武汉科学家“遁地”30年 测出最精准万有引力常数

发布时间:2018-09-01 08:59  来源:未知  作者:邵阳医学高等专科

      武汉科学家“遁地”30年测出最精准万有引力常数

      测量过程如同给地球做CT

      长江日报讯(记者杨佳峰 通讯员王潇潇 高翔)北京时间8月30日凌晨1时,《自然》杂志刊发华中科技大学引力中心的中科院院士罗俊团队测G(引力常数)实验的论文,该团队历经30年艰辛测出了截至目前常数G的最精确值。据悉,这是我国在这个领域的第一篇《自然》杂志文章。此次罗俊团队采用两种不同方法测G,精度均达到国际最好水平,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的推荐值作出实质性贡献。

      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,大到宇宙中的天体,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,但令人遗憾的是截至目前,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,而且对检验牛顿万有引力定律及深入研究引力相互作用规律具有重要意义。

      据悉,万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数,但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值测量的精度接近10的负5次方,相互之间的吻合程度仅达到10的负4次方的水平,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的负5次方的水平,这将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的推荐值作出实质性贡献。

      测量万有引力常数G的价值何在?罗俊院士在接受媒体采访时说:“地表的重力大小,是由地球内部的物质构造决定的。如果我们能精确测量地面重力,就能了解地下物质密度分布。换言之,精密测量就相当于给地球做CT,可以知道地下矿藏的大致分布。”

      论文的通讯作者之一、团队核心成员、华中科技大学引力中心杨山清教授介绍,G值的测量原理早已十分明确,但测量过程异常繁琐、复杂。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。

      G值测量,十年磨一剑

      1999年,罗俊团队取得105ppm的测G结果。

      2009年,罗俊团队将G值精度提高到26ppm。

      2018年,罗俊团队测得国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm。

      引力波研究与“天琴计划”

      根据爱因斯坦的相对论,宇宙中巨大的天体运动会让时空发生扭曲并像波浪一样传播,这就是引力波。

      何为“天琴计划”?罗俊院士介绍,在10万公里高的轨道上放三颗卫星,中间用激光联系起来。引力波过来,这边空间会拉伸,另一边空间会收缩,这个拉伸距离只有皮米级(一个原子的大小),我们就用距离的变化测出来。立体看像一个竖琴,引力波是拨动琴弦的上帝之手,所以取名字叫“天琴”。

      2013年,罗俊和团队探讨并提出“天琴计划”;2016年,位于美国的LIGO项目团队宣布发现引力波的存在。罗俊说,引力波研究可比肩美国“阿波罗探月计划”,是太空、外太空研究的制高点。

    

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