物理学院胡忠坤团队等效原理检验方面取得重要

2019-11-21 10:30栏目:国际学校
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  7月6日,物理学权威学术期刊《物理评论快报》发表物理学院引力中心胡忠坤教授团队在等效原理检验方面的重要实验进展。

  ■记者 张雯怡

1引言 波的干涉是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干涉现象早已被人认识.根据量子理论,任何微观粒子(如电子、中子、原子、分子)都具有波粒二象性,微观粒子的波动性(称为物质波或德布罗意波)由波函数描述,服从薛定谔方程.物质波同样满足线性叠加原理,具有相干性.自从1991年实现了脉冲式原子干涉仪以来,原子干涉仪在精密测量领域得到了广泛的应用,典型的应用有重力加速度测量和重力梯度测量旋转速率测量和地球自转速率的测量牛顿引力常数的测量以及精细结构常数的测量等.利用原子干涉仪验证等效性原理以及原子干涉仪在空间应用已经引起关注. 原子干涉仪基于物质的波动特性,实质是对原子波包的相干操作.将原子波包相干地分束和合束后形成两个或者多个路径,观察这些不可区分路径即产生干涉条纹.操作原子波包的方式有激光驻波形成的衍射光栅结构和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物质波具有与光波不同的内禀特性,基于原子干涉的原子陀螺仪和原子加速度计,可达到的灵敏度远高于激光陀螺仪或激光加速度计.理论上分别求解光波波动方程和物质波的薛定谔方程,可得到同等环路面积条件下,原子陀螺仪与光学陀螺仪灵敏度的比值为Rgyro=mc2hν=λλdeBcv,其中c为真空中光速,λ是光波波长,ν是光频率,υ为原子的运动速度,m是原子的质量,λdeB=h/mυ是原子的德布罗意波波长.因为λdeBλ,且υc,故在典型条件下,Rgyro~1010,即原子陀螺仪的内禀灵敏度可比同面积的激光陀螺仪高10个量级.这是由于物质波波长远小于可见光的波长,所以与激光干涉仪相比,原子干涉仪对更小的变化更灵敏;又由于原子的运动速度远慢于光速,因此在原子陀螺仪中,原子飞越相同的干涉路程时将经历更长时间的转动,从而产生更大的条纹移动.类似的分析发现,原子加速度计的内禀灵敏度与光学的比值为Raccel=2mc2hνcv=2λλdeB在典型条件下,该比值达1017. 原子干涉的历史要追溯到20世纪初期,1924年,Hanle在原子蒸汽中研究了持续几十个纳秒的原子相干叠加态[17],随着原子束技术的发展,Stern-Gerlach磁场被用来选择和保存原子在特定的量子态中,1938年,Rabi采用射频共振技术实现了原子内部量子态的改变。1949年,Ramsey实现了较长时间原子内部量子态的相干叠加,用分离振荡场技术实现原子内部量子态的相干操作,为实际应用带来重大变化,典型应用有原子频率标准,核磁共振波谱和量子信息等.随着冷原子技术的发展,采用冷原子的原子干涉仪得到了迅速发展,1991年,朱棣文用受激拉曼脉冲序列对冷原子内部量子态操作,使原子波包相干分束、反射和合束,原子外部量子态在波包自由演化后通过原子内部量子态进行测量,实现了受激拉曼跃迁式原子干涉仪;1997年,朱棣文又用原子陀螺仪实现了转动的精密测量,精度达到10-8/Hz.法国巴黎大学实现了冷原子自旋-极化干涉仪.美国耶鲁大学继2000年实现了大面积光-脉冲原子干涉仪之后,又于2002年利用原子干涉仪实现了灵敏的重力梯度仪,灵敏度达10-9g/Hz. 目前国际上灵敏度最高的原子干涉陀螺仪用热原子束实现.热原子束的优点是原子数多,可以获得更高的信噪比.从提高灵敏度来讲,得到更大的干涉环路面积需要增加长度或者降低原子速度,热原子束速度很大,通常为每秒几百米,冷原子的速度可以精确地控制在每秒几米左右,在系统集成和小型化方面有着明显优势.