厉害了！《自然》杂志刊发，罗俊团队测出目前最精确万有引力常数
北京时间8月30日凌晨，《自然》杂志刊发了中国科学院院士罗俊团队最新测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。
◎Nature网页截图
1687年，牛顿发现了万有引力定律：
（其中G是万有引力常数）
万有引力定律认为，大到宇宙天体，小到看不见的粒子，任何物体之间都像苹果和地球之间一样，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。
定律虽好，要想派上实际用场，还得知道G的值。然而，这个值到底是多少，连牛顿本人都不清楚。
万有引力常数，一个未解之谜
G值不明确，万有引力定律就算不上完美。
但是，地球上一般物体的质量太小，引力几乎为零，而宇宙里的天体又太大，难以评估其质量。于是，在万有引力定律提出后的100多年里，G值一直是个未解之谜。
1798年，一位名叫卡文迪许的英国科学家，为了测量地球的密度，设计出一个巧妙的扭秤实验。
他制作了一个轻便而结实的T形框架，并把这个框架倒挂在一根细丝上。如果在T形架的两端施加两个大小相等、方向相反的力，细丝就会扭转一个角度。
◎扭秤实验模型图示（来源：网络）
根据T形架扭转的角度，就能测出受力的大小。接着，卡文迪许在T形架的两端各固定一个小球，再在每个小球的附近各放一个大球。
为了测定微小的扭转角度，他还在T形架上装了一面小镜子，用一束光射向镜子，经镜子反射后的光射向远处的刻度尺，当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时，刻度尺上的光斑会发生较大的移动。
这样，万有引力的微小作用效果就被放大了。
根据这个实验，后人推算出了历史上第一个万有引力常数G值——6.67x10-11N·m2/kg2。
罗俊团队与不断更新的G值
卡文迪许测出了常数值，但科学家们并不满足。
在他们看来，万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数，而G值的测量精度却是所有基本常数中最差的。而G值的精度在天体物理、地球物理、计量学等领域有着重要意义。
怎么让这个数值更精确，是卡文迪许之后的科学家们努力的方向。利用现代技术完善扭秤实验，则是他们提升测量精度的办法。
就在牛顿万有引力定律提出后的300年，中国科学家罗俊及其团队加入了这支寻找引力常数的队伍，此后他们几乎每十年会更新一次引力常数的测量精度。
上世纪80年代，罗俊团队开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G，历经10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。
◎罗俊院士（来源：新华网）
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，并于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，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。
十年十年又十年，永不止步的科研精神
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方法——扭秤周期法、扭秤角加速度反馈法，测出了两个不同的G值，相对差别约为0.0045%。
《自然》杂志评论称，通过两种方法测出的G值的相对误差达到了迄今最小。
“30多年的时间里，我们不断地对完全自制的扭秤系统进行改良和优化设计。”罗俊院士如是说。在精密测量领域，细节决定成败。光是为了得到一个实验球体，团队成员就手工研磨了近半年时间，最后让这个球的圆度好于0.3微米。
在研究的过程中一批高精尖的仪器设备被研发出来，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。如团队开发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。
“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”
目前，全世界很多实验小组都在测量G值，国际科技数据委员会2014年最新收录的14个G值中，最大值和最小值的相对差别约在0.05%。尽管数值的差距在缩小，但真值仍是未知。
“不同小组使用相同或者不同的方法测量的G值在误差范围内不吻合，学界对于这种现象还没有确切的结论。”罗俊说。
（来源：网络）
科学家推测，之所以测出不同的结果，一种概率较大的可能是，实验中可能存在尚未发现或未被正确评估的系统误差，导致测量结果出现较大的偏离，另一种概率较低但不能排除的可能是，存在某种新物理机制导致了目前G值的分布。
罗俊告诉记者，要解决目前G值测量的问题，需要进一步研究国际上测G实验中各种可能的影响因素，也需要国际各个小组的共同努力和合作。
“只有当各个小组实验精度提高，趋向给出相同G值的时候，人类才能给出一个万有引力常数G的明确的真值。”罗俊说。
“G值的测量并非一劳永逸，需要有科学家持续为它‘保鲜’，但是对它的测量又极其艰辛，罗俊团队通过30年的努力，贡献了目前世界上最精确的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詹姆斯·法拉教授如此评价此次罗俊团队取得的成绩。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0431-5
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来源：中国科学报、科技日报、人民日报
作者：倪思洁、刘志伟、王潇潇、高翔、程远州
整理、编辑：李智
责任编辑：周玉婷
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