30年攻坚自然界“最难常数”，中大人揭秘《自然》杂志文章背后

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从上世纪八十年代起，罗俊团队就开始了漫长的测G工作，并曾于1999年、2009年测量出两个G值，分别收录到国际科技数据委员会中。8月30日，国际权威杂志《自然》刊发了中国科学院院士罗俊团队最新测G成果，该团队历经30年，测出截至目前世界上最为精确的G值。该论文的共同第一作者、中山大学天琴中心特聘副研究员薛超，及该团队主要成员之一、中山大学天琴中心特聘副研究员刘祺，在中山大学珠海校区接受记者采访，讲述了几代“引力人”背后的故事。

中山大学天琴中心特聘副研究员

薛超（右）、刘祺（左）

（来源：南方都市报 摄影：陈辉）

万有引力常数G：测量精度最差的物理学常数

万有引力常数G是人类历史上引入的第一个基本物理学常数，其在引力、宇宙学、粒子物理学和天体物理学等多个领域中都有着关键作用，但这个常数却很难准确测量。两个世纪以来，人们共测量出200多个G值，但G的测量精度仅仅提高了不到三个数量级，几乎是每个世纪测量精度提高一位数，到目前为止，G值依然是所有基本物理学常数中测量精度最差的。

薛超说：“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。”

引力相互作用是四种基本相互作用力中最微弱的一种，微弱的引力信号极容易被其他信号干扰，因此试验中必须通过巧妙的设计和精细的操作来克服电、磁、振动、温度等其他外部因素的干扰。另外，引力的不可屏蔽性也使得外部环境的引力场的变化造成干扰信息。

蛰伏三十年：山洞里出了几代“引力人”

为了找到合适的抗干扰环境，上世纪八十年代，罗俊团队在华中科技大学校园内的一个防空洞中专门开挖了一个实验室，从事引力基础实验精密测量研究。

防空洞能达到恒压恒湿的效果，“我们的实验室以山体为墙壁，即便到了夏季，武汉作为‘火炉’，洞外的日波动量达到了6℃~7℃，实验室内部的日波动量温度也只有0.01℃。”同时，山体本身的基岩又有很强的隔振作用，“即便是几百米外人车流动，基岩也能达到很好的隔振效果。”

对于第一代的“引力人”来说，在当时的技术条件下，山洞里的研究生活无疑是艰苦卓绝的。刘祺说，“那个时候防空洞的条件还很差。因为没有除湿机，洞里非常潮湿，湿度达到了90%，长期处在这种不见天日的环境下，不仅容易掉头发、皮肤上也容易长白斑。”提起那时的实验环境，这名80后研究员仍旧唏嘘不已。

如今的引力中心，被国际上的学者们称为“世界上最好的引力基地”之一，工作环境也早已得到了极大的改善。

十年磨一剑：成为“精密测量的典范”

在此次测量实验中，罗俊团队使用了两种独立的实验方法，即扭秤周期法和角加速度反馈方法确定了G值。研究人员得到的G值分别为6.674184×10-11和6.674484×10-11立方米/千克每秒平方，将G值的精确度提高到了小数点后的第四位。

薛超介绍：“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。”

美国国家标准与技术研究院的一位教授同期在《自然》杂志上发表评论文章称：“这个实验是整个精确测量领域卓越工艺的典范。”

而在实验过程中，最耗费心力的便是在此过程中研发出的一批高精端的仪器设备。据薛超透露，这批仪器的筹备和调试花费了很多精力。尤其是两套设备中共6颗无磁不锈钢球。

 “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。”薛超对实验方法作了解释：“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。 ”

历时30年实现3大突破，罗俊团队引力中心成“世界的引力中心”

【历届CODATA推荐的G值】（来源：南方都市报）

罗俊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（CODATA）录用。 

在随后的十年时间里，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所收录命名为HUST-09。 

又经过整整十年的不懈努力，罗俊团队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，达到国际领先水平。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”。

（来源：南方都市报）

在这个过程中，一支规模达数十人的引力物理领域“梦之队”留了下来，并在各自的研究方向上取得世界级的成就。薛超感慨地说：“我们使用的实验方法，都是团队30多年摸索和传承下来的。老师的教诲、师兄们的经验，是这里最宝贵的东西。”

基础物理研究是一门“苦差事”，研究过程稍显枯燥，成果也不易被大众理解。这是薛超加入罗俊院士团队的第10个年头，他却显得愈发乐在其中。

G值精确到小数点后四位的重要意义

意义1：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 

“获得更高精度的G值对很多领域如天体物理、地球物理、计量学等都具有重要意义，”薛超随即举两个简单的例子： 

1.目前各种天体（如地球）的质量测量精度就受限于G值的测量精度，知道G值精度越高，就可以得到更高精度的地球质量或其它天体的质量，这毫无疑问会对物理学的发展大有裨益； 

2.高精度的G值也会帮助我们弄清关于G可能随时间变化以及G是否是常数等相关的理论问题。 

“G值不仅仅是一个数字，而是代表了我们对基础物理的极致追求，也代表了我国在精密测量领域的成就，提升了我国在基础物理学领域的话语权。”刘祺补充道。

意义2：仪器及技术积累对“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础 

正如论文的通讯作者之一杨山清教授所说：“从上世纪80年代罗俊院士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。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。”

“实验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。”

尽管数值的差距在缩小，但G的真值仍是未知。

罗俊团队表示，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。薛超表示，未来他们还会继续寻找下去，“目前两个数据还有点差别，希望有一天能够得到完全吻合的G值。”

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来源：广州日报、南方都市报、南方日报、羊城晚报

视频：珠海电视台

作者：程依伦、贺蓓、钟哲、孙唯

摄影：陈辉

通讯员：刘艳玲

整理：李智

责任编辑：詹潮儿

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