冷原子陀螺仪通常采用双环路原子干涉仪的构型实现[5],其优点在于可将系统小型化,同时可以抑制共模噪声和方便提取旋转相移.重力加速度引起的相移为Δ=12·T2,T是拉曼脉冲时间间隔,可以通过降低原子速度来增加相移,因此,冷原子在测量重力加速度方面比热原子具有明显的优势.2原子干涉仪的原理 光或原子的波动与干涉可由图1所示的著名的杨氏双狭缝实验来演示.这也是原子干涉仪的基本原理,即不可区分的两条路径的几率振幅叠加的结果将产生干涉. 原子干涉仪的运作一般分为几个步骤:原子初态制备、原子波包相干分束、原子波包自由演化、原子波包相干合束、原子末态探测.下面以拉曼型原子干涉仪为例,介绍原子干涉仪的基本物理原理和相关应用. 在原子干涉仪中,要相干地对原子波包分束和合束,并保证原子波包在自由演化过程中保持其相干特性,最初原子干涉仪设计类似于光波杨氏双缝干涉仪实验[20,21],但用激光对原子产生的力学效应,使原子在吸收或受激辐射光子的同时得到光子反冲动量,使原子波包分束和合束,用受激拉曼过程对原子波包相干操作,使原子获得双光子反冲动量,从而增加原子干涉环路的面积,提高原子干涉仪的灵敏度. 4原子干涉仪在精密测量中的应用 冷原子具有质量和传播时间长等特征决定了它在精密测量领域有着独特的优势.原子干涉仪作为惯性传感器可与最好的其他惯性传感器比拟.利用原子干涉仪作为惯性传感器,测量重力加速度的分辨率达到2×10-8/Hz,重力梯度仪的分辨率达到4×10-9/Hz,牛顿引力常数测量不确定度达到±0.003×10-11m3kg-1s-2[9,10],用热原子束实现原子陀螺仪灵敏度达到1.4×10-10rad/s,偏置稳定度达到7×10-5/h,短期噪声达到3×10-5/h.冷原子陀螺仪的灵敏度在10min平均时间达到1.4×10-7rad/s. 5原子干涉仪空间应用 美国斯坦福大学、麻省理工学院等研究单位对原子陀螺仪进行了深入的科学研究,美国宇航局启动了空间原子重力梯度仪研制计划,用以精密测量地球重力场.欧洲空间局启动了HYPER(hyper-precisioncoldatominterferometryinspace)计划,该计划首次用原子干涉仪作为加速度和转动的传感器来控制飞船(与卫星定位系统连用),同时进行重力磁效应和量子重力的科学研究,包括精细结构常数的测量和物质波相干等实验. HYPER的第一个卫星使命是用冷原子干涉仪作为惯性传感器控制飞船,用4个原子干涉仪组成2个双环路原子陀螺仪测量2个正交方向的加速度和旋转,通过激光控制原子的速度,使2个原子陀螺仪工作在不同模式:粗测和细测.粗测的灵敏度为10-9rad/s,用作姿态和轨道控制系统;细测的灵敏度为10-12rad/s,用来测量引力效应.HYPER对精细结构常数独立测量不依赖于量子电动力学,预计提高一个量级,用于比较量子电动力学的结果,HYPER将进行引力实验来检验广义相对论的时空弯曲和进行量子引力实验. 6小结 利用原子干涉仪可进行精密物理测量,例如:转动、加速度、加速度梯度等.因而,原子干涉仪在导航定位、地下掩体探测、探矿找油等方面有广泛的应用前景. 原子干涉仪性能的进一步提高将受到两方面的限制:由于重力的影响,原子飞行的时间有限,飞行路径包含的面积较小,难以进一步提高灵敏度;在原子动量起伏较大的情况下,不能将原子束等比例地分离到两个路径上,降低了干涉条纹的对比度.因此,除了改善现有原子干涉仪的方案之外,发展全新的技术来解决以上两方面的问题是原子干涉仪未来的主要发展趋势.这包括改善原子束源和寻找操纵原子的新方法.在原子束源方面,采用玻色-爱因斯坦凝聚体进行原子干涉仪研究,可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更长的相互作用时间和更好的信噪比.在原子操纵方面,原子微结构磁囚禁和导引可以极大地提高人们对原子的操纵能力,有利于发展小型化原子干涉仪.

