新華社武漢10月31日電 題：在中國一所大學(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)萬有引力定律,，并提出精確計(jì)算物體與物體間引力的萬有引力常數(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，探索著萬有引力的奧秘,，一次次將萬有引力常數(shù)G值推向新的測(cè)量精度,。不久前，中國科學(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)H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”

萬有引力定律發(fā)現(xiàn)100多年后,，英國物理學(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,，羅俊幾乎全在山洞中度過。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1攝氏度，羅俊常年只穿一件襯衫,，過著屬于自己的“恒溫”季節(jié),。

十多年過去，1998年,，羅俊發(fā)表105ppm（1ppm即百萬分之一）相對(duì)精度的萬有引力常數(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,。

位于中國中部的這個(gè)小山洞引起了世界關(guān)注，國外專家將其譽(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,，漫長而艱辛。引力實(shí)驗(yàn)更是一項(xiàng)十分長期艱苦的研究,，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?；覊m千萬分之一的重量，也能測(cè)量出來,?！绷_俊說。

“做這樣的實(shí)驗(yàn)沒點(diǎn)‘瘋狂’與‘執(zhí)拗’,，是堅(jiān)持不下來的,。”華中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長涂良成說,。

這樣的“瘋狂”和“執(zhí)拗”從未停歇。又是一個(gè)十年過去,，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)量萬有引力常數(shù)，給出了目前國際上最高精度的G值,，相對(duì)不確定度優(yōu)于12ppm,。

“也許在外人看來那是相當(dāng)?shù)目菰铮覀儧]有覺得,，因?yàn)槲覀冄芯康膯栴}是科學(xué)還沒解決的領(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,。

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,，全國有3家引力實(shí)驗(yàn)研究中心,，堅(jiān)持到今天從未間斷過的只有華中科技大學(xué)引力中心。

涂良成說：“原因很清楚,，實(shí)驗(yàn)周期特別長,，拿不到什么大課題大項(xiàng)目，要堅(jiān)持下來很難,。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,。”

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)國家科技進(jìn)步,。

因此,，他們不僅堅(jiān)持下來，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”局面：無經(jīng)費(fèi)資助、無資料可查,、無儀器可用,。由于引力實(shí)驗(yàn)和重力測(cè)量研究的地位重要,，國外的資料無法拿到，我國也沒有任何先例可循,。

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，引力中心欲向國外某實(shí)驗(yàn)室購買某種衛(wèi)星重力測(cè)量?jī)x器,，對(duì)方提出該儀器不是商品,，是無價(jià)的，中國要想使用,，“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),。這是非常霸道無理的要求,，意味著可能拱手送出國家機(jī)密,！”羅俊說，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，“這只是做精密測(cè)量試驗(yàn)所經(jīng)常要花的功夫,?！?/p>

G值的測(cè)量原理早已十分明確,，但測(cè)量過程卻異常繁瑣、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,、獲得國際認(rèn)可的最高精度?！眻F(tuán)隊(duì)成員楊山清教授說,。

美國天體物理聯(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,。假如沒有了燈光,，這里將是望不見盡頭的黑暗。

有人發(fā)出疑問：假如沒有看到今天的成果,，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,。然而這里潛心科研、不問功名的氛圍一直沒有變,，大家沉下心在科學(xué)王國里開疆拓土的創(chuàng)新激情也一直沒變,。

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),，在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防科技等領(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，他們測(cè)量G值的過程中,，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,，打破了制約我國重力衛(wèi)星研究的瓶頸,，突破國外對(duì)我技術(shù)封鎖?！拔磥恚覀兛梢杂弥亓o地球做核磁共振,，可以把礦產(chǎn)資源這樣的戰(zhàn)略信息掌握在中國人自己的手里,。”涂良成說,。

“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，它要求對(duì)17萬公里兩顆衛(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)直徑的千萬分之一,。

甘坐冷板凳，勇做栽樹人,。盡管,，這將又是一次漫長而艱辛的攀爬，但這群山洞里的“引力人”堅(jiān)信,，無論是引力測(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)國建設(shè)的根基。