坐冷板凳，勇做栽樹人。盡管，這將又是一次漫長(zhǎng)而艱辛的攀爬，但這群山洞里的“引力人”堅(jiān)信，無(wú)論是引力測(cè)量還是引力波探測(cè)，基礎(chǔ)科學(xué)必將帶動(dòng)一個(gè)國(guó)家的人才和技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破，夯實(shí)好世界科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)的根基。

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千島湖新聞網(wǎng)　責(zé)任編輯：徐滿萍