新华社武汉10月31日电 题:在中国一所大学的山洞里,有这样一群“追引力的科学家”

  该论文题为《利用不同自旋取向的原子检验自由下落普适性》。胡忠坤为论文通讯作者,青年教师段小春为第一作者,博士生邓小兵作为同等贡献署名第二。论文被PRL推荐为亮点文章,并且被美国物理学会旗下在线新闻网站“物理”进行精选报道。

  “在武汉市喻家山上一个不起眼的人防山洞中,有一个被国外专家誉为‘世界引力中心’的物理实验室。35年,研究人员扎根山洞潜心研究引力波探测,取得具有国际影响力的研究成果……”5月15日,新华社客户端一则《35年隐身山洞“磨一剑”》发布不到20小时即吸引了十多万人。

新华社记者皮曙初、俞俭、胡喆

  等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一。几乎所有试图将引力与其他三种基本相互作用统一起来的理论都要求等效原理破缺。等效原理是否破缺是涉及物理学根基的基础前沿科学问题。其在什么精度、在什么范围内成立需要实验检验。检验趋势分两大方向:一是在传统实验的基础上不断提高检验精度;二是引入新物理内涵来检验新型等效原理。

  引力中心科研人员将冷板凳坐热,成就“世界引力中心”的故事,成为华中大精神的又一写照。2011年以来,该中心快速发展,以祖国和人民的需要为目标,催生出一批高水平的科研成果。是什么穿越了时空,吸引着引力人在科研路上不断探索?请随记者一起探寻。

三百多年前,牛顿发现万有引力定律,并提出精确计算物体与物体间引力的万有引力常数G。然而,由于引力十分微弱,作为人类最早认识的物理学基本常数,G值的测量精度迄今为止仍是最差的一个。

  针对“不同物体在引力场中是否同时落地?”这一基本问题,胡忠坤创新性地提出“不同自旋取向的原子在引力场中是否同时落地?”这一开放科学问题,并利用冷原子检验了这一新型等效原理。研究团队通过量子态的精密操控将冷原子自旋取向极化,并采用原子干涉法测量不同自旋取向的原子下落的加速度差。

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在湖北武汉的华中科技大学,有这样一群科学家,他们坚守防空洞改建的实验室,在艰苦环境下,忍受着常人难以想象的孤寂和冷清,三十多年如一日,探索着万有引力的奥秘,一次次将万有引力常数G值推向新的测量精度。不久前,中国科学院院士罗俊团队在《自然》杂志刊发最新成果,测出了当前世界最精确的G值,实现在基础研究领域对国际一流的赶超。

  由于自旋取向极化冷原子处于磁敏感态,研究团队还通过发展磁敏感原子干涉测量技术,解决了背景磁场效应测量和抑制难题。实验结果表明,在1.2×10-7水平上,微观原子自旋取向相关的等效原理依然成立,并首次给出了时空挠率梯度的上限为5.4×10-6 m-2。该研究结果为研究引力和自旋相互作用、探测时空挠率特性以及开展自旋极化冷原子精密测量打开了新窗口。

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与时间苦“熬”:坚持不懈“坐热”基础研究“冷板凳”

  据了解,自2005年起,胡忠坤带领团队在引力中心扭秤实验优势的基础上,拓展了冷原子干涉精密测量研究方向,探索引力前沿科学问题并服务于精密重力测量国家需求。经过十多年的不懈努力,该团队实现了激光冷却原子、原子物质波干涉和原子下落加速度测量,解决了测量噪声抑制和分辨率标定等难题。2013年,团队突破了绝对重力测量灵敏度,被他引评价为当前国际最好记录。

坚持,瞄准目标不动摇

万有引力定律发现100多年后,英国物理学家卡文迪许第一次利用扭秤实验测出G值,因而被认为是历史上第一个测出万有引力常数的科学家,他的实验也被称为“测量地球重量的实验”。此后,各国科学家一直在为测量更精确的G值不懈努力。

  该工作先后得到了国家自然科学基金仪器专项和面上项目、“973计划”课题等项目的资助。

  1983年10月,学校开始筹建引力中心,实验室建在了喻家山下的人防山洞中。目前,山洞实验室约4000平方米,纵深150米,上面覆盖层厚度大于40米。独特的自然环境加上巧妙的实验设计,使实验室具有恒温、隔振和电磁屏蔽等优越的实验条件,成为国际上几个最好的静态引力场实验室之一。

引力测量的难度,在于实验对地面振动、电磁力、温度变化等干扰极为敏感。华中科技大学引力中心是目前我国唯一引力实验研究基地。20世纪80年代初筹建之初,他们选中校内喻家山一处防空洞作为实验室。山洞阴暗潮湿,但是震动小、温度恒定,是难得的引力实验场所。

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  引力实验是一项持续时间长且十分艰苦的研究,从实验设备的设计、打磨,到实验数据的取得,往往需要在山洞中苦熬十年之久。测G是罗俊及其团队花费精力最多、持续至今的研究工作。

从那时起,罗俊带领的团队一直坚守在山洞之中。开始的近10年,除去吃饭和睡觉,罗俊几乎全在山洞中度过。经年累月,头发掉了一大半,脸上出现一块块白斑,甚至“每个月都要感冒发烧一两次”。因为山洞里的温度常年是20摄氏度,温差不超过1摄氏度,罗俊常年只穿一件衬衫,过着属于自己的“恒温”季节。

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  当年长时间在阴冷潮湿的山洞中做研究,罗俊的身体变得虚弱,常常生病。他说,山洞与外界隔离,连手机信号都没有,在这里做学问还要耐得住寂寞。

十多年过去,1998年,罗俊发表105ppm(1ppm即百万分之一)相对精度的万有引力常数测量结果,成为当时世界上测量精度最高的G值之一。这一实验结果被国际科技数据委员会的基本物理常数所收录,并以华中理工大学英文缩写HUST命名。

  Physics精选报道:

  1998年,团队取得了105ppm相对精度的测G结果,他们的测G实验结果被国际科技数据委员会收录,并以华中科技大学英文缩写HUST命名。2009年,G的测量精度提高到26ppm。是当时国际上精度优于50ppm的5个结果之一,也是当时采用扭秤周期法测得的最高精度G值。同年,罗俊当选中国科学院院士。

位于中国中部的这个小山洞引起了世界关注,国外专家将其誉为“世界引力中心”。

  提及几十年能够坚持下来的原因,罗俊说是因为做学问“本身就是一种享受”。导师执着、乐观的科研态度让当年的博士生、现在的引力中心教授胡忠坤看在眼里,铭记在心。

基础科学研究犹如攀爬陡峭的巉岩,漫长而艰辛。引力实验更是一项十分长期艰苦的研究,从实验设备的设计、打磨,到实验数据的取得,每前进一步往往需要十数年乃至数十年的苦“熬”。

  2005年,博士期间一直从事测G研究的胡忠坤在导师罗俊的支持下毅然决定迎接新的挑战——拓展冷原子干涉新研究方向。

又经过十年实验和研究,罗俊团队将G值测量精度提高到26ppm,这是采用扭秤周期法测得的最高精度G值。实验结果再次被CODATA值收录,命名为HUST-09。

  任何科研成果不可能一蹴而就,从2005年到2009年,整整5年,整个团队一篇论文都没有发表,但是胡忠坤每年一个台阶,快速追赶国际先进水平,在实验室内部年年被考核为优秀。

“这个精度相当于在一个1米杆的一端,放上一粒灰尘千万分之一的重量,也能测量出来。”罗俊说。

  周敏康副教授当时正在读博,2005年才刚入学就参与了高精度冷原子重力仪的研究。他笑着说:“入学时想着,读博3年总该有1篇高水平文章了。我的同学有的4年就博士都毕业了。”

“做这样的实验没点‘疯狂’与‘执拗’,是坚持不下来的。”华中科技大学物理学院副院长涂良成说。

  胡忠坤很镇定,他说“心里不慌,因为我们是一步一个脚印朝着目标前进”。底气来自于对新研究方向的自信,也来自于罗俊的教导和支持。“要瞄准一个大的目标,长期坚持做,不要看短期的利益。”“要有追求、有规划、一步步做。”“做科研遇到困难,不应该绕过它,应该迎难而上,解决它,这样脚下的路才走得最稳最踏实!”导师的谆谆教导一直萦绕在胡忠坤的心头。

这样的“疯狂”和“执拗”从未停歇。又是一个十年过去,罗俊团队采用扭秤周期法和角加速度法两种不同方法,在同一实验室测量万有引力常数,给出了目前国际上最高精度的G值,相对不确定度优于12ppm。

  论证方案、组建队伍、搭建平台、原理验证、关键技术突破,预期目标逐步实现……2010年,胡忠坤团队发表了第一篇冷原子干涉测量论文;2013年,突破了绝对重力测量灵敏度,他引评价为当前国际最好记录;2016年,论文被《物理评论快报》推荐为亮点文章,并被美国物理学会旗下新闻网站“物理”进行精选报道。12年的坚持不懈,使团队在冷原子干涉重力测量方面实现了“弯道超车”。而胡忠坤也因在科学上执着追求、勇攀高峰,在2017年获评“全国五一劳动奖章”。

“也许在外人看来那是相当的枯燥,但我们没有觉得,因为我们研究的问题是科学还没解决的领地,在未知的世界里探索,哪怕你只获得一点点进展,都会非常开心。”团队成员杨山清说。

创新,为了祖国和人民的需要

从罗俊到“70后”的周泽兵、胡忠坤、涂良成,“80后”周敏康、杨山清、段小春,乃至“90后”博士生、硕士生,一代代“引力人”就这样耐得住寂寞、守得住冷清,硬是把基础研究的“冷板凳”生生给“坐热了”。

  5月21日,罗俊团队打造的激光角反射器随嫦娥四号中继卫星“鹊桥”进入太空,开展激光测距实验。实验旨在为“天琴计划”做先导性研究,将实现国际首次超过地月距离下的纯反射式激光测距实验。

为科学而“疯”,自力更生艰苦创造成就“世界最好”

  2017年4月20日,“太空快递员”天舟一号货运飞船发射升空,引力中心“非牛顿引力实验检验的关键技术验证”装置抵达天宫二号。相关实验结果为我国空间站设计提供了重要指导,为我国目前在轨加速度测量的最高水平,该加速度计整体性能达到了国际同类产品的水平。

1985年“山洞实验室”建成之时,有14个筹备人员,如今还在这个团队的只剩下罗俊和一名工作人员。一开始,全国有3家引力实验研究中心,坚持到今天从未间断过的只有华中科技大学引力中心。

  这是引力人在中国科研史、航天史上留下的一个个印记,也是他们孜孜以求的目标。他们的心中都有一个共识——服务国家重大战略需求,做祖国需要的科学家。

涂良成说:“原因很清楚,实验周期特别长,拿不到什么大课题大项目,要坚持下来很难。而且,这样的基础研究也不是一般人认为的研究‘热点’,而是个‘冷门’,所以有人选择了离开。”

  罗俊常说:“只有做出有影响力的工作,才能承担起一个科研工作者所应尽的社会责任。”为了让团队能承担重大基础研究项目,服务国家发展,提升国际地位,他积极谋篇布局,带领引力人不断拓展新的研究方向。

然而,罗俊和他的团队认为,对G值的精确测量,不仅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意义重大,而且具有计量学上的重要意义,对于现实中包括地震在内的自然环境监测、地质资源勘测等都有重要战略意义。

  布局空间重力测量研究方向。2000年,周泽兵教授团队启动空间加速度计攻关研究。2006年,他们研制的空间簧片加速度计成功完成了空间飞行实验;2013年,研制的静电悬浮加速度实现卫星搭载飞行实验,成功实现了该款空间加速度计的首次飞行验证。2017年,团队研制了更高分辨率的静电悬浮加速度计实验装置,并完成了载人航天工程“天舟一号”货运飞船“非牛顿引力实验检验的关键技术验证”空间实验,有力地推进了我国有关空间计划的工程实施,为我国空间引力波探测奠定了重要基础。该成果入选首届华中大重大学术进展。

引力常数精度的每一次提升,也是精密测量技术的一次革命。他们坚信,破解基础科学的难题,一定会推动国家科技进步。

  布局航空重力测量研究方向。2008年,涂良成教授团队启动海空重力梯度测量攻关研究。这项被称为“给地球做核磁共振”的研究,将为我国矿产资源勘探、国家安全提供重要技术保障。由于技术攻关难度大,国外科学家将其与“阿波罗计划”相提并论。能查到的最新资料源自20世纪70年代,国外的技术封锁让团队只能白手起家,用十多年的时间一点点为我国自主研制重力梯度仪打下基础,为中国“决战深地”攻坚克难。

因此,他们不仅坚持下来,而且一次次提出具有创新思想的精密测量实验方案,一次次破解关键难题。

  一次次攻关,一次次突破,引力人始终把祖国的需要和人民的需要扛在肩头,把中国的引力实验研究推向国际学术前沿。

引力中心筹建之初,面临的是“三无”局面:无经费资助、无资料可查、无仪器可用。由于引力实验和重力测量研究的地位重要,国外的资料无法拿到,我国也没有任何先例可循。

  为了提升我国在精密重力测量领域的自主创新能力,服务地球物理和全球环境变化科学研究、资源勘探、国家安全等国家重大战略需求,引力中心联手兄弟单位,提出“关于建设精密重力测量研究设施”的设想。2013年,“精密重力测量研究设施”项目被列入“十二五”重点建设的国家重大科技基础设施项目之一。2015年,项目建议书获国家发改委批复。

仪器的先进性直接决定着引力实验的数据精度。一次,引力中心欲向国外某实验室购买某种卫星重力测量仪器,对方提出该仪器不是商品,是无价的,中国要想使用,“必须交换”。

  “天琴计划”是罗俊在2014年提出的空间引力波探测计划。中心科研人员正在研发攻关的技术,是未来中国空间引力波探测的关键载荷。探索引力波是精密测量研究绝对的技术挑战。它要求对17万公里两颗卫星之间激光扰动的测量要达到皮米精度,相当于一根头发直径的千万分之一。目前实验室测量精度已接近皮米,相关技术将产生重大应用价值。

“如何交换呢?就是他们给仪器,我们必须给他们原始数据。这是非常霸道无理的要求,意味着可能拱手送出国家机密!”罗俊说,经历这件事后,引力中心更加坚定了要走独立自主的研究道路——自主设计实验路线、自主制定测量方案、自主研发仪器设备。

成长,打造科研生力军

引力实验中要用到一种特殊的钢球,每个球的圆度要精确到1微米,而能买到的这种球最好精度在5到10微米。引力中心副研究员薛超介绍,试了很多办法都失败了,只好自己慢慢地磨,光一个球就磨了九个月,精度最终达到了0.8微米。

  邵成刚教授在《物理评论快报》发表了利用近距离引力实验探索洛伦兹破缺效应的最新研究成果,杨山清教授在《物理评论快报》发表了检验牛顿反平方定律实验中的最新研究成果,段小春讲师在《物理评论快报》发表等效原理检验方面的重要实验进展,王炎副教授在《物理评论快报》以封面文章的形式发表了与合作者在引力波天体物理方面的最新研究成果,林国平副教授在光学权威期刊《光学与光子学研究进展》发表综述文章……

“四个球磨出来之后,确实达到非常好的效果,数据稳定性非常高。”薛超说,“这只是做精密测量试验所经常要花的功夫。”

  引力中心进门大厅的展示板上,一篇篇论文见证着引力人勇攀科研高峰时留下的每一个足迹。

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。为了增加测量结果的可靠性,罗俊团队在实验中同时使用了扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法两种独立的方法。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。

  这里,每一个人的热忱都被激发,科研成果接踵而至,一批青年才俊脱颖而出。1人入选“万人计划”科技创新领军人才,3人入选“杰青”,1人入选“优青”, 5人入选“新世纪人才”,4人入选“楚天学者”。

“我们用两种不同的方法,用自主研发的一批仪器,一步一步将精度提高。又是一个十年,我们做到了世界上最好、获得国际认可的最高精度。”团队成员杨山清教授说。

  是什么,让这支科研生力军得以快速成长?

美国天体物理联合实验室前主席James E. Faller教授评价,“这个团队的工作非常杰出,为获得准确G值做出了极其重要的贡献”,“拥有罗俊、他的团队和这样一个出色的实验室是中国的骄傲”。

  刻苦钻研是引力人的工作常态。引力实验中要用到一种特殊的钢球,每个球的圆度要精确到0.5微米以内,而能买到的这种球最好精度在5到10微米。曾在中心攻读博士的薛超只好手工研磨,一个球磨了9个月,圆度最终达到0.2微米,试验需要的4个球的研磨就耗费了他整整两年的时间。

为探索而“痴”:科学在心中有一种不可抗拒的“吸引力”

  规范管理是引力中心的“传家宝”。罗俊强调:“有规范按规范办,没有规范先讨论出规范。”在他的倡导下,做事“四有”等20多项规章制度被落实到教学科研中,为团队高效有序运行提供有力保障。

位于武汉市洪山区喻家山下的“山洞实验室”,甬道狭长幽深,水泥涂层斑驳,甬道两边一间间摆放着各种仪器设备的实验室。不管白天黑夜,这些实验室里的灯总是亮着。假如没有了灯光,这里将是望不见尽头的黑暗。

金沙国际网址,  论文投稿前都要经过仔细审查就是该中心的传统之一,一直沿袭至今。3篇全国优秀博士学位论文就是在这样的严格要求下诞生的。罗俊、胡忠坤、涂良成师徒三人的论文曾分别获评全国优秀博士学位论文。涂良成回忆说,当年自己的一篇论文,在罗俊的要求下,修改了17次。

有人发出疑问:假如没有看到今天的成果,以十年、数十年为单位的引力基础科学研究和摸索,本身就具有很强的不确定性,值得吗?

  规范只是约束行为,但不禁锢思想。罗俊说:“大学必须坚持学术自由的精神。”在这里,学术思想的讨论从来都非常开放。在例会上,老师和学生还会为了学术问题争得面红耳赤。

科学研究散发出的魅力似乎在科学家身上总是那么“不可抗拒”,他们的回答几乎异口同声:能测出最精确的G值、做出最好的科研成就,就足够了。

  凝聚力量,坚持党旗领航,党支部是引力中心的“心脏”。在学校和学院两级党委领导下,引力中心党支部围绕中心工作抓党建,抓好党建促发展;不断学、努力做,从抓好方向引领、服务国家需求等入手,明确定位,切实提高引力人的凝聚力和战斗力……多年来,该党支部学习、活动不断线,将党员群众牢牢拧成一股绳,成为了中心教学、科研和社会服务工作的战斗堡垒,曾获评湖北省高等学校先进基层党组织。

如今“山洞实验室”不断扩建,实验条件比从前大为改善,一批兼具理论与实践能力的优秀人才在这里成长。然而这里潜心科研、不问功名的氛围一直没有变,大家沉下心在科学王国里开疆拓土的创新激情也一直没变。

  以罗俊为代表的一批党员学术带头人以身作则、率先垂范,带领团队奋战在科研一线。一批年轻的引力人在榜样的带领下迅速成长。2017年11月,邓科老师递交了入党申请书。不少像他一样的青年科研工作者正在积极向党组织靠拢。

冷原子物质波干涉具有潜在灵敏度高和对重力敏感的优势,是重力精密测量的新方向。引力中心胡忠坤教授刚开始做冷原子重力仪的时候,整整五年一篇论文都没发表,但他始终不言放弃,用12年的努力,在冷原子干涉重力测量方面实现“弯道超车”,由跟跑到并跑和领跑。

  广纳英才是引力中心发展的不竭动力。2017年就有300多封求职邮件如雪片般地飞来,其中不乏加州大学伯克利分校、剑桥大学等知名高校毕业生,该中心在学者的眼里充满了吸引力。中心主任涂良成说:“论文早已不再是追求的唯一目的,我们希望做一些具有原创性的基础科学前沿的研究工作,或是服务国家重大战略需求的‘国之重器’。目标是200个固定科研人员,团队规模要达到千人以上。”

“引力中心实验室里测G的技术,在国家经济建设、国防科技等领域都能得到引用。” 华中科技大学物理学院党委书记张凯说,他们测量G值的过程中,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。

科研团队用18年时间,应用精密测量技术,取得高精度星载加速度计的关键技术突破,打破了制约我国重力卫星研究的瓶颈,突破国外对我技术封锁。“未来,我们可以用重力给地球做核磁共振,可以把矿产资源这样的战略信息掌握在中国人自己的手里。”涂良成说。

“丹心未泯创新愿,白发犹残求是辉”。2014年,罗俊院士提出了引力波探测计划“天琴计划”,向着当今世界引力研究的最前沿、科学研究的新高峰发起挑战。

“探索引力波是精密测量研究绝对的技术挑战。”罗俊说,它要求对17万公里两颗卫星之间激光扰动的测量要达到皮米精度,相当于一根头发直径的千万分之一。

甘坐冷板凳,勇做栽树人。尽管,这将又是一次漫长而艰辛的攀爬,但这群山洞里的“引力人”坚信,无论是引力测量还是引力波探测,基础科学必将带动一个国家的人才和技术进步,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破,夯实好世界科技强国建设的根基。

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